引言 磁致伸缩位移传感器（MagnetostrictiveDisplacementSensor，MDS）由于测量精度高、稳定性好、测量无损耗等特点，在工业生产中得到了越来越多的应用。由于我国磁致伸缩研究起步较晚，技术水平较低，目前国内市场主要以国外产品为主，价格昂贵。本文通过对现有产品和技术方法的研究和分析，以STM32单片机为核心传感器处理器，以较大的磁致伸缩系数作为磁致伸缩位移传感器的波导线，开发了1m范围、mm分辨率、结构简单、生产成本低的磁致伸缩位移传感器。 1、磁性伸缩位移传感器原理 磁致伸缩位移传感器的开发是基于磁致伸缩材料在相交磁场的作用下具有磁致伸缩特性，利用磁致伸缩效应、逆效应和超声效应共同测量位移。在测量过程中，激励脉冲发射在由磁致伸缩材料制成的波导丝的一端。大电流窄脉冲信号沿波导丝以光速传播。在建立信号的同时，在波导丝周围建立环形磁场。根据威德曼效应（Wiede-mann），当环形磁场随脉冲信号传播到游标位置时，环形磁场与游标轴向磁场叠加形成螺旋磁场。螺旋磁场会导致磁膨胀材料瞬时扭曲变形，导致扭转波。扭转波以恒定速度传播到波导丝的两端。当扭转波传播到检测线圈的位置时，根据维拉里（Villari）效应：检测线圈中磁场的变化，产生感应电势。电信号的产生时间是扭转波的返回时间，乘以扭转波速获得待测物体的距离。磁致伸缩传感器检测原理示意图如下图所示。 磁致伸缩位移传感器检测原理 对于指定的波导丝，波导丝中扭转波的传播速度取决于材料的弹性模量和密度。在实际生产中，还应考虑材料应力和环境温度对扭转波速的影响[3]。如果确定了扭转波的传播时间，则可以计算出游标的位置。假设脉冲发出时间为t1。激励脉冲传播到游标的时间为t2。检测线圈检测到扭转波的时间为t3。待测距离l为： 2L=(t2-t1)×3×10^8 （t3-t2）×V 由于激励脉冲以光速在波导丝中传播，对于1m长的波导丝，与扭转波相比，激励脉冲的传播时间可以忽略不计，因此T2≈t1.因此，待测距离为： L=（t3-t1）×V 在实验室条件下，铁镓合金在20℃时扭转波速为2855m/s，对T3的精确测量直接决定了磁致伸缩位移传感器的精度。 2、磁致伸缩位移传感器机械结构 传感器的机械结构主要由探杆和传感器头部组成。选用表面光滑耐磨的碳纤维管作为探杆的主要材料，从外到内依次为电磁屏蔽层和塑料套管。塑料套管的内部直径为0.5mm、长度为1m、电阻为4ΩFe83Ga17铁镓合金波导丝作为传感器的磁敏元件波导丝。尾部配有拉力弹簧，头部配有可旋转的铜螺母，拉紧波导丝，尾部楔形吸波橡胶用于吸收多余的扭转波。电路和检测线圈主要安装在传感器头部。根据波导线参数，检测线圈最终确定为800匝，长度为20mm，线圈内径为0.8mm，绕线采用线径0.06mm的漆包线，绕线骨架内径0.8，耐高温无电磁感应mm，石英管的外径为1.1mm。将检测线圈固定在传感器头部，并将波导线放置在检测线圈的纵向中心。探杆配有可沿探杆自由滑动的游标，游标内有沿探杆周向的环形磁场。即将测量游标距离探杆头部零点的距离。 磁致伸缩位移传感器电路设计 如下图所示，传感器的硬件电路结构主要由四部分组成：电源电路、脉冲放大电路、滤波放大电路和微控电路。 磁致伸缩位移传感器硬件结构设计设计 3.1微控制器电路 STM32F103VET6是ST(意大利半导体)公司基于ARMCortexm核心开发的32位微控制器，具有高性能、低电压、低功耗、实时性、数字信号处理等特点。STM32有各种通信接口，如ADC、DAC、GPIO、SPI、USART、I2C、用户可以根据具体需要选择不同的外设，通过软件调用不同的外设来实现相应的功能，如TIM定时器、IWDG独立看门狗等。用户不必像使用传统的单片机那样建造自己的外设，从而简化了设计过程，提高了系统的可靠性。 传感器微控制电路以STM32F103VET6单片机为核心，主要由复位、晶体振动、RS232串口、JTAG下载模块组成，主要用于发射3.3V激励脉冲，采集扭转波电压信号。 脉冲放大电路3.2 对于选定的波导丝，激励脉冲需要满足一定的要求才能激发扭转波。根据波导丝的性能，激励脉冲频率为800Hz，脉冲宽度为20Hzμs，脉冲幅值为24V。 