高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路制造技术

本发明专利技术公开了一种高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，包括依次连接的扭转波回波检测电路、MCU、波导丝电流激励电路、与MCU相互通信的精密时间检测电路、工业变送信号4—20mA输出电路及RS232接口电路、为各模块供电的电源电路，扭转波回波检测电路与波导丝电流激励电路的输出端均与精密时间检测电路相连，其中，MCU为ARM Cortex—M0系列单片机，精密时间检测电路采用高精度计时芯片TDC—GP2。本发明专利技术采用以ARM Cortex—M0系列单片机及高集成度高精度计时芯片TDC—GP2为核心的磁致伸缩位移传感器时间检测方案，在成本不高的前提下大大提高时间检测的分辨率，进而提高了位移检测的分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁致伸缩位移传感器领域，特别是涉及一种高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路。
技术介绍
磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩效应研制的传感器,主要由电流脉冲激励电路，波导丝、弹性扭转波信号接收电路和计时电路等部分组成。电流脉冲激励电路向波导丝施加一个电流窄脉冲，该电流脉冲沿磁致伸缩波导丝向其另一端传播。此电流脉冲将产生一个环绕波导丝的环向磁场，同时在波导丝的外部环形永久磁铁(一般与待测物体固连)产生一个沿波导丝轴向的稳恒磁场，当环向磁场遇到轴向稳恒磁场时，产生叠加并形成一个螺旋形的合成磁场，根据磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，在合成磁场的作用下，将使磁致伸缩波导丝产生瞬时局部扭转变形，从而形成弹性扭转波，该超声波以恒定的速度(一般为2000—3000m/s)向两边传输，同时，在信号检测线圈端，可以检测出弹性扭转波回波信号，通过测量电流脉冲激励信号和扭转波回波信号的时间差，可以测量出永久性磁铁的距离，从而实现位移的检测。磁致伸缩位移传感器可以实现非接触、绝对式测量，具有高精度、量程范围广等特点，特别是由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器可应用在恶劣的工业环境，如易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。此外，传感器能承受高温高压和高振荡的环境，输出信号为绝对数值，所以即使电源中断重接也不会对测量数据构成问题，更无需重新调整零位。由于传感器组件都是非接触的，所以即使测量过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。由于磁致伸缩传感器具有以上诸多优点，目前已广泛应用于冶金、化工、石油、制药、食品、舰船、飞机等各种领域。近年来，国外磁致伸缩位移传感器性能有很大的提高,一些国外的此类传感器的位移分辨率可达1um，非线性度小于满量程的±0.01％。国内某些科研单位和企业对该类传感器的研制也进行了积极的探索,并取得了一定的进展，但性能相比于国外产品仍有一定的差距。提高磁致伸缩位移传感器性能的关键环节为驱动信号与回波信号的时间差的精确测量，如需提高位移检测分辨率，需要提高时间检测的分辨率。目前国内常用的时间差检测方法为通过利用MCU内部的时间/计数器，在MCU主频一定的情况下实现对驱动电流脉冲信号与扭转波回波信号的检测，由于受MCU主频的限制，一般的位移检测分辨率远达
不到1um。因此亟需提供一种新型的磁致伸缩位移传感器时间检测方案来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，能够显著提高时间检测的分辨率。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，包括依次连接的扭转波回波检测电路、MCU、波导丝电流激励电路、与MCU相互通信的精密时间检测电路、工业变送信号4—20mA输出电路及RS232接口电路、为各模块供电的电源电路，扭转波回波检测电路与波导丝电流激励电路的输出端均与精密时间检测电路相连，其中，MCU为ARM Cortex—M0系列单片机，精密时间检测电路采用高精度计时芯片TDC—GP2，电源电路提供的电源电压范围为12—30VDC。在本专利技术一个较佳实施例中，MCU采用32位的ARM Cortex—M0芯片NUC130，其内部资源丰富。在本专利技术一个较佳实施例中，电源电路包括PWM电源控制芯片TPS5430、LDO直流稳压芯片U5、U6，PWM电源控制芯片TPS5430的输入为12—30VDC，输出为6V的直流电源，LDO直流稳压芯片U5、U6的输入端与PWM电源控制芯片TPS5430的输出端并联，LDO直流稳压芯片U5输出为5V的直流电源，LDO直流稳压芯片U6输出为3.3V的直流电源。所述电源电路采用高效率的PWM电源控制芯片TPS5430将范围较大的外供直流电源首先变换为6V的直流电源，再分别由LDO直流稳压芯片U5、U6产生5V和3.3V的直流电源。进一步的，LDO直流稳压芯片U5的输出端与扭转回波检测电路相连，LDO直流稳压芯片U6的输出端与MCU、高精度计时芯片TDC—GP2相连。在本专利技术一个较佳实施例中，波导丝电流激励电路包括电阻R7、R11、R13、R16、R17、R20、R23、三极管Q1—Q3、MOS管Q4、波导丝，由R11、Q1、Q2、Q3、R13及R16组成MOS管驱动电路，其中Q2和Q3组成图腾柱电路，R7的一端与MCU相连、另一端与Q1的基极相连，Q1的集电极与R11的一端相连，R11的另一端与Q2的集电极相连，Q2、Q3的基极与Q1的集电极并联，Q2、Q3的发射极与R13并联，R13的另一端与R16的一端连接，R16的另一端与Q1的发射极、Q3的集电极相连接，Q4的栅极与R13、R16并联、源极与波导丝串联、漏极与相互串联的R17、R20、R23相连接，R23的另一端
