摘要：基于磁致伸縮位移傳感器的位移測量原理.討論了位移測量的方法與實(shí)現(xiàn)。通過測量發(fā)射脈沖與回波脈沖的時(shí)間差計(jì) 算活動(dòng)磁鐵的位置�；�于FPGA器件設(shè)計(jì)了數(shù)字移相脈沖計(jì)數(shù)方式對(duì)時(shí)間進(jìn)行精確測量.該方法對(duì)于提高測量位移精度.降 低測量系統(tǒng)對(duì)高頻的要求.對(duì)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：磁致伸縮　數(shù)字移相 時(shí)間測量 FPGA

　　1　引 言

　　磁致伸縮位移傳感器是一種以磁致扭轉(zhuǎn)波為傳播 媒介的傳感器，這種傳感器安裝簡單、方便，能承受高 溫、高壓和高振蕩的環(huán)境。廣泛應(yīng)用于易爆、易燃易揮 發(fā)、有腐蝕的場合，但在國內(nèi)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的都比較少。 文中基于磁致伸縮位移傳感器的原理，闡述了一種可 以提高磁致伸縮位移傳感器精度的位移測量方法。

　　2　磁致伸縮位移傳感器的原理

　　磁致伸縮位移傳感器(M agnetostrictive Position Sensor)如圖1所示，主要由波導(dǎo)鋼絲1，位置磁鐵4, 波檢測器3和電子系統(tǒng)5組成。位置磁鐵通常裝在一 個(gè)運(yùn)動(dòng)部件A上，而傳感器主體則裝在一個(gè)固定的部件B上。傳感器工作時(shí)，電子信號(hào)和處理系統(tǒng)5以時(shí)間 間隔為T1發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲1的激勵(lì)脈沖電流L。該 脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲1的旋轉(zhuǎn)磁場。位 置磁鐵4也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場。在這兩個(gè)磁場的正 交作用下，波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，形成一個(gè)磁致 旋轉(zhuǎn)波2。該旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)鋼絲以2800m/S的速度 向兩邊傳播。當(dāng)它傳到波導(dǎo)鋼絲一端的波檢測器3時(shí) 被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)Ua。通過測量磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵 4傳到波檢測器3的時(shí)間TO就能確定位置磁鐵和波 檢測器之間的距離。這樣，當(dāng)部件A和B產(chǎn)生相對(duì)運(yùn) 動(dòng)，通過磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。

　　3　位移測量原理和常規(guī)方法分析

　　磁致伸縮位移傳感器的位移計(jì)算非常簡單，將所測量的時(shí)間差乘以磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波的傳播速度:位置 =時(shí)差x扭轉(zhuǎn)波傳播速度-零點(diǎn)位置(零點(diǎn)位置為零 區(qū)與死區(qū)之和)。由于磁致伸縮材料采用圓形截面絲， 根據(jù)Pochhammer的二維彈性理論，扭轉(zhuǎn)波在圓截面 桿中的傳播形式是關(guān)于圓柱中心軸對(duì)稱的，其扭轉(zhuǎn)波速ci= (G/P)1/2其中:G為磁致伸縮材料的切變模 量，P為磁致伸縮材料的密度值。

圖1 磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器的測量原理

　　那么位移L= C1 * T。- L。(其中:C1為應(yīng)變波的傳播速度T為時(shí)間間隔，L為零點(diǎn)位置，零點(diǎn)位置等于 零區(qū)與死區(qū)之和)�？芍�，位移測量誤差A(yù)L= Ac1 * T。+ AT* C1，其中對(duì)具體的波導(dǎo)管來說，在一定溫度范 圍內(nèi)，G和P都是恒定的，因此C1是恒定的，即Ac1=。， 那么位移測量的誤差主要由時(shí)間量檢測的誤差決定， AL= AT。* c1，因而時(shí)差的測量是計(jì)算位置精度的關(guān) 鍵。電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為精確測量提供了 大量高性能、小體積的器件和眾多算法。利用現(xiàn)代計(jì)算 機(jī)計(jì)數(shù)及電子技術(shù)，可對(duì)脈沖聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行精 確測量。通常采用數(shù)字電路容易達(dá)到低噪聲和高精度 的特點(diǎn)。電子電路由外置控制器提供觸發(fā)信號(hào)。傳感器電子接收電路利用觸發(fā)脈沖和回波脈沖調(diào)制產(chǎn)生一個(gè) 寬脈沖，調(diào)制后的脈沖寬度與磁鐵位置成正比。利用數(shù) 字計(jì)數(shù)方式來對(duì)寬脈沖進(jìn)行測量，計(jì)數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)就 是要保證在觸發(fā)脈沖開始時(shí)計(jì)數(shù)，而在接收到回波信 號(hào)后停止計(jì)數(shù)。通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就可以計(jì)算位移。

