Aplicación del sensor de desplazamiento magnetoestrictivo basado en una computadora de chip único
Introducción
El sensor de desplazamiento magnetostrictivo es un sensor de desplazamiento de medición de posición absoluta de carrera larga y alta precisión fabricado de acuerdo con el principio de magnetostricción. Utiliza un método de medición sin contacto. Debido a que el anillo magnético de medición y el sensor en sí no están en contacto directo, no se frotarán ni desgastarán, por lo que tienen una larga vida útil, gran adaptabilidad ambiental, alta confiabilidad, buena seguridad y conveniencia. El sistema funciona automáticamente, incluso en entornos industriales hostiles (como lugares propensos a úlceras de aceite, polvo u otra contaminación), puede funcionar normalmente. Además, puede soportar altas temperaturas, alta presión y fuertes vibraciones. Se ha utilizado ampliamente en la medición y el control del desplazamiento mecánico, pero este método de medición tiene algunas deficiencias: signal La señal analógica tiene una capacidad antiinterferencia limitada y no se puede transmitir a largas distancias ; ② Debido al ruido introducido por la conversión del circuito, la precisión de la medición no es alta; ③ La capacidad de intercambio de la señal es deficiente y también se requiere un costoso equipo de intercambio A / D. El microordenador de un solo chip y sus circuitos periféricos se utilizan para un mejor procesamiento, y se realiza una medición de alta precisión multipunto. La comunicación en serie RS-485 se utiliza para realizar la transmisión a larga distancia y el acceso a redes de monitoreo industrial. Además, debido al uso de un solo chip PIC de baja potencia y otros chips de baja potencia, optimice la estructura del circuito, de modo que el consumo de energía del sistema se reduzca considerablemente.
1 Introducción al sensor de desplazamiento magnetoestrictivo
1.1 Estructura del sensor
El sensor de desplazamiento magnetoestrictivo consta de dos partes: una parte es una varilla de medición con un imán móvil; la otra parte es un circuito de medición ubicado en el extremo superior de la varilla de medición. La estructura del sensor de desplazamiento magnetoestrictivo se muestra en la Figura 1. En la Figura 1, el sensor de desplazamiento magnetoestrictivo incluye principalmente las siguientes partes: cable de guía de onda, manga del tubo protector, imán móvil, parte de la placa de circuito. El tubo de medición es la parte de detección del núcleo de todo el sensor, que incluye: imán de polarización, cable de guía de onda, funda protectora de tubo, dispositivo de amortiguación de atenuación final, anillo magnético sin contacto y salida del convertidor.
1.2 El principio de funcionamiento del sensor.
El cable magnetoestrictivo se instala en el tubo de acero inoxidable, y el exterior del tubo de acero puede deslizarse libremente. El generador de pulso en el dispositivo electrónico genera un pulso de corriente (pulso inicial) y se propaga a lo largo de la línea de guía de onda. El campo magnético generado se superpone al vector de campo magnético inherente en el anillo magnético activo Se forma un campo magnético en espiral, que genera una fuerza de torsión instantánea, retuerce el cable de la guía de onda y genera un pulso de tensión (pulso de guía de onda). Este pulso se transmite a lo largo de la guía de onda a una velocidad fija, y se genera un pulso de inducción (pulso de terminación) a través de la bobina (convertidor). Medir la diferencia de tiempo entre el pulso inicial y el pulso final puede determinar con precisión el desplazamiento medido. Como se muestra en la Figura 2. Debido a que la velocidad del pulso de tensión en la guía de onda es constante, la diferencia de tiempo medida se multiplica por esta velocidad para obtener la posición del anillo magnético. Este proceso es continuo, y cada vez que se mueve el anillo magnético, se detecta la nueva posición.
1.3 Características de la señal y problemas
En la actualidad, si desea medir directamente el intervalo de tiempo entre los pulsos de inicio y fin del sensor para obtener una posición precisa, no es fácil de lograr. El método utilizado en esta etapa es convertir el intervalo de tiempo de las dos señales de pulso en una señal PWM proporcional a la posición del anillo magnético y luego emitirlo en forma de anillo de corriente. En el proceso de medición real, los pulsos de corriente y los pulsos de inducción en el sensor causarán cierta interferencia a la señal de salida; y el campo magnético inducido por el material magnético del sensor y la corriente en la guía de onda inevitablemente producen interferencia electromagnética. La señal de salida medida tiene un cierto grado de distorsión, como se muestra en la Figura 3, que es la forma de onda obtenida al convertir la señal de salida del bucle de corriente del sensor en una señal de voltaje. Además, si se utilizan varios sensores de desplazamiento magnetostrictivos para la medición de desplazamiento en el mismo sistema, los sensores también interferirán entre sí. La existencia de estas señales de interferencia debilita el rendimiento dinámico y estático del sistema de control. Para un sistema de control con alta precisión y frecuencia de respuesta rápida, su grado de influencia es obvio, lo que afectará la estabilidad del sistema y debe ser eliminado. Diseñe un sistema de procesamiento de señal de sensor basado en un microordenador de un solo chip y envíe la señal de salida estable procesada a la computadora a través de la comunicación remota en forma de señal digital para controlar, de modo que la señal de salida de este tipo de sensor de desplazamiento magnetoestrictivo sea estable, de alta precisión, La distancia de transmisión es larga, la interfaz con el sistema de control es simple, la intercambiabilidad es buena y la practicabilidad es fuerte, de modo que el sensor es más inteligente y el rendimiento general está enormemente optimizado y mejorado.