STM32F103VET6可以发出指定频率和空比的3.3V激励脉冲，需要放大激励脉冲才能使用。脉冲放大电路由两部分组成。 首先，使用光耦合隔离器HCPL2630将3.3V脉冲振幅提高到5V，然后使用5V脉冲控制MOS管FQP50N06。将脉冲振幅放大到24V，然后加载到波导线上，以刺激扭转波。如下图所示，5V激励脉冲转24V激励脉冲电路。 5V激励脉冲转24V激励脉冲 3.3滤波放大电路 STM32F103VET6配有ADC，可以采集0~3.3的电压范围V，而且扭转波信号极其微弱，最大只有50mV，而且噪音很大，所以需要对扭转波进行滤波放大。过滤电路选择SGMICRO公司推出的高精度输出操作放大器SGM8252（双），使用压控电压源输入二级过滤器[11]电路，过滤原始信号的高频噪声和低频噪声，留下频率为10~80kHz的扭转波信号。放大电路还采用运算放大器SGM8252(双)，采用两级放大，将信号放大64倍，将信号振幅放大到2~3.3V。如下图所示，原始扭转波滤波电路和原始扭转波放大电路。 原始扭转波滤波器和放大电路 3.4电源电路 该系统采用24V可调直流电源供电，L7805ABVG负责24V到5V，低压差线性稳压（LDO）LD1173.3负责5V转3.3V。HCPL2630.30.34V供应波导丝产生扭转波.3V提供主芯片和其它芯片。 4、磁致伸缩位移传感器软件设计 根据设计要求，通用定时器发送激励脉冲，高级定时器TIM1的第一通道记录激励脉冲发射时间并开始计时。逆波电压采集采用STM32F103VET6自带模/数转换器ADC2进行。当收集到的电压值高于设定阈值时，指定I/O口GPIOC6输出高电平，否则I/O输出低电平。GPIOC6的上升边缘和下降边缘分别采用高级定时器TIM1的第四通道和第三通道。当接收到的脉冲幅度和脉冲宽度大于设定阈值时，认为该脉冲为扭转波信号，即确定返回电压值为扭转波返回信号，读取TIM1第四通道的时间，乘以波速获得待测距离。STM32F103VET6的I/O输出速度最高可配置为50MHz。扭转波的传播速度为2855m/s，测量分辨率可达到(2855m/s）/50mHz=0.057mm，即10mm级分辨率，完全满足设计要求。本文用单片机I/O口GPIOC6发出的高低电平信号代替扭转波信号，避免了不影响测量精度的繁琐信号整形电路。 5测试与分析 5.1误差分析 用传感器测量正反方向90cm，以米尺为标准，将测量值与标准值进行比较，计算出绝对误差，测量结果如表1所列。从表1可以看出，绝对误差最大为0.36cm。 绝对误差计算完成后，计算相对误差，最大相对误差为-2.9%。 5.2非线性误差 从表1可以看出，非线性误差(又称线性度)=最大误差/量程，正向测量85.00cm时，绝对误差最大为0.36cm，因此非线性误差=0.36/90.00=0.4%。 以标准值为横坐标，实际测量值为纵坐标，建立直角坐标系，直线拟合测量数据。线性拟合直线关系的正向行程实测数据为： y=1.0045x-0.1478（1） R2=1（2） 线性拟合直线关系的反向行程实测数据为： y=1.0034x-0.143（3） R2=1（4） 从公式(2)和公式(4)可以看出，拟合正反行程直线相关系数的平方均为1。表明实际测量点聚集在一条直线附近，线性关系良好。 磁致伸缩位移传感器的正向和反向测量值与标准值的比较 5.3分辨力 本文采用米尺作为标准，手动收集数据，用肉眼观察，测试传感器的最大分辨率。测试方法见表2。选择1~10毫米的十个数据点进行多次测量，观察测量值与标准值之间的差异，从而判断传感器的分辨率。 表2传感器最大分辨率测试 从表2可以看出，当标准值大于4mm时，相对误差已低于3%，而小于4mm时，传感器测量值波动较大，因此确定该传感器的分辨率为4mm。 结语 以外设丰富的STM32为传感器核心，选用磁致伸缩系数大的铁镓合金制成波导线。根据波导线的特性，设计合理的脉冲放大电路，以获得扭转波信号。利用STM32自带ADC采集滤波放大后的电压信号，通过软件计算，实现了mm级非线性误差0.4%磁致伸缩位移传感器的开发。该传感器结构简单，为该传感器的商业生产提供了切实可行的设计方案。 审核编辑 黄宇