Ứng dụng của cảm biến dịch chuyển Magnetostrictive dựa trên máy tính chip đơn

Giới thiệu

Cảm biến dịch chuyển Magnetostrictive là một cảm biến dịch chuyển vị trí đo tuyệt đối độ chính xác cao, hành trình dài được sản xuất theo nguyên tắc từ tính. Nó sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc. Vì vòng từ di động được sử dụng để đo không có tiếp xúc trực tiếp với chính cảm biến, nó sẽ không bị cọ xát hoặc mòn. Do đó, nó có tuổi thọ cao, khả năng thích ứng môi trường mạnh, độ tin cậy cao, an toàn tốt và thuận tiện. Hệ thống này được tự động hóa và nó có thể hoạt động bình thường ngay cả trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt (như các trường hợp dễ bị nổ dầu, bụi hoặc ô nhiễm khác). Ngoài ra, nó có thể chịu được nhiệt độ cao, áp suất cao và rung động mạnh và đã được sử dụng rộng rãi trong đo lường và kiểm soát chuyển vị cơ học, nhưng phương pháp đo này có một số nhược điểm: ① Tín hiệu tương tự có khả năng chống nhiễu hạn chế và không thể truyền qua khoảng cách xa. Độ chính xác của phép đo không cao do nhiễu do chuyển đổi mạch;; Khả năng hoán đổi tín hiệu kém, và cần có thiết bị trao đổi A / D đắt tiền. Máy vi tính đơn chip và các mạch ngoại vi của nó được sử dụng để xử lý tốt hơn và thực hiện phép đo độ chính xác cao đa điểm, và giao tiếp nối tiếp RS-485 được sử dụng để thực hiện truyền và truy cập đường dài vào mạng giám sát công nghiệp. Ngoài ra, do sử dụng MCU công suất thấp và các chip năng lượng thấp khác, cấu trúc mạch được tối ưu hóa để giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng của hệ thống.

1 Giới thiệu về cảm biến dịch chuyển Magnetostrictive

1.1 Cấu trúc của cảm biến

Cảm biến dịch chuyển Magnetostrictive bao gồm hai phần: một phần là thanh đo được phủ một nam châm có thể di chuyển, phần còn lại là một mạch đo nằm ở đầu trên của thanh đo. Cấu trúc của cảm biến dịch chuyển từ tính được thể hiện trong Hình 1. Trong Hình 1, cảm biến dịch chuyển từ tính chủ yếu bao gồm các bộ phận sau: dây dẫn sóng, ống bảo vệ, nam châm chuyển động và bảng mạch. Ống đo là bộ phận cảm biến lõi của toàn bộ cảm biến, bao gồm: nam châm thiên vị, dây dẫn sóng, ống bọc bảo vệ, thiết bị giảm chấn cuối, vòng từ không tiếp xúc và đầu ra bộ chuyển đổi.

1.2 Nguyên lý làm việc của cảm biến

Dây từ tính được lắp đặt trong ống thép không gỉ. Bên ngoài ống thép có thể trượt tự do. Bộ tạo xung trong thiết bị điện tử tạo ra một xung hiện tại (xung ban đầu) và truyền dọc theo đường ống dẫn sóng. Tạo thành một từ trường xoắn ốc, tạo ra xoắn xoắn tức thời, xoắn dây dẫn sóng và tạo ra một xung căng (xung ống dẫn sóng), xung này được truyền trở lại dọc theo ống dẫn sóng ở tốc độ cố định và xung cảm ứng (xung kết thúc) được tạo ra ở cả hai đầu của cuộn dây (bộ biến đổi). Đo chênh lệch thời gian giữa xung bắt đầu và xung kết thúc có thể xác định chính xác độ dịch chuyển đo được. Như được hiển thị trong Hình 2. Do tốc độ của xung căng trên ống dẫn sóng là không đổi, chênh lệch thời gian đo được nhân với tốc độ này để có được vị trí của vòng từ. Quá trình này diễn ra liên tục và mỗi lần vòng từ di chuyển, một vị trí mới sẽ được cảm nhận.

