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　　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現。通過測量發射脈沖與回波脈沖的時間差計 算活動磁鐵的位置。基于FPGA器件設計了數字移相脈沖計數方式對時間進行精確測量.該方法對于提高測量位移精度.降 低測量系統對高頻的要求.對提高系統穩定性和抗干擾能力有重要意義。

　　關鍵詞：磁致伸縮　數字移相 時間測量 FPGA

　　1　引 言

　　磁致伸縮位移傳感器是一種以磁致扭轉波為傳播 媒介的傳感器，這種傳感器安裝簡單、方便，能承受高 溫、高壓和高振蕩的環境。廣泛應用于易爆、易燃易揮 發、有腐蝕的場合，但在國內設計和應用的都比較少。 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，主要由波導鋼絲1，位置磁鐵4, 波檢測器3和電子系統5組成。位置磁鐵通常裝在一 個運動部件A上，而傳感器主體則裝在一個固定的部件B上。傳感器工作時，電子信號和處理系統5以時間 間隔為T1發給磁致波導鋼絲1的激勵脈沖電流L。該 脈沖電流將產生一個圍繞波導鋼絲1的旋轉磁場。位 置磁鐵4也產生一個固定的磁場。在這兩個磁場的正 交作用下，波導鋼絲產生磁致彈性伸縮，形成一個磁致 旋轉波2。該旋轉波沿著波導鋼絲以2800m/S的速度 向兩邊傳播。當它傳到波導鋼絲一端的波檢測器3時 被轉換成電信號Ua。通過測量磁致旋轉波從位置磁鐵 4傳到波檢測器3的時間TO就能確定位置磁鐵和波 檢測器之間的距離。這樣，當部件A和B產生相對運 動，通過磁致旋轉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方法分析

　　磁致伸縮位移傳感器的位移計算非常簡單，將所測量的時間差乘以磁致伸縮扭轉波的傳播速度:位置 =時差x扭轉波傳播速度-零點位置(零點位置為零 區與死區之和)。由于磁致伸縮材料采用圓形截面絲， 根據Pochhammer的二維彈性理論，扭轉波在圓截面 桿中的傳播形式是關于圓柱中心軸對稱的，其扭轉波速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 磁致旋轉波位移傳感器的測量原理

　　那么位移L= C1 * T。- L。(其中:C1為應變波的傳播速度T為時間間隔，L為零點位置，零點位置等于 零區與死區之和)。可知，位移測量誤差AL= Ac1 * T。+ AT* C1，其中對具體的波導管來說，在一定溫度范 圍內，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間量檢測的誤差決定， AL= AT。* c1，因而時差的測量是計算位置精度的關 鍵。電子技術及計算機技術的發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。利用現代計算 機計數及電子技術，可對脈沖聲波的傳播時間進行精 確測量。通常采用數字電路容易達到低噪聲和高精度 的特點。電子電路由外置控制器提供觸發信號。傳感器電子接收電路利用觸發脈沖和回波脈沖調制產生一個 寬脈沖，調制后的脈沖寬度與磁鐵位置成正比。利用數 字計數方式來對寬脈沖進行測量，計數功能的實現就 是要保證在觸發脈沖開始時計數，而在接收到回波信 號后停止計數。通過計數器的計數值就可以計算位移。

　　時間差測量原理如圖2所示。

　　圖中兩個窄脈沖信號分別為觸發脈沖和回波脈 沖。利用這兩個窄脈沖信號調制出來的脈沖寬度分別 為T2和T3。觸發信號的時間T1已知。如果計數器的時鐘頻率為f，周期為T。若對于T2段，計數器的計數 值為m2,對于T3段的計數值為m3,那么T0= (m2+ m3) * T/2+ T1/2;由于采用數字計數方式測量，計數 誤差為± 1，時間誤差為±T，時間分辨力越高,位移測 量誤差越小，所以高分辨力的時間量檢測對傳感器實 現高精度測量很關鍵。如果要提高時間分辨力,提高計 數器的時鐘頻率是有效辦法，由AL= AT。* c1= c1/f圖2時間差測量原理圖 其中:f為計數器的計數頻率。

　　對于本傳感器的材料，c1= 280Qm/s,如果系統要 求位移最大誤差為20jum，則： f= 2800* 106/20= 14CMHz 如果系統計數時鐘頻率為5(MHz,則時間誤差為 ±2Qns,位移最大誤差為56_。由此可見，如果達到系 統高精度要求，這種簡單的計數方式需要很高的時鐘 頻率，而在這樣的高頻狀態下，系統抗電磁輻射干擾能 力又對系統的成本提出了更高的要求。如果不使設計 陷入兩難境地，應該尋求新的測量方式。

