一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器制造技术

一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，包括安装于深海勘测操作设备顶部的永磁铁氧体、以及固定在永磁铁氧体运动路径周围的隧道磁电阻芯片集成电路，所述永磁铁氧体的磁场方向与隧道磁电阻芯片的敏感轴方向保持平行；所述隧道磁电阻芯片集成电路包括集成电路板，所述集成电路板上集成有MCU和若干个等距排列在一条直线上的隧道磁电阻芯片，所述隧道磁电阻芯片的反馈引脚与MCU的IO口相连，所述集成电路板与供电的DC‑DC电源模块电性连接；所述隧道磁电阻芯片集成电路安装于一密闭舱内，所述密闭舱内灌有轻油，所述密封舱上设置有平衡舱内外压强的油囊，所述密封舱外设有磁屏蔽层。

【技术实现步骤摘要】
一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器
本专利技术属于测量海底作业设备位移
，具体涉及一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器。
技术介绍
我国深海勘探行业的不断发展，海底取样器、钻井器、CPT等器械不断演变升级，这些勘测地质装备，都离开不了位移数据的监测。而目前市面上陆地常用的位移传感器主要有拉线式位移传感器、磁栅位移传感器、光栅位移传感器、磁致伸缩位移传感器。拉线式位移传感器由于需要一根可拉动的线，无法作到全密闭工作环境，且如果万米海域作业，拉线长度的限制导致无法深海长距离工作。磁栅位移传感器量程比较小，容易受外界高压、强电等恶劣环境的干扰。光栅位移传感器受限于接触式测量，本身只适用于静态测量工程不适合高震动环境。磁致伸缩位移传感器在高频震动条件下磁场极易受到干扰，数据极易出现误差。由此可见能够在深海进行精确稳定测量的位移传感器寥寥无几。
技术实现思路
根据目前海底科考的要求，为了克服现有深海勘测位移传感器的工作稳定性和精准性的不足，以及缺乏高质量海底位移传感器产品等问题，本专利技术提出了一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，能够满足深海高压、强电、强磁干扰环境。本专利技术采用的技术方案是：一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，其特征在于：包括安装于深海勘测操作设备顶部的永磁铁氧体、以及固定在永磁铁氧体运动路径周围的隧道磁电阻芯片集成电路，所述永磁铁氧体的磁场方向与隧道磁电阻芯片的敏感轴方向保持平行；所述隧道磁电阻芯片集成电路包括集成电路板，所述集成电路板上集成有MCU和若干个等距排列在一条直线上的隧道磁电阻芯片，所述隧道磁电阻芯片的反馈引脚与MCU的IO口相连，所述集成电路板与供电的DC-DC电源模块电性连接；所述隧道磁电阻芯片集成电路安装于一密闭舱内，所述密闭舱内灌有轻油，所述密封舱上设置有平衡舱内外压强的油囊，所述密封舱外设有磁屏蔽层；所述密封舱外设有作为延长和组网的可扩展通信接口和用于数据传输的通信水密插件接口，所述可扩展通信接口、通信水密插件接口均与MCU电性连接。进一步，所述永磁铁氧体是中间空心圆柱型，空心的内径为d，永磁铁氧体的高度为L，外径为D，满足的关系，从而使得永磁铁氧体的平均磁感应强度近似可以看作是中心磁感应强度，永磁铁氧体的磁感应强度在圆心处是最大的，并且沿着轴线两端逐渐减小，与轴线两端成对称分布。进一步，所述永磁铁氧体的磁感应强度分布和距离的关系满足如下方程，B(x)＝Bo*L2*(2x+L)2，其中x为隧道磁电阻芯片到永磁铁氧体轴心距离，L为永磁铁氧体高度，Bo为永磁铁氧体圆心处的磁感应强度；在已知永磁铁氧体的磁感应强度和需要测量的最小误差时，能确定永磁铁氧体和永磁铁氧体芯片两者相对摆放位置。可知磁性传感器通过感知周围磁场的变化而获得相对应的反馈，磁场强度的分布决定了传感器的工作特性，当永磁铁氧体位于阵列上某两个隧道磁电阻芯片中点的时候，计算出该点的磁感应强度，该强度即为隧道磁电阻芯片感知的最小磁感应强度，当隧道磁电阻芯片感应到大于最小感知磁场值即可作出反馈。进一步，所述密封舱外设有固定用的固定块，固定块起到了固定传感器工作位置，且能够最大程度减少传感器震动。进一步，所述MCU设有两种数据处理方式，分别为数据锁存型和数据输入缓冲型。目的是为了更大程度的避免外界高震动等不确定因素的干扰。进一步，所述数据锁存型为所述隧道磁电阻芯片反馈引脚通过锁存器的引脚与MCU的IO口连接，当隧道磁电阻芯片感应到工作范围内的磁场后芯片内部会有反馈，锁存器通过脉冲进行捕捉，一旦捕捉成功就将该位置状态为置位1，表示该坐标点已经抵到。集成电路板中使用74HC573系列锁存器，其具有8路输入输出功能，输出端连接到MCU的Pin13、Pin14、Pin15、Pin18、Pin19、Pin20、Pin21、Pin22相连接，这些IO口复用成ADC功能进行监控，MCU通过访问锁存器状态位数据位获得数据坐标，从而进行计算。数据锁存型的方案优势在于，当海底勘测设备在进行高频率震动工作时，会出现瞬间性的运动伸缩，普通传感器会出现数据反复漂移等问题，而本专利技术中数据锁存器一旦获取TMR芯片的反馈，就会将内部对应的状态位置位，有效避免了外部勘测设备在短时间内设备震动所产生的数据异常，同时锁存器还适用于高速位移测量，锁存器对于数据的捕捉相当灵敏，针对较快速移动的工作设备同样具有很好的数据捕捉能力。进一步，所述数据输入缓冲型为所述MCU创建数据缓冲区，配合DMA接收隧道磁电阻芯片阵列发送的数据。当数据出现刷新，内核立马进入DMA中断进行数据获取处理后，计算得出结果。