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基于磁敏傳感技術(shù)的位移測量編碼與識別分析

作者: 時間:2012-10-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

的常見方法有圖像法、雙頻激光法、光柵或磁柵法、磁阻或磁場測量法等。其中磁敏的磁性標(biāo)尺型測最方法具有如下優(yōu)點:不存在因相對運動出現(xiàn)的部件磨損問題;信息靈敏度高,動態(tài)響應(yīng)好;易于實現(xiàn)器集成化、智能化;功耗低,安全可靠等。但目前的測量方法存在以下缺陷:

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/176128.htm

記數(shù)方式的相對暈測量,在失電后會丟失對正確位置的記憶:幀重疊方式的絕對景測量,容錯能力差,表征長度受限。針對這些缺陷,本文提出了一種帶有標(biāo)志位的絕對式方法,使得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)識碼,不僅避免了相對式測量的“失憶”問題,而且突破了絕對式測量的表征范圍瓶頸,增強了容錯能力。

1 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碼是一種絕對編碼方式的無權(quán)碼,它所具有的循環(huán)、單步特性能消除隨機取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能,其任意兩個柏鄰整數(shù)之間轉(zhuǎn)換時,只有一個位數(shù)發(fā)生變化,大大減少了由一個狀態(tài)轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài)時的邏輯混淆,具有較強的容錯能力。以6位編碼為例,其部分十進(jìn)制數(shù)與Gray碼的一一對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

十進(jìn)制數(shù)與Gray碼的一一對應(yīng)關(guān)系

2 磁路結(jié)構(gòu)與

采用圖1所示的測量結(jié)構(gòu),其中被測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中,表面變化的曲率越大,引起的周圍磁場,變化也越大。為了使磁場的影響最大,選用凹槽作為測罩標(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。

激勵磁場采用長方體永久磁體,其磁極贏接對著磁性標(biāo)尺,使測量出的有效磁場變化范圍大。

磁場通過磁性標(biāo)尺形成通路,磁敏元件測出磁性標(biāo)八表面變化引起的磁場變化。通過磁路和標(biāo)罩磁位等高線計算發(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)磁敏原理,“凹槽”和“凸槽“會導(dǎo)致不同的磁場強度,從而使磁敏元件相應(yīng)地輸出不同的電半信號“0”或“1”,形成數(shù)值碼,用于確定的粗讀值;而標(biāo)志位R碼寬兩倍于碼元“1”寬度的特點,使得后的序列出現(xiàn)具有固定特征的標(biāo)識碼,它用于精讀數(shù)。

3 應(yīng)用實例

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和徑向位移的影響,精確測出其位置。

磁路結(jié)構(gòu)

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)長度L=30mm。

可知,要識別一個完粘的碼區(qū)必須設(shè)置9個霍爾元件,但為了能隨時識別出一個完整碼區(qū),必須設(shè)置16個霍爾元件。以圖2所示時刻位置來說明其丁作過程,其中箭頭表示霍爾元件,數(shù)字為其編號。

磁性標(biāo)尺識別示意圖

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

一個碼區(qū)行程內(nèi)霍爾電路輸出的二進(jìn)制序列

一個碼區(qū)行程內(nèi)霍爾電路輸出的二進(jìn)制序列

根據(jù)霍爾電路識別出的前置數(shù)值碼,在編碼庫找到對應(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)識碼l 0 0 0 0 0 0 0 1確定,磁性標(biāo)尺每左移4mm,標(biāo)識碼則右移一位。若低位不是標(biāo)識碼,則在上一個標(biāo)識碼代表的行程上加2mm。假設(shè)標(biāo)識碼右移了a位,則精讀數(shù)為4xa+b,其中b當(dāng)尾位為標(biāo)識碼時取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:第一,便于找到即時位置的絕對行程值;第二,起校準(zhǔn)作用,及時糾正行程計算錯誤。

4 結(jié)語

編碼廣泛應(yīng)用于交通運輸業(yè)、商業(yè)、測量丁程、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。本文提出的絕對量編碼和磁敏傳感技術(shù)的位移測量方法,以磁場方向變化為檢測信號,其電磁轉(zhuǎn)換特性使得整段磁性標(biāo)尺可看作一個二進(jìn)制序列,從而通過編碼技術(shù)狹得被測量。所用方法克服了機械式位移測量系統(tǒng)體積大、精度低的缺點,具有行程長、測量精度與行程長度無關(guān)、可靠性高等優(yōu)點,有較廣泛的應(yīng)用價值。

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