２ Aplicación en medición de desplazamiento
2.1 Estructura del sistema
Estructura de hardware del sistema de medición del desplazamiento del sensor de desplazamiento magnetostrictivo que se muestra en la Figura 4. Debido a que el sensor de desplazamiento magnetoestrictivo adopta la forma de salida de bucle de corriente de 4 ~ 20 mA conforme a los estándares de control industrial, es necesario convertir la señal de corriente de salida del sensor en una señal de voltaje, luego recogerla para la conversión A / D y luego emitirla al chip único para señal Procesamiento y procesamiento de comunicación, y finalmente la señal del sensor ideal se transmite a la pantalla LCD y la PC de forma binaria. El circuito del sensor está compuesto por un elemento sensible, un circuito de recepción, un circuito de conformación de señal, un circuito de entrada de corrección de parámetros, un circuito de procesamiento de computadora, un circuito de visualización, un circuito de salida de parámetros de medición, etc.
2.2 Circuito de microprocesamiento
SCM selecciona el microprocesador AT89C4051 de 8 bits basado en la tecnología CMOS de la compañía ATML, que es totalmente compatible con las instrucciones de la serie de productos MCS-51. El chip contiene 4KB de Flash EPROM. Su característica más destacada es el cuerpo del chip.
Pequeño volumen, solo 20 pines, especialmente adecuado para el diseño de sistemas miniaturizados. Además, AT89C4051 es barato y rentable.
2.3 Circuito de conformación de señal
Se utiliza un algoritmo de filtrado digital deslizante basado en la extracción de la característica de señal medida. Como se muestra en la Figura 3, es la forma de onda de la señal analógica emitida por el sensor cuando el anillo magnético está en reposo. Se puede ver que hay una señal de interferencia de frecuencia más alta superpuesta al valor estable medido, su valor máximo de pico a pico es de aproximadamente 25 mV y el período es de 440 μs. Si el valor de medición individual se muestrea directamente y se transmite al controlador, en una situación de medición de alta precisión, la probabilidad de obtener valores de medición anormales al azar es relativamente alta, y el error máximo es de 12 LSB. Por lo tanto, es mejor realizar múltiples mediciones consecutivas en una cierta cantidad de desplazamiento para obtener un conjunto de N valores medidos, y hacer que este conjunto de valores medidos contenga un período de interferencia, del cual se obtiene un valor medido que puede representar el valor correcto. La estructura del circuito de conformación de señal incluye el amplificador operacional de medición y el fotoacoplador; la función es dar forma a la señal de amplificación de medición y enviarla a la computadora. 89C4051 es la parte central del hardware del sistema para realizar el procesamiento digital, y su frecuencia principal funciona a 11.0592MHz, incluido un circuito de reinicio periférico. Se utiliza principalmente para completar varias funciones, como el control de la conversión A / D, el procesamiento de señales y el envío de datos al host y a la pantalla LCD en serie. Use el puerto P3 del microcontrolador como línea de control para la conversión y comunicación A / D. Al leer el valor de conversión A / D, el valor de conversión A / D de 12 bits se lee dos veces utilizando el puerto PI.
Las características de medición del anillo magnético utilizando los sensores del sistema de procesamiento digital son estáticas y dinámicas, respectivamente. (A) muestra que el sistema tiene buena precisión y estabilidad de medición, y el error es solo 1 LSB; (b) muestra que el sistema tiene buenas características de medición dinámica.
2.4 Circuito de corrección de entrada de parámetros
El circuito de corrección está compuesto por MAX25C045, teclado e interruptor selector. Su función es ajustar el rango cero y completo del sensor, y establecer la velocidad de transmisión de pulso de la guía de onda y almacenar los parámetros.
2.5 Circuito de pantalla
De acuerdo con la estructura y el principio de la pantalla LCD, el código correspondiente al número que se mostrará se convierte y se escribe, es decir, se escribe la tabla de códigos de selección de segmento correspondiente, y se llama a la tabla desde el programa principal de la pantalla, y la salida del sensor se puede mostrar en la pantalla LCD. Valor de cambio.
2.6 Circuito de salida del parámetro de medición
La salida de datos incluye un chip de conversión D / A de alta velocidad de 12 bits MAX5302 y una salida de amplificador operacional de 0 ~ 5 V, 0 ~ 10 V, 0 ~ 10 mA, 4 ~ 20 mA datos de medición; la salida de datos binarios incluye 485 chips de interfaz MAX1428 salida de datos de medición binaria, distancia de transmisión de datos Puede alcanzar más de 1000m.
3 Conclusión
Adopte un chip de microordenador de un solo chip y un circuito estándar de transmisión de datos en serie internacional EIA RS-422/485, y el módulo electrónico incorporado adopta soldadura de chapa de componentes electrónicos súper pequeños, lo que puede hacer que el nuevo sensor magnetostrictivo sea más estable y confiable. Además, puede comunicarse directamente con PLC, computadora, etc., ahorrando costosos transmisores y conversión A / D, de modo que el sistema de medición y control compuesto por el sensor magnetostrictivo es más conveniente y estable, y el costo se reduce considerablemente.
Mejorar el módulo elástico y la resistencia mecánica del cable de guía de onda al tiempo que garantiza su coeficiente de expansión estable es la clave para el desarrollo de componentes sensibles, y también es una parte muy importante del desarrollo de sensores de desplazamiento magnetoestrictivos. Tecnología de detección de tiempo de alta precisión y resistencia a entornos hostiles La tecnología de embalaje no puede ser ignorada. La investigación sobre sensores de desplazamiento magnetostrictivos tiene amplias perspectivas de mercado.