　　4　數字相移脈寬時間測量方法

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

　　圖3數字相移脈寬時間測量原理圖

　　時鐘信號CLK0依次進行90°移相，得到CLK， CLK1和CLK2,這四路時鐘信號驅動四個相同的計數器對待測信號進行計數。設時鐘頻率為f，周期為T，四 個計數器的計數值分別為m0,m,m1,m2,則最后的脈 寬測量值為:T0= (m0+ m+ m1+ m2) * T/4。可以看 到，這種計數方式的時鐘頻率相當于將原始計數時鐘 進行4倍頻，以4f的頻率進行測量，因而將測量精度 也提高到原來的四倍。將數字相移脈寬時間測量方法 用于測量圖2中的兩個已調制信號，則可以極大的提 高系統精度，改善系統性能。如果原來的系統時鐘為 50MHz，系統的等效時鐘為200MHz，如果不考慮各路 計數時鐘間的相對延遲時間誤差，其測量的最大誤差 降為原來的四分之一，僅為5μm。同時，這種方法保證了整個電路的最大工作頻率仍為f，避免了時鐘提高 帶來的一系列問題。

　　5　數字相移時間測量的實現

　　由于傳感器器件有效長度為150mm，則最長時差 為 Tmax= 15mm/2800m (s)= 53 57微秒系統采用 50MHz 時鐘，則最大計數值為Mmax≈2680,為了便于與數字處 理系統接口，采用八位計數器異步串連計數，則對于每 一路時鐘需要4個計數器。在系統讀取時，依次從高到 低讀取8位計數值。由于時鐘為5(MHz，產生90°的相 移需要的時間延時為5ns。

　　數字相移脈寬時間測量的基本點在于時鐘信號的 相位延遲,而相位延遲在實際實現中是通過時間波形 的延遲來實現，因而實現準確的和確定的電路延遲對 于該模型的完整性有重要作用。實現延時有多種方法， 如采用分立元件實現，但這種方法存在電路復雜可靠 性差等缺點。文中采用FPGA器件實現高精度的延時 具有電路簡單、功能強、修改方便和可靠性高等優點。 RTEX-II系列FPGA器件有4~12個數字時鐘管理 器DCM,每個DCM都提供了應用范圍廣、功能強大 的時鐘管理功能。如時鐘去時滯、頻率合成及移相等。 它利用延時鎖定環DLL，消除時鐘焊盤和內部時鐘引 腳間的擺動，同時它還提供多種時鐘控制技術，實現時 鐘周期內任意位置的精確相位控制，非常適合時序微 調應用，對設置和保持時序對準非常關鍵。DCM相移 具有可變相移和固定相移兩種模式。設計中，由于延時 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，用戶可以動態地反復將相位向前或向后 移動輸入時鐘周期的1/256。可變相移模式中,相移控制針如表1所示。
當PSEN信號有效,則相移值可以由與相移時鐘 PSCLK同步的PSNCDEC信號決定動態地増加或減 少。設計中相移時鐘由輸入時鐘提供，PSDONE輸出 信號與相移時鐘同步，它輸出一個相移時鐘周期的高 電平表示相移已經完成，同時表示一個新的相移可以 開始。輸入時鐘經過DCM移相電路移相后，得到所需 延時之后的時鐘輸出。設計采用自頂向下的設計方法, 采用硬件描述語言VHDL完成DCM移相、狀態機控 制及參數輸入三大功能模塊的設計輸入。DCM的相移 模式為可變相移模式。根據用戶輸入的所需延時量，在 -64~+ 64之間取一個整數相移值，通過時鐘選擇器 選擇用CLK0、CLK1實現0- 10ns的多種時延。文中 采用6個DCM，兩個一組,每一組DCM實現90°的相 移，將三組串連，四個節點的輸出就分別是原始時鐘、 相移90 °時鐘、相移180 °時鐘、相移270 °時鐘。實際上， 由于FPGA器件編程的方便性,可以充分利用這種特 點，以實現更多倍數的倍頻，6倍頻、9倍頻甚至更大倍 數的倍頻等等，實現原理是一樣的，具體應根據實際要 求來做。由于篇幅原因，對VHDL編程及其代碼不再贅述。

　　6　結 論

　　文中提出的方法實際上是對一路基準時鐘利用相 移產生幾路等時差的時鐘進行計數，所以該技術的關 鍵問題在于相移精確，而對于計數器的要求不是太高。 這樣利用FPGA完全可以滿足參數要求，而且具有體 積小、功耗低、性能穩定、設計調試方便等優點。模擬的 移相器無法達到要求，只能利用數字移相器件來滿足 精度要求，但目前該器件價格非常高，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 的數字移相電路必將有極高的利用價值。（作者：李慶山潘日敏戴曙光楊永才）