Penerapan Sensor Pelepasan Magnetostriktif Berbasis Komputer Single Chip

pengantar

Sensor perpindahan magnetostriktif adalah sensor perpindahan posisi absolut pengukuran presisi tinggi, long-stroke yang diproduksi sesuai dengan prinsip magnetostriksi. Ini mengadopsi metode pengukuran non-kontak.Karena cincin magnetik bergerak yang digunakan untuk pengukuran tidak memiliki kontak langsung dengan sensor itu sendiri, itu tidak akan digosok atau aus. Oleh karena itu, ia memiliki umur panjang, adaptasi lingkungan yang kuat, keandalan tinggi, keamanan yang baik, dan kenyamanan. Sistem ini terotomatisasi, dan dapat bekerja secara normal bahkan di lingkungan industri yang keras (seperti acara-acara yang rawan ledakan minyak, debu, atau polusi lainnya). Selain itu, dapat menahan suhu tinggi, tekanan tinggi dan getaran yang kuat, dan telah banyak digunakan dalam pengukuran dan kontrol perpindahan mekanis, tetapi metode pengukuran ini memiliki beberapa kekurangan: signal Sinyal analog memiliki kemampuan anti-interferensi terbatas dan tidak dapat ditransmisikan dalam jarak jauh. Accuracy Keakuratan pengukuran tidak tinggi karena kebisingan yang ditimbulkan oleh konversi rangkaian; ③ Pertukaran sinyal buruk, dan peralatan pertukaran A / D yang mahal diperlukan. Mikrokomputer chip tunggal dan sirkuit periferalnya digunakan untuk pemrosesan yang lebih baik, dan pengukuran presisi tinggi multi-titik direalisasikan, dan komunikasi serial RS-485 digunakan untuk mewujudkan transmisi jarak jauh dan akses ke jaringan pemantauan industri. Selain itu, karena penggunaan MCU daya rendah dan chip daya rendah lainnya, struktur sirkuit dioptimalkan untuk sangat mengurangi konsumsi daya sistem.

1 Pengantar Sensor Pemindahan Magnetostriktif

1.1 Struktur sensor

Sensor perpindahan magnetostriktif terdiri dari dua bagian: satu bagian adalah batang pengukur yang dilapisi dengan magnet yang dapat dipindah-pindahkan, bagian lainnya adalah rangkaian pengukur yang terletak di ujung atas batang pengukur. Struktur sensor perpindahan magnetostriktif ditunjukkan pada Gambar 1. Pada Gambar 1, sensor perpindahan magnetostriktif terutama mencakup bagian-bagian berikut: kawat pemandu gelombang, pelindung lengan, magnet bergerak, dan papan sirkuit. Tabung pengukur adalah bagian penginderaan inti dari keseluruhan sensor, yang meliputi: bias magnet, kawat pandu gelombang, pelindung tabung, perangkat redaman redaman akhir, cincin magnetik non-kontak, dan output konverter.

1.2 Prinsip kerja sensor

Kawat magnetostriktif dipasang dalam tabung stainless steel. Bagian luar tabung baja dapat meluncur bebas. Generator pulsa dalam perangkat elektronik menghasilkan pulsa saat ini (pulsa awal) dan merambat sepanjang garis pandu gelombang. Medan magnet yang dihasilkan ditumpangkan dengan vektor medan magnet yang melekat pada cincin magnetik yang dapat dipindah-pindahkan. Membentuk medan magnet spiral, menghasilkan torsi sesaat, memuntir kawat pandu gelombang dan menghasilkan pulsa tegangan (waveguide pulse), pulsa ini ditransmisikan kembali sepanjang Waveguide dengan kecepatan tetap, dan pulsa induksi (terminating pulse) dihasilkan di kedua ujung kumparan (konverter). Mengukur perbedaan waktu antara pulsa awal dan pulsa akhir dapat secara akurat menentukan perpindahan yang diukur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Karena kecepatan pulsa tegangan pada Waveguide adalah konstan, perbedaan waktu yang diukur dikalikan dengan kecepatan ini untuk mendapatkan posisi cincin magnetik. Proses ini kontinu, dan setiap kali cincin magnet bergerak, posisi baru akan dirasakan.

