基于磁敏傳感技術(shù)的位移測(cè)量編碼與識(shí)別研究

位移測(cè)量的常見方法有圖像分析法、雙頻激光測(cè)量法、光柵或磁柵測(cè)量法、磁阻或磁場(chǎng)測(cè)量法等。其中基于磁敏傳感技術(shù)的磁性標(biāo)尺型測(cè)最方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：不存在因相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的部件磨損問(wèn)題；信息靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；易于實(shí)現(xiàn)傳感器集成化、智能化；功耗低，安全可靠等。但目前的測(cè)量方法存在以下缺陷：

　　記數(shù)方式的相對(duì)暈測(cè)量，在失電后會(huì)丟失對(duì)正確位置的記憶：幀重疊編碼方式的絕對(duì)景測(cè)量，容錯(cuò)能力差，表征長(zhǎng)度受限。針對(duì)這些技術(shù)缺陷，本文提出了一種帶有標(biāo)志位的絕對(duì)式編碼方法，使得識(shí)別出的序列含有用于粗讀數(shù)的數(shù)值碼和用于精讀數(shù)的標(biāo)識(shí)碼，不僅避免了相對(duì)式測(cè)量的“失憶”問(wèn)題，而且突破了絕對(duì)式測(cè)量的表征范圍瓶頸，增強(qiáng)了容錯(cuò)能力。

　　1 編碼規(guī)則

　　編碼采用格雷碼（Gray）為數(shù)值碼，以某一固定碼寬為參考碼R，它用于標(biāo)尺定位和提高精度。Gray碼是一種絕對(duì)編碼方式的無(wú)權(quán)碼，它所具有的循環(huán)、單步特性能消除隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能，其任意兩個(gè)柏鄰整數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)位數(shù)發(fā)生變化，大大減少了由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)的邏輯混淆，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。以6位編碼為例，其部分十進(jìn)制數(shù)與Gray碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

　　2 磁路結(jié)構(gòu)與識(shí)別

　　采用圖1所示的測(cè)量結(jié)構(gòu)，其中被測(cè)工作部件要求屬于鐵磁性材料。文獻(xiàn)中指出在固定的磁場(chǎng)中，表面變化的曲率越大，引起的周圍磁場(chǎng)，變化也越大。為了使磁場(chǎng)的影響最大，選用凹槽作為測(cè)罩標(biāo)志，以單位寬度（bmm）的凹槽表示“0”或碼元間隔，單能寬度的“凸槽”表示“1”，兩倍單位寬度的“凸槽”表示標(biāo)志位R。在工作部件表面，按上述的編碼規(guī)則加下出一系列凹槽，然后噴涂上非磁性材料，形成磁性標(biāo)尺。圖1所示的磁性標(biāo)尺表示Gray碼01 1010碼區(qū)，黑色部分表示非磁性材料。

　　激勵(lì)磁場(chǎng)采用長(zhǎng)方體永久磁體，其磁極贏接對(duì)著磁性標(biāo)尺，使測(cè)量出的有效磁場(chǎng)變化范圍大。

　　磁場(chǎng)通過(guò)磁性標(biāo)尺形成通路，磁敏元件測(cè)出磁性標(biāo)八表面變化引起的磁場(chǎng)變化。通過(guò)磁路分析和標(biāo)罩磁位等高線計(jì)算發(fā)現(xiàn)，磁性標(biāo)尺的槽深h越人越好，槽寬b應(yīng)小于3mm。

　　根據(jù)磁敏傳感原理，“凹槽”和“凸槽“會(huì)導(dǎo)致不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而使磁敏元件相應(yīng)地輸出不同的電半信號(hào)“0”或“1”，形成數(shù)值碼，用于確定位移的粗讀值；而標(biāo)志位R碼寬兩倍于碼元“1”寬度的特點(diǎn)，使得識(shí)別后的序列出現(xiàn)具有固定特征的標(biāo)識(shí)碼，它用于精讀數(shù)。

