專利名稱：基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了電磁學、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別是涉及到磁致伸縮位移傳感器、電磁感應、基于電子技術(shù)的高精度時間測量技術(shù)方面的知識。
背景技術(shù)：
磁致伸縮位移傳感器利用磁致扭轉(zhuǎn)波作為傳播媒致的磁致伸縮式傳感器。該傳感器具有非接觸測量、精度高、重復性好、穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應性強等特點，已在石油、化工、制藥等行業(yè)得到了廣泛應用。如圖1所示，磁致伸縮位移傳感器通過對波導絲施加給定的激勵脈沖產(chǎn)生一個圍繞波導絲的旋轉(zhuǎn)磁場。位置磁鐵也產(chǎn)生一個固定的磁場，在這兩個磁場的共同作用下，形成一個磁致旋轉(zhuǎn)波，該波沿著波導絲以固定速度向兩邊傳播，當它傳到一端的阻尼器，該波被減弱吸收；當它傳到波導絲一端的感應線圈，產(chǎn)生微弱的回波信號，傳感器信號處理電路對回波信號進行處理產(chǎn)生感應脈沖。由于發(fā)射的激勵脈沖電流以光速傳播，所以其傳播時間可以忽略，所以通過時間測量電路測出激勵脈沖SI和接收到感應脈沖S2的時間間隔，便可精確地計算出位置磁鐵的位置，即可實現(xiàn)絕對位移L的測量。綜上所述其利用磁致伸縮效應將位移量轉(zhuǎn)化為時間量，所以高精度的時間間隔測量是傳感器高準確度的重要保證。按實現(xiàn)技術(shù)，時間間隔測量方法大致可以分為模擬與數(shù)字兩大類。但是現(xiàn)有的磁致伸縮位移傳感器的時間測量電路大多采用模擬技術(shù)，傳統(tǒng)的模擬方法很難在集成電路上實現(xiàn)，隨著半導體技術(shù)、嵌入式技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字設(shè)計技術(shù)將逐步取代模擬技術(shù)。數(shù)字法是用同步時鐘脈沖對時間間隔進行計數(shù)測量，要提高數(shù)字法的測時精度，就需要提高計數(shù)時鐘的頻率，而采用傳統(tǒng)的TTL和CMOS邏輯電路，工作頻率不可能很高，故使得磁致伸縮位移傳感器的精度不高。故本發(fā)明提出了采用CPLD搭建基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)，可達到了較高的位移精度。CPLD是于20世紀90年代初出現(xiàn)的新型可在線編程邏輯器件，具有集成度高，工作速度快，編程方便，價格低廉的優(yōu)點。CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)簡單，連線相對固定，延時小且可預測，更利于器件在高頻下工作，故可以達到更高的精度，以此解決現(xiàn)有問題提聞時間測量精度，從而提聞傳感器精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述的不足，而提供一種基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)應用于磁致伸縮位移傳感器中。它基于磁致伸縮效應、電磁效應，運用電子技術(shù)，通過CPLD搭建實現(xiàn)高精度時間測量系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案的原理:根據(jù)磁致伸縮位移傳感器的工作原理分析可知，傳感器是通過測量激勵脈沖SI與感應脈沖S2的時間間隔來確定位移的。時間間隔的檢測方法有多種，在此我們采用數(shù)字法。如圖2所示，高精度時間測量即是測量激勵脈沖SI的產(chǎn)生到感應脈沖S2的接受之間的時間間隔T，采用同步時鐘脈沖對時間間隔T進行計數(shù)測量。因為接受到的感應脈沖S2中受到激勵脈沖SI的影響，一個周期里，既有激勵脈沖又有回波信號，對計數(shù)器復位有干擾。故我們采用將激勵脈沖SI與感應脈沖S2之間的時間間隔T轉(zhuǎn)化為PWM信號S4的寬度來測量。同時，為了消除感應脈沖S2中激勵脈沖SI的干擾，引入了延時脈沖S3。最終將S4作為閘門信號控制對同步時鐘脈沖進行計數(shù)，即可精確測量出時間間隔T。本發(fā)明采用的技術(shù)方案:這種基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)主要通過CPLD完成磁致伸縮位移傳感器中高精度時間測量的功能。該系統(tǒng)由時間間隔獲取模塊、感應脈沖信號處理模塊、計數(shù)模塊和計數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊四個部分組成。時間間隔獲取模塊:其由激勵脈沖發(fā)生電路，延時電路和RS觸發(fā)電路組成。其實現(xiàn)獲取從激勵脈沖SI的產(chǎn)生到感應脈沖S2的接受之間的時間間隔T的功能。感應脈沖信號處理模塊:在時間間隔測量中，磁致伸縮位移傳感器中的磁致旋轉(zhuǎn)波沿著波導絲向兩邊傳播，一端被阻尼器所吸收，另一端被感應線圈吸收產(chǎn)生回波信號，經(jīng)處理后產(chǎn)生感應脈沖S2。若阻尼器未能全部吸收磁致旋轉(zhuǎn)波，傳到感應線圈而產(chǎn)生二次回波，感應脈沖S2會受到二次回波的干擾。這種現(xiàn)象會導致時間間隔測量的誤判及誤測，針對這種異?，F(xiàn)象，故需對感應脈沖S2進行信號處理。