1.3 Karakteristik sinyal dan masalah yang ada

Saat ini, tidak mudah untuk secara langsung mengukur interval waktu antara pulsa mulai dan akhir sensor untuk mendapatkan posisi yang akurat. Metode yang diadopsi pada tahap ini adalah mengubah interval waktu dari dua sinyal pulsa menjadi sinyal PWM yang sebanding dengan posisi cincin magnetik, dan kemudian mengeluarkannya dalam bentuk loop arus. Dalam proses pengukuran aktual, pulsa saat ini dan pulsa induksi dalam sensor akan menghasilkan interferensi tertentu terhadap sinyal output, dan medan magnet yang diinduksi oleh bahan magnetik dari sensor itu sendiri dan arus dalam pemandu gelombang pasti akan menghasilkan interferensi elektromagnetik (EMIElectroMagnetic Interference), sehingga Sinyal keluaran yang diukur memiliki tingkat distorsi tertentu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, yang merupakan bentuk gelombang yang diperoleh dengan mengubah sinyal keluaran loop arus sensor menjadi sinyal tegangan. Selain itu, jika beberapa sensor perpindahan magnetostriktif perlu digunakan dalam sistem yang sama untuk pengukuran perpindahan, sensor juga akan saling mengganggu. Adanya sinyal interferensi ini membuat kinerja dinamis dan statis sistem kontrol menjadi buruk.Untuk sistem kontrol dengan presisi tinggi dan frekuensi respons cepat, tingkat pengaruhnya jelas, yang akan memengaruhi stabilitas sistem dan harus dihilangkan. Merancang sistem pemrosesan sinyal sensor berdasarkan mikrokomputer chip tunggal. Sinyal keluaran stabil yang diperoleh setelah pemrosesan langsung ditransmisikan ke komputer melalui komunikasi jarak jauh dalam bentuk sinyal digital untuk kontrol, sehingga sinyal keluaran dari jenis sensor pemindahan magnetostrik ini stabil, presisi tinggi, Jarak transmisi yang panjang, antarmuka yang sederhana dengan sistem kontrol, pertukaran yang baik, kepraktisan yang kuat, membuat sensor lebih cerdas, dan sangat dioptimalkan dan meningkatkan kinerja secara keseluruhan.

2 Aplikasi dalam pengukuran perpindahan

2.1 Struktur sistem

Struktur perangkat keras sistem pengukuran perpindahan sensor magnetostriktif ditunjukkan pada Gambar 4. Karena sensor perpindahan magnetostriktif mengadopsi bentuk keluaran loop arus 4-20mA yang sesuai dengan standar kontrol industri, maka perlu untuk mengubah sinyal arus keluaran sensor menjadi sinyal tegangan, dan kemudian mengumpulkannya untuk konversi A / D, dan kemudian output ke mikrokontroler untuk sinyal Pemrosesan dan pemrosesan komunikasi, dan akhirnya sinyal sensor yang ideal ditransmisikan ke layar LCD dan PC secara biner. Rangkaian sensor terdiri dari kepala elemen sensitif, sirkuit penerima, sirkuit pembentukan sinyal, sirkuit input koreksi parameter, sirkuit pemrosesan komputer, sirkuit display, dan sirkuit output parameter pengukuran.

2.2 Rangkaian pemrosesan mikro

Mikrokomputer chip tunggal menggunakan AT89C4051, mikroprosesor 8-bit berbasis teknologi CMOS dari ATMEL, yang sepenuhnya kompatibel dengan instruksi dari seri produk MCS-51. Chip ini berisi FlashEPROM 4kb. Fitur yang paling menonjol adalah badan chip.

Produk ini kecil, dengan hanya 20 pin, yang sangat cocok untuk desain sistem mini. Selain itu, AT89C4051 murah dan hemat biaya.