　　3 應(yīng)用實(shí)例

　　若圖1中的“鐵磁性材料下作部件”表示液壓缸的活塞桿；“非磁性材料”為特制黑色陶瓷，平整地覆蓋在活塞桿表面；“磁敏元件”為霍爾元件，它以兩個(gè)單位寬度為軸向間隔，繞活塞桿環(huán)狀布置在液壓缸前端，軸線與活塞桿一·致，以便盡可能減少活塞桿的角位移和徑向位移的影響，精確測(cè)出其位置。

　　取h=3mm；b=2mm，則相鄰霍爾元件軸向間距N---4mm，6位編碼的每組碼區(qū)長(zhǎng)度L=30mm。

　　可知，要識(shí)別一個(gè)完粘的碼區(qū)必須設(shè)置9個(gè)霍爾元件，但為了能隨時(shí)識(shí)別出一個(gè)完整碼區(qū)，必須設(shè)置16個(gè)霍爾元件。以圖2所示時(shí)刻位置來(lái)說(shuō)明其丁作過(guò)程，其中箭頭表示霍爾元件，數(shù)字為其編號(hào)。

　　霍爾電路的工作原理是，在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過(guò)導(dǎo)通工作點(diǎn)時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電-半：若曰值低于釋放點(diǎn)時(shí)，輸出管截止，輸出高電半。因此在“凸槽”時(shí)鋼質(zhì)活塞桿被磁化，磁感應(yīng)強(qiáng)度曰增加，霍爾電路導(dǎo)通，輸出低電平，用“1”表示；在“凹槽”時(shí)輸出高電平，用“0”表示。以第1個(gè)霍爾元件為測(cè)量基準(zhǔn)，從圖2所示時(shí)刻起，位移暈旃次變化b=2mm時(shí)，一個(gè)碼區(qū)行程內(nèi)霍爾電路輸出的二進(jìn)制序列如表2所示。分析可知，序列的標(biāo)識(shí)碼為l 0000000 1，其前面或后面6位序列數(shù)分別為相鄰的兩個(gè)數(shù)值碼，這使它具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。標(biāo)識(shí)碼每隔一個(gè)霍爾元件間距N在低位部分右移一位。值得注意的是，標(biāo)識(shí)碼前面的數(shù)值碼代表磁性標(biāo)尺當(dāng)前檢測(cè)位置下一個(gè)碼區(qū)的值。

　　根據(jù)霍爾電路識(shí)別出的前置數(shù)值碼，在編碼庫(kù)找到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，假設(shè)為x，則磁性標(biāo)尺行程的粗讀數(shù)為30×（j，-1）mm：精讀數(shù)根據(jù)標(biāo)識(shí)碼l 0 0 0 0 0 0 0 1確定，磁性標(biāo)尺每左移4mm，標(biāo)識(shí)碼則右移一位。若低位不是標(biāo)識(shí)碼，則在上一個(gè)標(biāo)識(shí)碼代表的行程上加2mm。假設(shè)標(biāo)識(shí)碼右移了a位，則精讀數(shù)為4xa+b，其中b當(dāng)尾位為標(biāo)識(shí)碼時(shí)取0mm，否則取2mm。

　　綜上，液壓缸活塞桿的行程讀數(shù)為S=30（x—1）+4Xa+b此類磁性標(biāo)尺編碼有兩人優(yōu)點(diǎn)：第一，便于找到即時(shí)位置的絕對(duì)行程值；第二，起校準(zhǔn)作用，及時(shí)糾正行程計(jì)算錯(cuò)誤。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　編碼技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸業(yè)、商業(yè)、測(cè)量丁程、制造業(yè)等領(lǐng)域，極大地提高了數(shù)據(jù)采集和信息處理的速度，改善了人們的工作和生活環(huán)境，提高了工作效率。本文提出的基于絕對(duì)量編碼和磁敏傳感技術(shù)的位移測(cè)量方法，以磁場(chǎng)方向變化為檢測(cè)信號(hào)，其電磁轉(zhuǎn)換特性使得整段磁性標(biāo)尺可看作一個(gè)二進(jìn)制序列，從而通過(guò)編碼技術(shù)狹得被測(cè)量。所用方法克服了機(jī)械式位移測(cè)量系統(tǒng)體積大、精度低的缺點(diǎn)，具有行程長(zhǎng)、測(cè)量精度與行程長(zhǎng)度無(wú)關(guān)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。