毛 潭，趙康康，鄧士龍，蘇顏欣，張從鵬

(北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144)

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基于磁敏測量技術(shù)的拉線式位移傳感器

毛 潭，趙康康，鄧士龍，蘇顏欣，張從鵬

(北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144)

基于磁敏感角度測量處理器MLX90316開發(fā)了一種拉線式位移傳感器。分析了拉線位移傳感器的測量原理并推導了拉線位移與滾輪角度的解析關系?；贑ortex ARM處理器，設計了位移傳感器的角度信號采集和信號輸出電路；完成了傳感器的整機機械結(jié)構(gòu)設計。開發(fā)了位移傳感器的應用軟件，具有參數(shù)設置、傳感器標定及符合標準Modbus協(xié)議的通訊等功能。試驗表明：拉線式位移傳感器測量精度能達到0.02 mm，性能穩(wěn)定，可滿足工業(yè)領域?qū)ξ灰茰y量的需求。

MLX90316；STM32；拉線式；位移傳感器；Modbus

0 引言

位移傳感器是測量系統(tǒng)中的重要組成部分，其中，拉線式位移傳感器在工業(yè)測量中具有廣泛的應用。傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器多采用多圈電位器作為位移傳感器轉(zhuǎn)角測量的核心部件[1]，作為機械接觸式測量元件，電位器存在易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差及測量精度低等缺點，而且由于受電位器圈數(shù)限制，難于滿足大位移、高精度等應用領域的測量[2]，導致拉線式位移傳感器的應用范圍受到很大的限制。為此，本文研究基于無接觸磁敏角度測量原理的拉線式位移傳感器技術(shù)，并開發(fā)滿足工業(yè)測量應用的高性能拉線式位移傳感器，具有一定的現(xiàn)實意義與實用價值。

1 傳感器工作原理

拉線式位移傳感器的工作原理如圖1所示。通過設計的傳感器運動機構(gòu)，可將位移測量轉(zhuǎn)化為輪轂旋轉(zhuǎn)角度的測量。基于磁敏角度測量原理設計測量電路，實現(xiàn)輪轂角位置的測量，然后角位置信息經(jīng)主控芯片計算處理后得到拉線的運動位移，并通過RS485通訊接口以數(shù)字信號輸出。由于磁敏感應可實現(xiàn)非接觸角位置測量，基于此原理設計拉線位移傳感器時，量程可以不受測量元件的限制。

圖1 位移原理示意圖

根據(jù)上述測量原理，傳感器的位移如式(1)所示：

(1)

式中：x為拉線拉伸或收縮的位移；l為單圈繞線長度；Δδ為拉線軸移補償；θ0為初始角度值；θ為旋轉(zhuǎn)之后的角度值。

由圖1可知，由于在繞線過程中拉線排列產(chǎn)生了軸向的移動[3]，所以式(1)中的單圈繞線長度與半徑R、繞線排列的寬度等參數(shù)均相關。單圈繞線長度計算公式如式(2)所示：

(2)

式中：R為滾輪半徑；d為拉線的直徑。

為消除拉線軸向排列引起的測量偏差，對單圈繞線長度進行校正補償，拉線軸移補償如式(3)所示：

(3)

式中：h為滾輪下沿值導向孔的距離；w為繞線排列寬度；Q為繞線匝數(shù)。

綜合式(1)～式(3)就可以確定位移與旋轉(zhuǎn)角度的關系。

2 傳感器機械結(jié)構(gòu)設計

傳感器的機械結(jié)構(gòu)主要由拉線、恒力彈簧、轉(zhuǎn)軸、輪轂、軸承、磁鐵和殼體構(gòu)成，如圖2所示。恒力彈簧裝于轉(zhuǎn)軸左端，拉線為直徑0.8 mm的軟性涂塑不銹鋼繩，其纏繞在輪轂上，依靠機構(gòu)和彈簧力確保拉線單層無疊壓纏繞，磁鐵固定于轉(zhuǎn)軸右端且與轉(zhuǎn)軸同軸心，磁鐵與磁敏芯片確保3 mm的軸向間隙[4]。

圖2 傳感器機械結(jié)構(gòu)圖

3 傳感器測量系統(tǒng)設計

MLX90316是一款運用三軸霍爾技術(shù)的傳感器芯片，作為角位置信息獲取芯片，具有單圈14 bit的角度分辨率，有一路SPI數(shù)字串行輸出。該芯片角度信號可以隨磁場強度、溫度等因素的變化進行自適應補償，在惡劣環(huán)境下仍有較高的精確度。

傳感器系統(tǒng)的主控芯片為STM32F103CBT6，該處理器為32位RISC內(nèi)核的增強型芯片，具備串行SPI接口和USART接口[5]，STM32F103CBT6通過SPI串行接口與MLX90316進行通信，采集角位置信號并處理，最后通過RS485接口進行數(shù)字量輸出。

