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目前，常用的位移傳感器有電阻式、電容式、電感式、光柵式、超聲波、雷達式等。本文設計的位移傳感器是基于磁致伸縮效應的磁致伸縮位移傳感器，可以實現(xiàn)非接觸、絕對式測量，具有測量精度高、量程大等特點，由于磁鐵和傳感器可以實現(xiàn)無接觸測量，因此傳感器可應用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕等惡劣的環(huán)境下，此外，傳感器能承受高溫高壓和高震蕩的環(huán)境。

1、傳感器的原理

磁致伸縮位移傳感器是在法拉第電磁感應定律、鐵磁體磁致伸縮效應、超聲波傳輸原理等基礎上，配合現(xiàn)代電子技術和半導體工藝研制的高精度位移測量裝置。當傳感器工作時，脈沖發(fā)生器將一個問詢脈沖加載到波導絲上，該脈沖會以電磁波速沿波導絲向前傳播，由電磁場理論可得，在問詢脈沖的影響下，波導絲周圍會產(chǎn)生一個垂直于波導絲的環(huán)向磁場。當環(huán)向磁場與活動磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場相遇時，就會相互疊加產(chǎn)生螺旋形磁場，由磁致伸縮效應可得，該螺旋形磁場使波導絲在活動磁鐵當前位置處產(chǎn)生瞬時扭轉(zhuǎn)形變，行程扭轉(zhuǎn)應變脈沖，應變脈沖是一種機械波，沿著波導絲向兩端傳播，當扭轉(zhuǎn)波傳播到波導絲末端時，被阻尼器吸收，方式波的反射煩擾信號檢測。當扭轉(zhuǎn)波傳播到波導絲頂端時，檢測線圈能感應到由扭轉(zhuǎn)波所引起的波導絲磁場強度的變化，于是在線圈兩端就有感應電壓輸出。根據(jù)脈沖發(fā)射與電壓信號輸出的時間差計算活動磁鐵的位置，從而得到待測物體的位移量。

2、傳感器結構設計

主要包括密封堵頭、擋圈、位置磁鐵、波導絲保護管、測量電路密封殼體、密封電纜接頭等，儀器內(nèi)部設有波導絲、波導絲屏蔽層、消回波裝置、波導絲直線度調(diào)節(jié)裝置、測量線圈、測量電路板等。

根據(jù)傳感器測量原理可知，應變脈沖式由問詢脈沖產(chǎn)生的磁場與位置磁鐵擦湖南省的磁場相互疊加致使波導絲發(fā)生變形而產(chǎn)生，然后通過檢測此脈沖，從而得到位置磁鐵的位置。目前市場上銷售的該類傳感器大多采用圓環(huán)或半圓環(huán)形狀的永久性磁體作為位置磁鐵，其磁場沿波導絲的方向，再加上磁鐵的厚度，相當于磁場有一定的長度。所以，當位置磁鐵沿波導絲從左向右移動與從右向左移動，位置磁鐵產(chǎn)生的磁場與問詢脈沖產(chǎn)生的磁場疊加產(chǎn)生應變脈沖的位置出現(xiàn)偏差，從而導致傳感器的回差增加。為了減小一起的回差，將位置磁鐵設計為沿圓周均勻分布的多個磁鋼，且磁鋼的磁場方向垂直于波導絲。

為了保證波導絲在其保護管中的直線度，提高傳感器的測量精度，該傳感器設置有波導絲拉緊裝置，安裝時通過調(diào)節(jié)該裝置，可以保證波導絲的直線度，提高一起的測量精度。機械波在波導絲中的傳播速度不僅與波導絲的密度、應力、材質(zhì)等物理量有關，而且與環(huán)境溫度也密切相關。為了減少溫度對傳感器測量精度及長期穩(wěn)定性的影響，一起設置有校準裝置，通過兩次額昂位置磁鐵與校準裝置之間的距離差來測定位置磁鐵的相對位移，可以提高儀器的性能。另外，為了減少回撥對測量的影響，在波導絲兩端均設置有消回波的材料。

