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    磁致伸縮位移傳感器感應信號的分析調理

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-12-07 09:58

      

           磁致伸縮位移傳感器目前已廣泛應用于大尺寸、非接觸、高精度、環境惡劣的測量場合中,其工作機理主要基于維德曼效應和維拉利效應,由于傳感器與移動部件非接觸,所以防護等級高( IP67) 、使用壽命長,同時可以實現絕對位移測量,使其具有免維護、自標定、多點測量等功能.感應信號是磁致伸縮位移傳感器測量定位的根本,但由于扭轉波經過波導絲末端的阻尼結構無法徹底消除,會在波導絲中多次反射,相互疊加后進入感應線圈,此外電磁干擾等影響也會引入噪聲,都會導致感應信號的不穩定,具體表現為信號的邊沿抖動. 目前針對該傳感器的大多數研究主要集中在其機理分析、結構設計和電路實現方面,而對傳感器感應信號質量和穩定性的提升尚無深入探究. 本文將針對感應信號進行時域和頻域的分析并做相應的濾波,以提升信號的信噪比及對外界干擾的抗性; 同時,對感應信號的定位方式做相應改進,提出雙端沿的觸發方式,進一步削減信號幅值方向抖動所產生的隨機誤差.
    1 傳感器工作原理
           磁致伸縮位移傳感器基本工作原理為: 傳感器電路產生的激勵脈沖施加到波導絲近端,該瞬時電流沿波導絲傳播,會產生一個垂直于波導絲徑向的環形磁場,同時位置磁鐵組件會產生固有的偏置磁場,當兩磁場相遇時,會疊加成扭轉磁場. 根據 Wiedemann 效應,在扭轉磁場形成處會產生瞬時扭力,從而在波導絲上生成機械扭轉波,分別向波導絲兩端傳播. 向遠端傳播的扭轉波通過阻尼器,以衰減遠端的反射回波; 根據 Villari 效應,近端利用感應線圈產生感應電壓,來檢測扭轉波信號. 由于電流在波導絲上近似為光速,傳播時間可忽略,故通過測量激勵脈沖和感應信號的時間間隔,即可精確地計算出磁鐵的位置,實現磁鐵組件絕對位移的測量.
    2 傳感器信號的分析處理
           本文中傳感器感應信號的測量電路結構主要由激勵電流模塊( Ⅰ) 、感應信號整形模塊( Ⅱ) 、脈沖計數模塊( Ⅲ) 三部分組成,其中感應信號的整形是信號調理的核心部分,提高感應信號信噪比、選擇合適的整形定位觸發方式都會直接影響到測量的精度.
    2.1 信號的時域和頻域分析
           在時域上可以直觀的分析傳感器信號,本文使用 Tektronix 公司型號為 DPO 3054 的示波器,帶寬為 500 MHz,采樣率高達 2. 5 GS /s,對感應線圈經放大電路后的信號做相應采集,采樣頻率為100 MHz,采樣點數為 10 000 個,其時域波形各部分做局部放大時,會看到感應信號部分存在一定程度的邊沿抖動,是造成測量隨機誤差的主要原因.利用快速傅里葉變換( FFT) 對傳感器的信號做頻譜分析,該信號為混頻成分,頻率主要集中在 150 kHz 以下,在 50 kHz 左右時達到峰值,同時也參雜了一些高頻干擾,表現為信號時域波形上的毛刺,主要對感應信號部分的數字整形影響較大,會造成一定的抖動.
    2.2信號的濾波處理
           數字濾波器就是利用有限精度算法的線性時不變系統,實現對離散信號的濾波處理,以達到改善頻譜的目的,因此可以利用數字濾波仿真來分析傳感器信號,并利用相應的轉換關系設計模擬濾波器,以提高感應信號穩定性.設計離散時間無限長脈沖響應( IIR,InfinitImpulse Response) 濾波器的傳統方法是將連續時間濾波器變換成滿足預定指標的離散時間濾波器,而 IIR 數字濾波器與模擬濾波器有更直接的逼近轉變關系,故被選用于本文中的數字濾波仿真. 利用 MATLAB 的 FDA-Tool 設計數字低通濾波器對示波器的采樣數據做濾波處理,由于頻帶內不允許有波動,因此選用具有最大平坦效應的巴特沃斯型( 契比雪夫型會存在等波動的紋波差) ,采樣頻率與示波器的數據采樣保持一致,即為 100 MHz,通帶截止頻率設為 150 kHz,阻帶截止頻率設為 300 kHz,通帶允許的最大波動為± 0. 5 dB,阻帶的最小衰減為 - 40 dB,設計得到結構為 Direct-Form II,Second-Order Section,階數為 8 的數字低通濾波器. 傳感器信號經過濾波后,波形整體變得光滑,紋波被明顯抑制.
    2.3 感應信號的定位觸發方式
