一種基于磁敏技術的位移傳感器的研究與設計

　　對物體位移進行非接觸測量是目前位移測量技術的重要發展方向之一,這是由于非接觸測量方法具有高速、不接觸被測物體等優點。傳統的接觸式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出[1]。為實現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。非接觸式位移傳感器種類繁多,如時柵位移傳感器[2]、線位移差分傳感器[3]、容柵位移傳感器[4]、電感式位移傳感器[5]等,這些傳感器的精度高,但結構復雜、成本高,對被測物體運動速度還附加了限制,如必須運行平穩、無突變和相對低速等。

　　本文從工程應用的角度，設計了一種基于磁敏技術的位移傳感器，該傳感器在精度、抗震、耐用度等方面有了成功的改善。

　　1 磁敏傳感器工作原理

　　在基于磁敏技術的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集。

　　MLX90316是一種線性霍爾芯片，在霍爾效應傳感器上增加集成磁場集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6]。能夠在單點感應到磁通量的所有3個分量，因此，可以得到360°的旋轉位置值，通過多種模式輸出準確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉，安裝簡便。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應垂直于IC表面的磁通量。

　　MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經過放大處理后，經過14 bit微分型A/D轉換器進入芯片微處理器(DSP)，再經過16 bit DSP處理之后的數字信號分3路輸出。MLX90316輸出具有12 bit角度分辨率，10 bit角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12 bit D/A轉換為模擬量輸出；頻率為100 Hz~1 000 Hz的PWM輸出；數字模式下利用串行通信協議輸出(SPI)。

　　在本設計中，選擇SPI接口輸出。

　　2 硬件接口電路設計

　　基于磁敏技術的位移傳感器主要由3個部分組成，前端角度信號采集、數據處理單元、數據通訊單元，具體的功能框圖如圖1所示。

　　磁敏角度感應器選用MLX90316，它將位移所導致的磁鐵磁場轉動的角度轉換為磁敏角度。

　　微處理器單元通過SPI接口與MXL90316進行數據通信，用于完成磁敏角度數據的接收，由于接收到的是磁場轉換的角度，所以通過建立數學模型，結合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。傳感器的所有任務最終都掛在實時操作系統μC/OS-II上運行，因此不僅要考慮微控制器的內部資源，還要看其可移植性和可擴展性。LPC2136是Phlips公司生產的32 bit ARM7TDMI-S微處理器[7],嵌入256 KB高速Flash存儲器。采用3級流水線技術，取指、譯碼和執行同時進行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，抗干擾能力強，適用于各種工業控制。

　　數據通信單元設計了1路RS485通信接口，負責接收來自應用系統的命令、向應用系統返回采集的位移結果。