3、測量電路設計

磁致伸縮位移傳感器測量電路硬件原理可以看出，測量電路主要由MCU模塊、TDC模塊等構成。MCU模塊用于協(xié)調(diào)各芯片工作，產(chǎn)響應的激勵信號，將測量結果通過竄口發(fā)送。問詢脈沖加載模塊包含了一個高階的電荷泵儲能電路以及一個放電控制場效應管。高階電荷泵用于在充電電容兩端產(chǎn)生高達36V以上的激勵電壓，放電控制場效應管收MCU控制，導通后的瞬間將充電電容上儲存的電量經(jīng)由波導絲泄放，以產(chǎn)生所需要的高幅值問詢電流脈沖。回波信號檢測模塊包含了一個電壓放大倍數(shù)約幾千倍的窄帶放大電路以及由高速比較器和施密特觸發(fā)器構成的比較整形電路?；夭}沖檢測模塊用于將同軸線圈接收到的回波信號提取出來，并整形成時間測量所需要的陡峭邊沿信號。TDC模塊主要包含了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片GP22以及其外圍電路。GP22擁有45ps的時間測量分辨率，可大幅度提高傳感器的位移監(jiān)測分辨率。

4、軟件設計

磁致伸縮位移傳感器測量電路上電后，MCU首先通過SPI總線完成對TDC芯片GP22的初始化設置。完成初始化后，MCU通過數(shù)字I/O向電荷泵電路輸出充電脈沖，在幾萬個充電周期后，充電電容兩端的電壓約可達到36V以上。完成充電過程后，MCU給出脈寬的放電脈沖信號，放電脈沖信號亦用作GP22時間測量的開始信號浸入START端。發(fā)哪個點控制場效應管在接受到放電脈沖信號后對地導通，將充電電容上存儲的電量加載到波導絲上，產(chǎn)生瞬間問詢電流脈沖。問詢電流脈沖在波導絲上產(chǎn)生環(huán)向磁場，沿波導絲以電磁波波速鑲嵌傳播，與位置磁鐵的軸向磁場相互作用，在波導絲中產(chǎn)生應變脈沖，應變脈沖以機械波速在波導絲中傳播，傳播至同軸線圈處時產(chǎn)生感應電壓。感應電壓通過儀表放大器進行放大，再由雙運放構成的帶通濾波器進行放大，放大后的回波信號峰值為1.5-3V。放大后的回波信號再經(jīng)過高速比較器與施密特觸發(fā)器以整形成陡峭的脈沖信號作為時間測量終止信號。施加測量終止信號進入時間測量芯片進行測量。為了消除問詢電流脈沖在線圈處產(chǎn)生的干擾，MCU設定延時后再接收回波脈沖信號。在獲取時間測量結果后，MCU將時間測量結果乘以標定系數(shù)作為位移結果，通過串行通信接口，經(jīng)由RS485芯片MAX3741向外發(fā)送。為了消除液面都懂對測值的影響，軟件中加入了濾波算法。

5、技術指標

測量范圍：0-1000mm； 示值誤差：≤±0.1%FS； 重復性：≤±0.02%FS； 回差：≤0.02%FS； 環(huán)境溫度：-25~+55℃

6、試驗

6.1 性能試驗

對自行設計的兩臺一起進行了性能測試，依次將儀器安裝在標定架上，位置磁鐵固定在移動平臺上，通過移動平臺使位置磁鐵隨之運動，每100mm一個擋位，每只儀器進行3個正返程測量，試驗數(shù)據(jù)分別對示值誤差、重復性誤差和回差進行了考核，由試驗數(shù)據(jù)可知，在測量范圍內(nèi)，儀器的示值誤差、重復性誤差、回差均在儀器設計要求范圍之內(nèi)。

6.2 穩(wěn)定性試驗

試驗條件，在大氣條件下，夜晚溫度較低為5℃左右，白天房間開有空調(diào)，溫度較高為25℃左右，溫度變化范圍為20℃左右。將儀器與位置磁鐵同時固定在一實驗平臺上，保證兩者之間不出現(xiàn)相對移動，通過RS485通信線與電腦連接，接通電源，1號儀器拷機時間為9天，2號儀器拷機時間為8天，測量頻率均為1h/次，通過對儀器進行長時間試驗測試，即使在溫度變化20℃左右的環(huán)境下，1號樣機變化了0.45mm，2號樣機變化了0.35mm，且兩臺樣機均成周期性變化，由此可得儀器穩(wěn)定性良好。

7、結 論

本文基于磁致伸縮原理設計實現(xiàn)了位移傳感器，該位移傳感器采用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片進行回波信號的時間測量，顯著提高了傳感器測量分辨率。此外，傳感器還通過特殊的結構設計，提高了測量性能。實驗結果表明，本文設計的磁致伸縮位移傳感器具有測量精度高、穩(wěn)定性好、回差小等優(yōu)點，可滿足水利水電行業(yè)位移測量需求。