　　時(shí)間差測量原理如圖2所示。

　　圖中兩個(gè)窄脈沖信號(hào)分別為觸發(fā)脈沖和回波脈 沖。利用這兩個(gè)窄脈沖信號(hào)調(diào)制出來的脈沖寬度分別 為T2和T3。觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間T1已知。如果計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為f，周期為T。若對(duì)于T2段，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù) 值為m2,對(duì)于T3段的計(jì)數(shù)值為m3,那么T0= (m2+ m3) * T/2+ T1/2;由于采用數(shù)字計(jì)數(shù)方式測量，計(jì)數(shù) 誤差為± 1，時(shí)間誤差為±T，時(shí)間分辨力越高,位移測 量誤差越小，所以高分辨力的時(shí)間量檢測對(duì)傳感器實(shí) 現(xiàn)高精度測量很關(guān)鍵。如果要提高時(shí)間分辨力,提高計(jì) 數(shù)器的時(shí)鐘頻率是有效辦法，由AL= AT。* c1= c1/f圖2時(shí)間差測量原理圖 其中:f為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率。

　　對(duì)于本傳感器的材料，c1= 280Qm/s,如果系統(tǒng)要 求位移最大誤差為20jum，則： f= 2800* 106/20= 14CMHz 如果系統(tǒng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為5(MHz,則時(shí)間誤差為 ±2Qns,位移最大誤差為56_。由此可見，如果達(dá)到系 統(tǒng)高精度要求，這種簡單的計(jì)數(shù)方式需要很高的時(shí)鐘 頻率，而在這樣的高頻狀態(tài)下，系統(tǒng)抗電磁輻射干擾能 力又對(duì)系統(tǒng)的成本提出了更高的要求。如果不使設(shè)計(jì) 陷入兩難境地，應(yīng)該尋求新的測量方式。

　　4　數(shù)字相移脈寬時(shí)間測量方法

　　所謂移相是指對(duì)于兩路同頻信號(hào),以其中一路為 參考信號(hào),另一路相對(duì)于該參考信號(hào)做超前或滯后的 移動(dòng)形成相位差。數(shù)字移相通常采用延時(shí)方法,以延時(shí) 的長短來決定兩數(shù)字信號(hào)間的相位差,以四相移為例， 闡述數(shù)字相移脈寬的測量，如圖3所示。

　　圖3數(shù)字相移脈寬時(shí)間測量原理圖

　　時(shí)鐘信號(hào)CLK0依次進(jìn)行90°移相，得到CLK， CLK1和CLK2,這四路時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)四個(gè)相同的計(jì)數(shù)器對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)時(shí)鐘頻率為f，周期為T，四 個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值分別為m0,m,m1,m2,則最后的脈 寬測量值為:T0= (m0+ m+ m1+ m2) * T/4�？梢钥� 到，這種計(jì)數(shù)方式的時(shí)鐘頻率相當(dāng)于將原始計(jì)數(shù)時(shí)鐘 進(jìn)行4倍頻，以4f的頻率進(jìn)行測量，因而將測量精度 也提高到原來的四倍。將數(shù)字相移脈寬時(shí)間測量方法 用于測量圖2中的兩個(gè)已調(diào)制信號(hào)，則可以極大的提 高系統(tǒng)精度，改善系統(tǒng)性能。如果原來的系統(tǒng)時(shí)鐘為 50MHz，系統(tǒng)的等效時(shí)鐘為200MHz，如果不考慮各路 計(jì)數(shù)時(shí)鐘間的相對(duì)延遲時(shí)間誤差，其測量的最大誤差 降為原來的四分之一，僅為5μm。同時(shí)，這種方法保證了整個(gè)電路的最大工作頻率仍為f，避免了時(shí)鐘提高 帶來的一系列問題。

　　5　數(shù)字相移時(shí)間測量的實(shí)現(xiàn)

　　由于傳感器器件有效長度為150mm，則最長時(shí)差 為 Tmax= 15mm/2800m (s)= 53 57微秒系統(tǒng)采用 50MHz 時(shí)鐘，則最大計(jì)數(shù)值為Mmax≈2680,為了便于與數(shù)字處 理系統(tǒng)接口，采用八位計(jì)數(shù)器異步串連計(jì)數(shù)，則對(duì)于每 一路時(shí)鐘需要4個(gè)計(jì)數(shù)器。在系統(tǒng)讀取時(shí)，依次從高到 低讀取8位計(jì)數(shù)值。由于時(shí)鐘為5(MHz，產(chǎn)生90°的相 移需要的時(shí)間延時(shí)為5ns。