2.3 Rangkaian pembentukan sinyal

Algoritma penyaringan digital geser berdasarkan ekstraksi jumlah karakteristik dari sinyal yang diukur diadopsi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, ini adalah output bentuk sinyal analog oleh sensor ketika cincin magnetik dalam keadaan statis. Dapat dilihat bahwa ada sinyal interferensi frekuensi yang lebih tinggi ditumpangkan pada nilai stabil yang diukur, nilai puncak-ke-puncak maksimum adalah sekitar 25mV, dan periode adalah 440μs. Jika sampel nilai pengukuran tunggal dikirim langsung ke pengontrol, dalam kesempatan pengukuran presisi tinggi, probabilitas secara acak mendapatkan nilai pengukuran abnormal relatif tinggi, dan kesalahan maksimum adalah 12 LSB. Oleh karena itu, yang terbaik adalah melakukan beberapa pengukuran kontinu pada perpindahan tertentu untuk mendapatkan satu set nilai pengukuran N, dan membuat set nilai pengukuran ini mencakup periode interferensi, dan kemudian memperoleh nilai pengukuran yang dapat mewakili nilai yang benar. Struktur dari sirkuit pembentuk sinyal meliputi penguat operasional pengukur dan sebuah fotocoupler, fungsinya adalah untuk membentuk pengukur sinyal penguat dan mengirimkannya ke komputer. 89C4051 adalah bagian inti dari perangkat keras sistem untuk mencapai pemrosesan digital. Frekuensi utamanya adalah 11,0592 MHz, termasuk sirkuit reset periferal. Ini terutama digunakan untuk melengkapi fungsi mengendalikan konversi A / D, pemrosesan sinyal, dan mengirim data ke host dan LCD secara serial. Gunakan port P3 pada mikrokontroler sebagai jalur kontrol untuk konversi dan komunikasi A / D. Saat membaca nilai konversi A / D, langsung gunakan port PI untuk membaca dalam nilai konversi A / D 12-bit dua kali.

Karakteristik pengukuran cincin magnet menggunakan sensor sistem pemrosesan digital masing-masing dalam keadaan statis dan dinamis. (A) Menunjukkan bahwa sistem memiliki akurasi dan stabilitas pengukuran yang baik, dan kesalahan hanya 1 LSB; (b) Menunjukkan bahwa sistem memiliki karakteristik pengukuran dinamis yang baik.

2.4 Rangkaian koreksi input input

Sirkuit koreksi terdiri dari MAX25C045, keyboard, dan sakelar pilihan. Fungsinya untuk mengatur posisi nol dan skala penuh sensor, dan untuk mengatur kecepatan transmisi pulsa arus pandu gelombang dan menyimpan parameter.

2.5 Sirkuit tampilan

Terutama didasarkan pada struktur dan prinsip layar LCD, konversi kode yang sesuai dari angka yang akan ditampilkan ditulis, yaitu tabel kode pemilihan segmen yang sesuai ditulis, dan tabel dipanggil dari program tampilan utama, dan output dari sensor dapat ditampilkan pada LCD. Ubah nilai.

2,6 Pengukuran parameter output sirkuit

Output data termasuk chip konversi D / A 12bit berkecepatan tinggi MAX5302 dan output penguat operasional 0 ～ 5V, 0 ～ 10V, 0 ～ 10mA, 4 ～ 20mA data pengukuran; output data biner termasuk 485 antarmuka chip output data pengukuran biner, pengukuran data biner 485 output, pengukuran jarak data binary Itu bisa mencapai lebih dari 1000m.

3 Kesimpulan

Menggunakan chip mikrokomputer chip tunggal dan sirkuit standar transmisi data serial internasional EIA RS-422/485, modul elektronik built-in mengadopsi pengelasan permukaan komponen elektronik super kecil, yang dapat membuat sensor magnetostriktif baru lebih stabil dan dapat diandalkan, dan jarak transmisi data sensor sangat diperluas. Selain itu, dapat berkomunikasi langsung dengan PLC, komputer, dll., Yang menghemat pemancar mahal dan konversi A / D, sehingga sistem pengukuran dan kontrol yang terdiri dari sensor magnetostriktif lebih nyaman dan stabil, dan biaya sangat berkurang.

Meningkatkan modulus elastis dan kekuatan mekanik dari kawat pandu gelombang sambil memastikan koefisien ekspansi yang stabil adalah kunci untuk pengembangan komponen-komponen sensitif.Ini juga merupakan bagian yang sangat penting dari pengembangan sensor perpindahan magnetostriktif. Teknologi deteksi waktu presisi tinggi dan ketahanan terhadap lingkungan yang keras Teknologi pengemasan tidak bisa diabaikan. Penelitian sensor perpindahan magnetostriktif memiliki prospek pasar yang luas.