《電子技術(shù)應(yīng)用》
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磁敏傳感技術(shù)的位移測(cè)量編碼與識(shí)別研究
摘要: 位移測(cè)量的常見(jiàn)方法有圖像分析法,、雙頻激光測(cè)量法、光柵或磁柵測(cè)量法,、磁阻或磁場(chǎng)測(cè)量法等,。其中基于磁敏傳感技術(shù)的磁性標(biāo)尺型測(cè)最方法具有如下優(yōu)點(diǎn):不存在因相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的部件磨損問(wèn)題,;信息靈敏度高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,;易于實(shí)現(xiàn)傳感器集成化,、智能化;功耗低,,安全可靠等,。
Abstract:
Key words :

位移測(cè)量的常見(jiàn)方法有圖像分析法、雙頻激光測(cè)量法,、光柵或磁柵測(cè)量法,、磁阻或磁場(chǎng)測(cè)量法等。其中基于磁敏傳感技術(shù)的磁性標(biāo)尺型測(cè)最方法具有如下優(yōu)點(diǎn):不存在因相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的部件磨損問(wèn)題,;信息靈敏度高,,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好;易于實(shí)現(xiàn)傳感器集成化,、智能化,;功耗低,安全可靠等,。但目前的測(cè)量方法存在以下缺陷:

記數(shù)方式的相對(duì)暈測(cè)量,,在失電后會(huì)丟失對(duì)正確位置的記憶:幀重疊編碼方式的絕對(duì)景測(cè)量,容錯(cuò)能力差,,表征長(zhǎng)度受限,。針對(duì)這些技術(shù)缺陷,本文提出了一種帶有標(biāo)志位的絕對(duì)式編碼方法,,使得識(shí)別出的序列含有用于粗讀數(shù)的數(shù)值碼和用于精讀數(shù)的標(biāo)識(shí)碼,,不僅避免了相對(duì)式測(cè)量的“失憶”問(wèn)題,,而且突破了絕對(duì)式測(cè)量的表征范圍瓶頸,增強(qiáng)了容錯(cuò)能力,。

1 編碼規(guī)則

編碼采用格雷碼(Gray)為數(shù)值碼,,以某一固定碼寬為參考碼R,它用于標(biāo)尺定位和提高精度,。Gray碼是一種絕對(duì)編碼方式的無(wú)權(quán)碼,它所具有的循環(huán),、單步特性能消除隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能,,其任意兩個(gè)柏鄰整數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí),只有一個(gè)位數(shù)發(fā)生變化,,大大減少了由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)的邏輯混淆,,具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。以6位編碼為例,,其部分十進(jìn)制數(shù)與Gray碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示,。
十進(jìn)制數(shù)與Gray碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 磁路結(jié)構(gòu)與識(shí)別

采用圖1所示的測(cè)量結(jié)構(gòu),其中被測(cè)工作部件要求屬于鐵磁性材料,。文獻(xiàn)中指出在固定的磁場(chǎng)中,,表面變化的曲率越大,引起的周?chē)艌?chǎng),,變化也越大,。為了使磁場(chǎng)的影響最大,選用凹槽作為測(cè)罩標(biāo)志,,以單位寬度(bmm)的凹槽表示“0”或碼元間隔,,單能寬度的“凸槽”表示“1”,兩倍單位寬度的“凸槽”表示標(biāo)志位R,。在工作部件表面,,按上述的編碼規(guī)則加下出一系列凹槽,然后噴涂上非磁性材料,,形成磁性標(biāo)尺,。圖1所示的磁性標(biāo)尺表示Gray碼01 1010碼區(qū),黑色部分表示非磁性材料,。

激勵(lì)磁場(chǎng)采用長(zhǎng)方體永久磁體,,其磁極贏接對(duì)著磁性標(biāo)尺,使測(cè)量出的有效磁場(chǎng)變化范圍大,。

磁場(chǎng)通過(guò)磁性標(biāo)尺形成通路,,磁敏元件測(cè)出磁性標(biāo)八表面變化引起的磁場(chǎng)變化。通過(guò)磁路分析和標(biāo)罩磁位等高線計(jì)算發(fā)現(xiàn),,磁性標(biāo)尺的槽深h越人越好,,槽寬b應(yīng)小于3mm,。

根據(jù)磁敏傳感原理,“凹槽”和“凸槽“會(huì)導(dǎo)致不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度,,從而使磁敏元件相應(yīng)地輸出不同的電半信號(hào)“0”或“1”,,形成數(shù)值碼,用于確定位移的粗讀值,;而標(biāo)志位R碼寬兩倍于碼元“1”寬度的特點(diǎn),,使得識(shí)別后的序列出現(xiàn)具有固定特征的標(biāo)識(shí)碼,它用于精讀數(shù),。