拉線位移傳感器總體系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 傳感器總體系統(tǒng)框圖

3.1 角度信號采集電路設計

圖4 角度信號采集電路

主控芯片的SPI時序圖如圖5所示。

圖5 STM32的SPI時序圖

3.2 輸出信號接口電路設計

STM32F103具有3路USART串行接口，并可利用DMA進行操作，通過MAX485芯片實現(xiàn)RS485數(shù)字通信功能。RS485通信傳輸數(shù)據(jù)具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、通信速率高等優(yōu)點。RS485輸出接口電路如圖6所示，傳感器電路板實物如圖7所示。

圖6 RS485輸出接口電路設計圖

(a)

(b)

4 系統(tǒng)軟件設計

傳感器工作的主程序流程如圖8所示。傳感器系統(tǒng)在實現(xiàn)位移信息采集基本功能的同時，開發(fā)了一系列能夠拓展傳感器應用領域以及使用戶人性化操作的功能。使用時可根據(jù)需求自行參數(shù)設置、傳感器標定，并具有掉電位置記憶及符合標準Modbus協(xié)議的通訊等功能。軟件主程序主要有以下幾個模塊組成，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和參數(shù)設置模塊。軟件中斷子程序主要有芯片電壓檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。子程序?qū)崟r檢測并判斷芯片是否掉電，在掉電瞬間保存數(shù)據(jù)信息。

圖8 主程序流程圖

5 試驗測試與分析

拉線位移傳感器性能測試試驗如圖9所示。試驗過程為：將0.5 m量程的移傳感器外殼固定于數(shù)控機床的工作臺上，傳感器拉線的拉頭與機床主軸端部固連，機床工作臺帶動傳感器往復運動，實現(xiàn)位移傳感器拉線的拉伸或收縮。試驗系統(tǒng)安裝完成后，對機床和傳感器分別回零，然后操作機床運動，記錄機床和傳感器拉線的運動位移，試驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

圖9 拉線式位移傳感器測試現(xiàn)場圖

分析實驗數(shù)據(jù)可知，傳感器測量精度可達0.02 mm，根據(jù)線性度計算公式[8]：δ=(ΔYmax/Yout)×100%，通過計算可得傳感器的線性度達0.05%FS。

6 結(jié)論

基于STM32處理器和磁敏感角度測量芯片MLX90316，設計了一種符合標準工業(yè)協(xié)議的拉線式位移傳感器，完成了傳感器的機械結(jié)構(gòu)、硬件電路及應用軟件的開發(fā)與調(diào)試。傳感器性能測試試驗表明，拉線式位移傳感器測量精度能達到0.02 mm，線性精度達到0.05%FS，使用簡單，性能穩(wěn)定，可滿足多數(shù)工業(yè)領域?qū)ξ灰茰y量的要求。

表1 位移測量實驗數(shù)據(jù) mm

[1] 王興，戚景觀.一種新的拉線式位移傳感器的設計及其應用.機械工程與自動化,2012(8)：171-173．

[2] 張從鵬,徐兵,徐宏海.一種基于STM32的高精度多圈絕對角度傳感器.儀表技術(shù)與傳感器,2014(12)：13-14.

[3] 但斌斌,周鼎,王光清,等.鋼絲繩纏繞卷筒的計算原理及其應用. 湖北工學院學報,2003(4)：75-76.

[4] 劉昊，彭光正，郭海榮. 靈巧手中霍爾傳感器測角精度的仿真研究. 儀器儀表學報,2010(10)：2254-2259

[5] 劉波文. ARM Cortex-M3應用開發(fā)實例詳解.北京:電子工業(yè)出版社,2011：144-171.

[6] WILMSHURST T. PIC嵌入式系統(tǒng)開發(fā). 陳小文，閆志強，譯. 北京：人民郵電出版社,2008：259-260.

[7] 馬明建. 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù). 西安:西安交通大學出版社，2005：19-20.

[8] 馬軍山,王向朝,方祖捷,等.精密角度傳感器及其標定技術(shù)的研究. 光學學報,2001(2)：222-235.

Design of Cable-displacement Sensor Based on Magnetic Sensitive Technology

MAO Tan，ZHAO Kang-kang，DENG Shi-long，SU Yan-xin，ZHANG Cong-peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)

A cable-displacement sensor based on magnetic sensitive technology was presented. The measuring principle of the sensor was analyzed and the analytical relationship between the displacement and angle of the cable roller was proposed. The angle signal acquisition circuit and the output interface circuit based on Cortex ARM were developed. The design of mechanical structure was accomplished. The intelligent software which can set the relevant parameters,calibrated sensor and implemented the Modbus protocol was developed. The experiment demonstrates that the measurement accuracy of sensor is 0.02 mm,and the sensor has stable performance,which can meet the needs of displacement measurement of industrial applications.

MLX90316;STM32;Cable;Displacement Sensor;Modbus

2014-10-12

TP23

A

1002-1841(2015)02-0108-03

毛潭(1982—)，碩士，講師，研究方向為數(shù)字化制造技術(shù)與裝備。E-mail：t.mao@163.com 趙康康(1988—)，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。E-mail：junfeng_1025@126.com