           如前所述,磁致伸縮位移傳感器通過獲取扭轉波從位置磁鐵處到感應線圈的耗時,乘上扭轉波在波導絲上的傳播速度,實現位移的測量. 由于體積限制,通常的測量電路結構較為簡單,都是通過電壓比較器對感應信號進行沿觸發的方式來實現的.
           這種單邊沿觸發的思路簡單,但存在一定缺點: 首先,當傳感器位置磁鐵與波導絲的間距變化時,感應信號的幅度變化會導致測量結果的變動,因此需要對位置磁鐵的相對位置做固定的要求; 其次,受反射回波的影響,感應信號本身會存在幅值上的微小波動,單點沿觸發不穩定,會受到相應影響.
           基于以上問題,本文設計了雙端沿觸發的信號定位方式: 保持原有參考電壓不變,增加一個感應信號的觸發點,通過兩個觸發點的位置中點,來確定扭轉波到達的時間. 優點在于: 穩定性好,可以相對較精確的捕獲感應信號的峰值位置,可以補償由于位置磁鐵高度變化引起的誤差,也能抵消感應信號的幅值抖動.
    3、試驗測試
           為驗證磁致伸縮位移傳感器感應信號的調理方法,參照上文所述的測量結構,分別設計感應信號濾波和定位觸發的相應電路進行測試,測試條件設定為: 波導絲長度為 50 cm,環境溫度為25℃,采用 24 V 直流穩壓電源供電.
    磁致伸縮位移傳感器
    3. 1 信號濾波測試
           將感應線圈輸出端接高速儀表放大器 INA111進行信號放大,其共模抑制比至少為 106 dB,能有效的消除共模干擾,然后再做濾波處理. 利用 TI公司的軟件 Filter-pro 來設計模擬有源低通濾波器,參照 2.2 節仿真所述,設定 Ωp = 150 kHz, Ωs = 300 kHz,通帶允許的最大波動為 ± 0. 5 dB,阻帶的最小衰減為 - 40 dB,電阻和電容的誤差容限均為 5%.
           濾波電路為 8 階 Butterworth 型,每級為 2 階壓控電壓源電路級聯而成,運放為同相輸入,輸入阻抗高,輸出阻抗低,類似于一個電壓源,優點是電路性能穩定,增益容易控制. 傳感器信號濾波前后的對比以及感應信號部分的局部放大對比分別如圖 8 和 9 所示,容易看出,模擬低通濾波能有效的平滑信號并提高信噪比,減少對信號整形計數的影響,與數字低通濾波仿真結果趨勢相近. 但是,波導絲末端產生的反射信號與感應信號都源于扭轉波,故頻域上會存在相近的成分,因此并不能完全消除,只能在一定程度上抑制并減小抖動.
    3. 2 定位觸發方式測試
           將濾波后的傳感器模擬信號經過電壓比較、延時、RS 觸發器等數字邏輯處理,得到的信號時序其中通道 2 為單邊沿觸發的時間脈寬,通道 4 為感應信號部分的時間脈寬. 采用雙端沿觸發的定位方式時,只需對這兩路脈寬分別做晶振脈沖的計數,如 2. 3 節所述,再取通道 4 計數值的一半加上通道 2 的計數值,即為激勵脈沖和感應信號的時間間隔.
           針對某固定位移的測量來比對單邊沿觸發和雙端沿觸發兩種定位方式的脈寬抖動,取 100 次測試數據做分析,以這 100 組計數的平均值作為測量真實值,可得計數脈寬抖動,其中前 20 次的脈寬抖動數據可以看出雙端沿觸發定位時的抖動隨機誤差總體上明顯小于單邊沿觸發,而且相對比較集中,更趨近測量均值,同比條件下,忽略掉一次明顯的粗大誤差,雙邊沿觸發的抖動范圍約為單邊沿觸發的 2 /3,對抖動引起誤差的抑制較明顯.另外經過測試,對于同一位移量,當位置磁鐵高度發生變化時,單邊觸發的感應信號脈寬會隨著高度增加而近似于線性增大,對測量的隨機性誤差影響很嚴重,而雙端沿觸發的感應信號脈寬在位置磁鐵高度很低時也會增大,原因在于距離較小時感應信號不嚴格軸對稱,但到 5 ~ 12 mm時趨于穩定,變化范圍與感應信號自身的抖動閾值相當,即此時感應信號的幅值變化基本不會影響到位移測量,而磁致伸縮位移傳感器的實際安裝時,位置磁鐵與波導絲組件通常也預留固定的距離以便滑動,因此高度在 5 ~ 12 mm 為宜( 過高會使信號衰減嚴重而低于比較電壓從而導致無法產生整形的感應信號脈寬) .
    4 結論
           本文針對磁致伸縮位移傳感器中扭轉波產生的反射信號對感應回波信號產生干擾,進而形成信號定位邊沿抖動的現象,提出了相應的傳感器信號調理方案,包括抗干擾的濾波處理和信號雙邊沿觸發的定位方式,并分別通過實驗驗證了該調理方案能提升信號的信噪比,同時削減信號幅值方向抖動所引起的定位誤差,對磁致伸縮位移傳感器的產品化研究開發具有一定的積極作用.


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