输入缓冲型具有极高的数据刷新能力，可以高速率的查询缓冲区数据，其处理速度达到微妙级别，远远超过正常普通电机设备的震动频率，从而能够适应高震动环境中正常工作。进一步，所述MCU的数据处理采用异常数据动态补偿修正方式，具体如下：(1)通过定时器中断进入内存，从其中保留的一定量数据和系统时间计算出近阶段的速度；(2)将近阶段的速度作为参考值与后期数据进行比较；(3)当单位时间不变，认为相对速度出现±50％以上的误差时位移数据已经产生较大误差，动态补偿修正技术主要是使用到了算术平均滤波算法，算术平均滤波法是按照输入的多个采样数据xi，寻找一个相对稳定速度y最优，使得y最优与各个采样数据之间的偏差的平方和最小，即内存中保存着近阶段的数据作为采样数据，可以计算出近阶段y最优,通过和异常数据y异常进行权重计算，获得修正数据。算术平均滤波算法使用在具有随机干扰数据的地方，通过算术平均滤波算法使得位移输出数据更加准确。进一步，多个所述全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器之间通过485或CAN通信接口进行阵列电路拼接，不同阵列的数据以地址码和数据位以及数据校验的组合构成，同时加入了CRC数据校验。进一步，所述MCU采用意法半导体的STM32，采用芯片内置的RC时钟电路作为芯片的时钟。运用于海底高压、高频震动环境下，晶振电路无法正常工作太久时间，所以本专利技术未使用芯片的外部时钟电路，选择了芯片内置的RC时钟电路作为芯片的时钟。经考察到达海底10000m处时，所受到的压力约为正常大气压的1000倍，而本次芯片选用意法半导体的STM32，采用的是130nm工艺制作，单晶硅所能承受的临界载荷为80MN，经过换算能满足800亿倍的正常大气压力，所以不会对晶圆产生机械损坏，因此RC电路将能够深海正常运行。本专利技术的有益效果：数据输出更加准确，空间成本和安装成本低，能够适应高震动环境，满足深海高压、强电、强磁干扰环境。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的部分结构主视图。图3为本专利技术的部分结构侧视图。图4为本专利技术的部分结构俯视图。图5为本专利技术的部分结构侧倾视图。图6为本专利技术的MCU的电路图。图7为本专利技术的锁存器的电路图。图8为本专利技术的电源电路图1。图9为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，其特征在于：包括安装于深海勘测操作设备顶部的永磁铁氧体、以及固定在永磁铁氧体运动路径周围的隧道磁电阻芯片集成电路，所述永磁铁氧体的磁场方向与隧道磁电阻芯片的敏感轴方向保持平行；/n所述隧道磁电阻芯片集成电路包括集成电路板，所述集成电路板上集成有MCU和若干个等距排列在一条直线上的隧道磁电阻芯片，所述隧道磁电阻芯片的反馈引脚与MCU的IO口相连，所述集成电路板与供电的DC-DC电源模块电性连接；/n所述隧道磁电阻芯片集成电路安装于一密闭舱内，所述密闭舱内灌有轻油，所述密封舱上设置有平衡舱内外压强的油囊，所述密封舱外设有磁屏蔽层；/n所述密封舱外设有作为延长和组网的可扩展通信接口和用于数据传输的通信水密插件接口，所述可扩展通信接口、通信水密插件接口均与MCU电性连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，其特征在于：包括安装于深海勘测操作设备顶部的永磁铁氧体、以及固定在永磁铁氧体运动路径周围的隧道磁电阻芯片集成电路，所述永磁铁氧体的磁场方向与隧道磁电阻芯片的敏感轴方向保持平行；
所述隧道磁电阻芯片集成电路包括集成电路板，所述集成电路板上集成有MCU和若干个等距排列在一条直线上的隧道磁电阻芯片，所述隧道磁电阻芯片的反馈引脚与MCU的IO口相连，所述集成电路板与供电的DC-DC电源模块电性连接；
所述隧道磁电阻芯片集成电路安装于一密闭舱内，所述密闭舱内灌有轻油，所述密封舱上设置有平衡舱内外压强的油囊，所述密封舱外设有磁屏蔽层；
所述密封舱外设有作为延长和组网的可扩展通信接口和用于数据传输的通信水密插件接口，所述可扩展通信接口、通信水密插件接口均与MCU电性连接。


2.根据权利要求1所述的一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，其特征在于：所述永磁铁氧体是中间空心圆柱型，空心的内径为d，永磁铁氧体的高度为L，外径为D，满足的关系。


3.根据权利要求1所述的一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，其特征在于：所述永磁铁氧体的磁感应强度分布和距离的关系满足如下方程，
B(X)＝Bo*L2*(2x+L)2，
其中x为隧道磁电阻芯片到永磁铁氧体轴心距离，L为永磁铁氧体高度，Bo为永磁铁氧体圆心处的磁感应强度；
在已知永磁铁氧体的磁感应强度和需要测量的最小误差时，能确定永磁铁氧体和永磁铁氧体芯片两者相对摆放位置。


4.根据权利要求1所述的一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，其特征在于：所述密封舱外设有固定用的固定块。


5.根据权利要求1所述的一种全海深非接触隧道磁电阻阵列位移传感器，其特征在于：所述MCU设有两种数据处理方式，分别为数据锁存型和数据输入缓冲型。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：江晓，
申请(专利权)人：杭州鲲骏海洋工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33