1.3 Đặc điểm tín hiệu và các sự cố hiện có

Hiện tại, không dễ để đo trực tiếp khoảng thời gian giữa các xung bắt đầu và kết thúc của cảm biến để có được vị trí chính xác. Phương pháp được áp dụng ở giai đoạn này là chuyển đổi khoảng thời gian của hai tín hiệu xung thành tín hiệu PWM tỷ lệ với vị trí của vòng từ, sau đó xuất ra dưới dạng vòng lặp hiện tại. Trong quá trình đo thực tế, các xung hiện tại và xung cảm ứng trong cảm biến sẽ gây ra nhiễu nhất định cho tín hiệu đầu ra và nhiễu điện từ (Giao thoa điện từ EMI) chắc chắn sẽ xảy ra giữa từ trường do vật liệu từ của cảm biến và dòng điện trong ống dẫn sóng gây ra. Tín hiệu đầu ra đo được có độ méo nhất định, như trong Hình 3, đây là dạng sóng thu được bằng cách chuyển đổi tín hiệu đầu ra vòng lặp hiện tại của cảm biến thành tín hiệu điện áp. Ngoài ra, nếu một số cảm biến dịch chuyển từ tính cần phải được sử dụng trong cùng một hệ thống để đo chuyển vị, các cảm biến cũng sẽ giao thoa với nhau. Đối với các tín hiệu nhiễu này làm cho hiệu suất động và tĩnh của hệ thống điều khiển kém. Đối với hệ thống điều khiển có tần số phản hồi nhanh và chính xác cao, mức độ ảnh hưởng là rõ ràng, sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống và phải được loại bỏ. Thiết kế hệ thống xử lý tín hiệu cảm biến dựa trên một máy vi tính chip đơn. Tín hiệu đầu ra ổn định thu được sau khi xử lý được truyền trực tiếp đến máy tính thông qua giao tiếp từ xa dưới dạng tín hiệu số để điều khiển, để tín hiệu đầu ra của loại cảm biến dịch chuyển từ này ổn định, độ chính xác cao, Khoảng cách truyền dài, giao diện đơn giản với hệ thống điều khiển, khả năng thay thế tốt, khả năng thực hiện mạnh mẽ, giúp cảm biến trở nên thông minh hơn, và tối ưu hóa rất nhiều và cải thiện hiệu suất tổng thể.

2 Ứng dụng trong đo lường dịch chuyển

2.1 Cấu trúc hệ thống

Cấu trúc phần cứng của hệ thống đo lường dịch chuyển cảm biến chuyển động từ tính được thể hiện trong Hình 4. Do cảm biến dịch chuyển từ tính áp dụng dạng đầu ra vòng lặp 4-20mA đáp ứng tiêu chuẩn điều khiển công nghiệp, nên cần phải chuyển đổi tín hiệu dòng đầu ra của cảm biến thành tín hiệu điện áp, sau đó thu thập nó để chuyển đổi A / D, sau đó xuất ra tín hiệu vi mạch đơn. Xử lý và xử lý giao tiếp, và cuối cùng là tín hiệu cảm biến lý tưởng được truyền đến màn hình LCD và PC theo cách nhị phân. Mạch cảm biến bao gồm một đầu phần tử nhạy cảm, mạch nhận, mạch định hình tín hiệu, mạch đầu vào hiệu chỉnh tham số, mạch xử lý máy tính, mạch hiển thị và mạch đầu ra tham số đo.

2.2 Mạch xử lý vi mô

Máy vi tính đơn chip sử dụng AT89C4051, bộ vi xử lý 8 bit dựa trên công nghệ CMOS của ATMEL, hoàn toàn tương thích với các hướng dẫn của loạt sản phẩm MCS-51. Chip này chứa FlashEPROM 4kb. Đặc điểm nổi bật nhất của nó là thân chip.

Sản phẩm có kích thước nhỏ, chỉ có 20 chân, đặc biệt phù hợp với thiết kế các hệ thống thu nhỏ. Ngoài ra, AT89C4051 có giá rẻ và tiết kiệm chi phí.