　　數(shù)字相移脈寬時(shí)間測量的基本點(diǎn)在于時(shí)鐘信號(hào)的 相位延遲,而相位延遲在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中是通過時(shí)間波形 的延遲來實(shí)現(xiàn)，因而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的和確定的電路延遲對(duì) 于該模型的完整性有重要作用。實(shí)現(xiàn)延時(shí)有多種方法， 如采用分立元件實(shí)現(xiàn)，但這種方法存在電路復(fù)雜可靠 性差等缺點(diǎn)。文中采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)高精度的延時(shí) 具有電路簡單、功能強(qiáng)、修改方便和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 RTEX-II系列FPGA器件有4~12個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理 器DCM,每個(gè)DCM都提供了應(yīng)用范圍廣、功能強(qiáng)大 的時(shí)鐘管理功能。如時(shí)鐘去時(shí)滯、頻率合成及移相等。 它利用延時(shí)鎖定環(huán)DLL，消除時(shí)鐘焊盤和內(nèi)部時(shí)鐘引 腳間的擺動(dòng)，同時(shí)它還提供多種時(shí)鐘控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí) 鐘周期內(nèi)任意位置的精確相位控制，非常適合時(shí)序微 調(diào)應(yīng)用，對(duì)設(shè)置和保持時(shí)序?qū)��?zhǔn)非常關(guān)鍵。DCM相移 具有可變相移和固定相移兩種模式。設(shè)計(jì)中，由于延時(shí) 量由用戶外部輸入提供,故采用可變相移模式。在可變 相移模式中，用戶可以動(dòng)態(tài)地反復(fù)將相位向前或向后 移動(dòng)輸入時(shí)鐘周期的1/256�？勺兿嘁颇Ｊ街�,相移控制針如表1所示。
當(dāng)PSEN信號(hào)有效,則相移值可以由與相移時(shí)鐘 PSCLK同步的PSNCDEC信號(hào)決定動(dòng)態(tài)地増加或減 少。設(shè)計(jì)中相移時(shí)鐘由輸入時(shí)鐘提供，PSDONE輸出 信號(hào)與相移時(shí)鐘同步，它輸出一個(gè)相移時(shí)鐘周期的高 電平表示相移已經(jīng)完成，同時(shí)表示一個(gè)新的相移可以 開始。輸入時(shí)鐘經(jīng)過DCM移相電路移相后，得到所需 延時(shí)之后的時(shí)鐘輸出。設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法, 采用硬件描述語言VHDL完成DCM移相、狀態(tài)機(jī)控 制及參數(shù)輸入三大功能模塊的設(shè)計(jì)輸入。DCM的相移 模式為可變相移模式。根據(jù)用戶輸入的所需延時(shí)量，在 -64~+ 64之間取一個(gè)整數(shù)相移值，通過時(shí)鐘選擇器 選擇用CLK0、CLK1實(shí)現(xiàn)0- 10ns的多種時(shí)延。文中 采用6個(gè)DCM，兩個(gè)一組,每一組DCM實(shí)現(xiàn)90°的相 移，將三組串連，四個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出就分別是原始時(shí)鐘、 相移90 °時(shí)鐘、相移180 °時(shí)鐘、相移270 °時(shí)鐘。實(shí)際上， 由于FPGA器件編程的方便性,可以充分利用這種特 點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更多倍數(shù)的倍頻，6倍頻、9倍頻甚至更大倍 數(shù)的倍頻等等，實(shí)現(xiàn)原理是一樣的，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際要 求來做。由于篇幅原因，對(duì)VHDL編程及其代碼不再贅述。

　　6　結(jié) 論

　　文中提出的方法實(shí)際上是對(duì)一路基準(zhǔn)時(shí)鐘利用相 移產(chǎn)生幾路等時(shí)差的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以該技術(shù)的關(guān) 鍵問題在于相移精確，而對(duì)于計(jì)數(shù)器的要求不是太高。 這樣利用FPGA完全可以滿足參數(shù)要求，而且具有體 積小、功耗低、性能穩(wěn)定、設(shè)計(jì)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。模擬的 移相器無法達(dá)到要求，只能利用數(shù)字移相器件來滿足 精度要求，但目前該器件價(jià)格非常高，一般難以接受。 如果能夠利用FPGA這樣的可編程器件做出高精度 的數(shù)字移相電路必將有極高的利用價(jià)值。（作者：李慶山潘日敏戴曙光楊永才）

　　轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（m.ysdinuanwang.com）