一種基于磁敏技術(shù)的位移傳感器的研究與設(shè)計(jì)

　　對(duì)物體位移進(jìn)行非接觸測(cè)量是目前位移測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,這是由于非接觸測(cè)量方法具有高速、不接觸被測(cè)物體等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出[1]。為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。非接觸式位移傳感器種類繁多,如時(shí)柵位移傳感器[2]、線位移差分傳感器[3]、容柵位移傳感器[4]、電感式位移傳感器[5]等,這些傳感器的精度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,對(duì)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度還附加了限制,如必須運(yùn)行平穩(wěn)、無突變和相對(duì)低速等。

　　本文從工程應(yīng)用的角度，設(shè)計(jì)了一種基于磁敏技術(shù)的位移傳感器，該傳感器在精度、抗震、耐用度等方面有了成功的改善。

　　1 磁敏傳感器工作原理

　　在基于磁敏技術(shù)的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集。

　　MLX90316是一種線性霍爾芯片，在霍爾效應(yīng)傳感器上增加集成磁場(chǎng)集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6]。能夠在單點(diǎn)感應(yīng)到磁通量的所有3個(gè)分量，因此，可以得到360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對(duì)位置信號(hào)，并且成本低廉，安裝簡(jiǎn)便。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應(yīng)垂直于IC表面的磁通量。

　　MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過放大處理后，經(jīng)過14 bit微分型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過16 bit DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出。MLX90316輸出具有12 bit角度分辨率，10 bit角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12 bit D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100 Hz~1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI)。

　　在本設(shè)計(jì)中，選擇SPI接口輸出。

　　2 硬件接口電路設(shè)計(jì)

　　基于磁敏技術(shù)的位移傳感器主要由3個(gè)部分組成，前端角度信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)通訊單元，具體的功能框圖如圖1所示。

　　磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。

　　微處理器單元通過SPI接口與MXL90316進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的角度，所以通過建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。傳感器的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II上運(yùn)行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性。LPC2136是Phlips公司生產(chǎn)的32 bit ARM7TDMI-S微處理器[7],嵌入256 KB高速Flash存儲(chǔ)器。采用3級(jí)流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運(yùn)行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制。

　　數(shù)據(jù)通信單元設(shè)計(jì)了1路RS485通信接口，負(fù)責(zé)接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令、向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果。