连接6V的直流电源。波导丝电流激励电路由MCU控制产生激励电流脉冲，激励电流脉冲由图腾柱电路实现对功率MOS管的驱动，为波导丝提供1A左右的激励窄电流脉冲。在本专利技术一个较佳实施例中，扭转波回波检测电路包括差模信号电路、差动信号低通滤波电路、幅值放大电路，差模信号电路包括相互串联的回波检测线圈L1、L2、电阻R2、R3、R6、LM336集成电路U2，R2与L1并联，R3与L2并联，L1与L2串联处与U2连接，R6的一端与5V直流电源连接、另一端与U2连接；差动信号低通滤波电路包括R5、R8—R10、C5、C6、C8、C10、C11，R5、R9、C10组成T型网络，R8、R10、C6组成T型网络，C8的一端与R9、C10并联、另一端与R10、C11并联，C5、C6、C10、C11的另一端均接地；幅值放大电路包括高速轨到轨双运放U3、U4、电阻R12、R14、R15、R18、R19、R21、R22、R24—R26，U3包括U3A、U3B，U4包括U4A、U4B，U3A、U3B、U4A与R12、R14、R15、R18、R19、R21、R22组成三运放结构的仪表放大器，U4B与R24、R25组成电压比较器，U4B的输出端连接电阻R26。扭转波回波信号检测电路检测扭转波的回波，采取对回波检测线圈的差模信号放大方式，并将扭转波回波差模信号变换为TTL电平提供给时间检测电路。在本专利技术一个较佳实施例中，工业变送信号4—20mA输出电路及RS232接口电路还包括电平逻辑转换电路，工业变送信号4—20mA输出电路包括4—20mA专用电流变送信号输出芯片AD5420，电平逻辑转换电路包括电平逻辑转换芯片MAX3232，将TTL电平转换为RS232逻辑电平。为便于工业现场使用，配备了标准的工业变送信号4—20mA输出电路，RS232接口电路主要用于提供对磁致伸缩位移传感器的标定、参数设置等功能的调试接口。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用以ARM Cortex—M0系列单片机及高集成度高精度计时芯片TDC—GP2为核心的磁致伸缩位移传感器时间检测方案，实现对激励电流脉冲和扭转波回波信号之间的时间差精确测量，在成本不高的前提下大大提高时间检测的分辨率，进而提高了位移检测的分辨率。附图说明图1是本专利技术高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路的原理框图；图2是所述电源电路的电路图；图3是所述波导丝电流激励电路的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，包括依次连接的扭转波回波检测电路、MCU、波导丝电流激励电路，其特征在于，还包括与MCU相互通信的精密时间检测电路、工业变送信号4—20mA输出电路及RS232接口电路、为各模块供电的电源电路，扭转波回波检测电路与波导丝电流激励电路的输出端均与精密时间检测电路相连，其中，MCU为ARM Cortex—M0系列单片机，精密时间检测电路采用高精度计时芯片TDC—GP2，电源电路提供的电源电压范围为12—30VDC。

【技术特征摘要】
1.一种高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，包括依次连接的扭转波回波检测电路、MCU、波导丝电流激励电路，其特征在于，还包括与MCU相互通信的精密时间检测电路、工业变送信号4—20mA输出电路及RS232接口电路、为各模块供电的电源电路，扭转波回波检测电路与波导丝电流激励电路的输出端均与精密时间检测电路相连，其中，MCU为ARM Cortex—M0系列单片机，精密时间检测电路采用高精度计时芯片TDC—GP2，电源电路提供的电源电压范围为12—30VDC。2.根据权利要求1所述的高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，其特征在于，MCU采用32位的ARM Cortex—M0芯片NUC130。3.根据权利要求1所述的高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，其特征在于，电源电路包括PWM电源控制芯片TPS5430、LDO直流稳压芯片U5、U6，PWM电源控制芯片TPS5430的输入为12—30VDC，输出为6V的直流电源，LDO直流稳压芯片U5、U6的输入端与PWM电源控制芯片TPS5430的输出端并联，LDO直流稳压芯片U5输出为5V的直流电源，LDO直流稳压芯片U6输出为3.3V的直流电源。4.根据权利要求3所述的高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，其特征在于，LDO直流稳压芯片U5的输出端与扭转回波检测电路相连，LDO直流稳压芯片U6的输出端与MCU、高精度计时芯片TDC—GP2相连。5.根据权利要求1所述的高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路，其特征在于，波导丝电流激励电路包括电阻R7、R11、R13、R16、R17、R20、R23、三极管Q1—Q3、MOS管Q4、波导丝，R7的一端与MCU相连、另一端与Q1的基极相连，Q1的集电极与R11的一端相连，R11的另一端与Q2的集电极相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔爱民，罗少轩，汤庆国，李瑜庆，
申请(专利权)人：蚌埠学院，
类型：发明
国别省市：安徽;34