2.3 Mạch định hình tín hiệu

Một thuật toán lọc kỹ thuật số trượt dựa trên việc trích xuất các đại lượng đặc trưng của tín hiệu đo được áp dụng. Như được hiển thị trong Hình 3, đó là đầu ra dạng sóng tín hiệu tương tự của cảm biến khi vòng từ ở trạng thái tĩnh. Có thể thấy rằng có một tín hiệu nhiễu tần số cao hơn được đặt chồng lên giá trị ổn định đo được, giá trị cực đại đến cực đại là khoảng 25mV và khoảng thời gian là 440μs. Nếu mẫu giá trị đo đơn được gửi trực tiếp đến bộ điều khiển, trong trường hợp đo chính xác cao, xác suất lấy ngẫu nhiên một giá trị đo bất thường là tương đối cao và sai số tối đa là 12 LSB. Do đó, tốt nhất là thực hiện nhiều phép đo liên tục trên một độ dịch chuyển nhất định để có được một tập hợp các giá trị đo N và làm cho tập hợp các giá trị đo này bao gồm một khoảng thời gian nhiễu, sau đó lấy giá trị đo có thể biểu thị giá trị chính xác. Cấu trúc của mạch định hình tín hiệu bao gồm bộ khuếch đại hoạt động đo và bộ ghép quang, chức năng là định hình tín hiệu khuếch đại đo và gửi đến máy tính. 89C4051 là phần cốt lõi của phần cứng hệ thống để đạt được xử lý kỹ thuật số. Tần số chính của nó là 11.0592MHz, bao gồm cả mạch thiết lập lại ngoại vi. Nó chủ yếu được sử dụng để hoàn thành các chức năng kiểm soát chuyển đổi A / D, xử lý tín hiệu và gửi dữ liệu đến máy chủ và LCD theo cách nối tiếp. Sử dụng cổng P3 của vi điều khiển làm đường điều khiển để chuyển đổi và giao tiếp A / D. Khi đọc giá trị chuyển đổi A / D, sử dụng trực tiếp cổng PI để đọc giá trị chuyển đổi A / D 12 bit hai lần.

Các đặc tính đo của vòng từ sử dụng cảm biến hệ thống xử lý kỹ thuật số ở trạng thái tĩnh và động tương ứng. (A) Cho thấy hệ thống có độ chính xác và độ ổn định đo tốt và sai số chỉ là 1 LSB; (b) Cho thấy hệ thống có các đặc tính đo động tốt.

2.4 Mạch hiệu chỉnh đầu vào

Mạch hiệu chỉnh bao gồm MAX25C045, bàn phím và công tắc lựa chọn. Chức năng của nó là điều chỉnh vị trí 0 và thang đo đầy đủ của cảm biến, đồng thời đặt tốc độ truyền của xung dòng ống dẫn sóng và lưu các tham số.

2.5 Mạch hiển thị

Chủ yếu dựa trên cấu trúc và nguyên tắc của màn hình LCD, mã tương ứng với số được hiển thị sẽ được chuyển đổi và ghi, nghĩa là bảng mã chọn phân đoạn tương ứng được viết và bảng được gọi từ chương trình hiển thị chính và đầu ra của cảm biến có thể được hiển thị trên màn hình LCD. Thay đổi giá trị.

2.6 Mạch đầu ra tham số đo

Dữ liệu đầu ra bao gồm chip chuyển đổi D / A tốc độ cao 12 bit MAX5302 và đầu ra bộ khuếch đại hoạt động 0 ～ 5V, 0 10V, 0 10mA, dữ liệu đo 4 ～ 20mA, đầu ra dữ liệu nhị phân bao gồm dữ liệu đo lường nhị phân đầu ra MAX1428, khoảng cách truyền dữ liệu Nó có thể đạt tới hơn 1000m.

  3. Kết luận

Việc sử dụng chip vi máy tính đơn chip và mạch tiêu chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp quốc tế EIA RS-422/485, mô-đun điện tử tích hợp thông qua hàn veneer linh kiện điện tử siêu nhỏ, có thể làm cho cảm biến từ tính mới ổn định và đáng tin cậy hơn, và khoảng cách truyền dữ liệu của cảm biến được mở rộng đáng kể. Hơn nữa, nó có thể giao tiếp trực tiếp với PLC, máy tính, v.v., giúp tiết kiệm các máy phát và chuyển đổi A / D đắt tiền, nhờ đó hệ thống đo lường và điều khiển gồm cảm biến từ tính thuận tiện và ổn định hơn, và chi phí giảm đáng kể.

Cải thiện mô đun đàn hồi và độ bền cơ học của dây dẫn sóng đồng thời đảm bảo hệ số giãn nở ổn định của nó là chìa khóa cho sự phát triển của các bộ phận nhạy cảm. Đây cũng là một phần rất quan trọng trong việc phát triển các cảm biến dịch chuyển từ tính. Công nghệ đóng gói không thể bỏ qua. Các nghiên cứu về cảm biến dịch chuyển từ tính có triển vọng thị trường rộng lớn.