3 應(yīng)用實(shí)例

若圖1中的“鐵磁性材料下作部件”表示液壓缸的活塞桿,;“非磁性材料”為特制黑色陶瓷,平整地覆蓋在活塞桿表面,;“磁敏元件”為霍爾元件,,它以兩個(gè)單位寬度為軸向間隔,繞活塞桿環(huán)狀布置在液壓缸前端,,軸線與活塞桿一·致,,以便盡可能減少活塞桿的角位移和徑向位移的影響,精確測(cè)出其位置,。
 磁路結(jié)構(gòu)

取h=3mm,;b=2mm,則相鄰霍爾元件軸向間距N---4mm,,6位編碼的每組碼區(qū)長(zhǎng)度L=30mm,。

可知,要識(shí)別一個(gè)完粘的碼區(qū)必須設(shè)置9個(gè)霍爾元件,,但為了能隨時(shí)識(shí)別出一個(gè)完整碼區(qū),,必須設(shè)置16個(gè)霍爾元件。以圖2所示時(shí)刻位置來(lái)說(shuō)明其丁作過(guò)程,,其中箭頭表示霍爾元件,,數(shù)字為其編號(hào)。
 磁性標(biāo)尺識(shí)別示意圖

霍爾電路的工作原理是,,在外磁場(chǎng)的作用下,,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過(guò)導(dǎo)通工作點(diǎn)時(shí),霍爾電路輸出管導(dǎo)通,,輸出低電-半:若曰值低于釋放點(diǎn)時(shí),,輸出管截止,輸出高電半,。因此在“凸槽”時(shí)鋼質(zhì)活塞桿被磁化,,磁感應(yīng)強(qiáng)度曰增加,霍爾電路導(dǎo)通,,輸出低電平,,用“1”表示,;在“凹槽”時(shí)輸出高電平,用“0”表示,。以第1個(gè)霍爾元件為測(cè)量基準(zhǔn),,從圖2所示時(shí)刻起,位移暈旃次變化b=2mm時(shí),,一個(gè)碼區(qū)行程內(nèi)霍爾電路輸出的二進(jìn)制序列如表2所示,。分析可知,序列的標(biāo)識(shí)碼為l 0000000 1,,其前面或后面6位序列數(shù)分別為相鄰的兩個(gè)數(shù)值碼,,這使它具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。標(biāo)識(shí)碼每隔一個(gè)霍爾元件間距N在低位部分右移一位,。值得注意的是,標(biāo)識(shí)碼前面的數(shù)值碼代表磁性標(biāo)尺當(dāng)前檢測(cè)位置下一個(gè)碼區(qū)的值,。

一個(gè)碼區(qū)行程內(nèi)霍爾電路輸出的二進(jìn)制序列
一個(gè)碼區(qū)行程內(nèi)霍爾電路輸出的二進(jìn)制序列
根據(jù)霍爾電路識(shí)別出的前置數(shù)值碼,,在編碼庫(kù)找到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù),假設(shè)為x,,則磁性標(biāo)尺行程的粗讀數(shù)為30×(j,,-1)mm:精讀數(shù)根據(jù)標(biāo)識(shí)碼l 0 0 0 0 0 0 0 1確定,磁性標(biāo)尺每左移4mm,,標(biāo)識(shí)碼則右移一位,。若低位不是標(biāo)識(shí)碼,則在上一個(gè)標(biāo)識(shí)碼代表的行程上加2mm,。假設(shè)標(biāo)識(shí)碼右移了a位,,則精讀數(shù)為4xa+b,其中b當(dāng)尾位為標(biāo)識(shí)碼時(shí)取0mm,,否則取2mm,。

綜上,液壓缸活塞桿的行程讀數(shù)為S=30(x—1)+4Xa+b此類(lèi)磁性標(biāo)尺編碼有兩人優(yōu)點(diǎn):第一,,便于找到即時(shí)位置的絕對(duì)行程值,;第二,起校準(zhǔn)作用,,及時(shí)糾正行程計(jì)算錯(cuò)誤,。

4 結(jié)語(yǔ)

編碼技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸業(yè)、商業(yè),、測(cè)量丁程,、制造業(yè)等領(lǐng)域,極大地提高了數(shù)據(jù)采集和信息處理的速度,,改善了人們的工作和生活環(huán)境,,提高了工作效率,。本文提出的基于絕對(duì)量編碼和磁敏傳感技術(shù)的位移測(cè)量方法,以磁場(chǎng)方向變化為檢測(cè)信號(hào),,其電磁轉(zhuǎn)換特性使得整段磁性標(biāo)尺可看作一個(gè)二進(jìn)制序列,,從而通過(guò)編碼技術(shù)狹得被測(cè)量。所用方法克服了機(jī)械式位移測(cè)量系統(tǒng)體積大,、精度低的缺點(diǎn),,具有行程長(zhǎng)、測(cè)量精度與行程長(zhǎng)度無(wú)關(guān),、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),,有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
 

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