該感應脈沖信號處理電路實現(xiàn)消除二次回波的功能，在CPLD內(nèi)部編程實現(xiàn)捕捉兩次上升沿并置為高電平，來消除二次回波。計數(shù)模塊:實現(xiàn)對時間間隔T的計數(shù)測量功能，采用CPLD內(nèi)部自帶的高頻晶振50MHZ作為計數(shù)脈沖源輸入，將PWM信號S4作為閘門信號控制對高頻脈沖進行計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值N，即可精確測量出時間間隔T。計數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊:在高精度時間測量過程中，磁致伸縮傳感器內(nèi)的激勵脈沖和感應脈沖不可避免地會對最終測量輸出的計數(shù)值產(chǎn)生一定的干擾。為了提高計數(shù)數(shù)值的可靠性，需對計數(shù)數(shù)據(jù)進行處理，采用滑動平均濾波算法。在CPLD內(nèi)部實現(xiàn)滑動平均濾波電路，其由8級16位移位寄存器、7個加法器及除法器組成。


圖1是磁致伸縮位移傳感器工作原理示意圖；圖2是聞精度時間測量時序圖；圖3是基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)原理圖；圖4是感應脈沖及受二次回波影響的感應脈沖示意圖；附圖標記說明:1是激勵脈沖，2是波導絲，3是位置磁鐵，4是阻尼器，5是感應脈沖，6是感應線圈，7是時間間隔獲取模塊，8是感應脈沖信號處理模塊，9是計數(shù)模塊，10是計數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊，11是二次回波，L是位置磁鐵的絕對位移，T是時間間隔，SI是激勵脈沖，S2是感應脈沖，S3是延時脈沖，S4是PWM信號，S5是受二次回波影響的感應脈沖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本專利作進一步的說明如下。本發(fā)明是一種基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)應用于磁致伸縮位移傳感器中。該系統(tǒng)包括時間間隔獲取模塊7、感應脈沖信號處理模塊8、計數(shù)模塊9和計數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊10四個部分。
本發(fā)明各部分的電路連接如圖3所示，首先，通過時間間隔獲取模塊7中的激勵脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生激勵脈沖SI，如圖1所示，放大后施加至波導絲2，產(chǎn)生微弱的回波信號，經(jīng)過放大濾波處理后輸入至感應脈沖信號處理電路8，消除二次回波11 (如圖4所示)，得到感應脈沖S2，如圖2所示，感應脈沖S2相對于激勵脈沖SI有一定延時，為了消除其對時間測量的影響，將SI先通過延時電路，使邏輯高電平適當?shù)难訒r，得到如圖2中的延時脈沖S3。再將延時脈沖S3和感應脈沖S2通過RS觸發(fā)器，得到PWM信號S4，其寬度即為激勵脈沖SI和感應脈沖S2的時間間隔T。采用CPLD內(nèi)部自帶晶振50MHZ作為計數(shù)脈沖源輸入，將PWM信號S4作為閘門信號控制對高頻脈沖進行計數(shù)。將所得的計數(shù)值通過計數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊10進行平滑濾波處理，首先采用8級16位移位寄存器和7個加法器來實現(xiàn)對16位計數(shù)值Q15...Q0的滑動求和，8級16位移位寄存器即組成一個數(shù)據(jù)隊列，其中的數(shù)據(jù)在每個時鐘沿的推動下移動一次，形成新舊數(shù)據(jù)的移入移出操作。另外用一個固定數(shù)值為8的除法器實現(xiàn)對滑動和求平均的運算。最終輸出的即為經(jīng)過滑動濾波后的16位計數(shù)值(Q15)η...(QO) η °本發(fā)明的目的是通過提高時間量的精確度來研制出高精度的磁致伸縮位移傳感器。16位的計數(shù)器對PWM信號S4的計數(shù)值為Q15...Q0，對計數(shù)值采樣η次，采樣值分
別為(QM)1...(QO)1......(Q15)n...(QO)n，對η次計數(shù)采樣值進行滑動平均濾波得到的最
終的計數(shù)值為
權(quán)利要求
1.種基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括下列模塊: 計數(shù)模塊，用于對時間間隔T測量計數(shù)； 計數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊，采用滑動平均濾波算法，用于對計數(shù)數(shù)據(jù)進行處理，消除干擾； 其特征在于還包括以下模塊: 時間間隔獲取模塊，用于獲取從激勵脈沖的產(chǎn)生到感應脈沖的接受之間的時間間隔T ； 感應脈沖信號處理模塊，用于消除感應脈沖中的二次回波。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的時間間隔獲取模塊由激勵脈沖發(fā)生電路、延時電路和RS觸發(fā)電路組成；所述的激勵脈沖發(fā)生電路,通過CPLD產(chǎn)生周期性穩(wěn)定的激勵脈沖直接與感應脈沖在CPLD內(nèi)部進行處理，減少外部干擾；所述的延時電路，通過CPLD把激勵脈沖的邏輯高電平適當?shù)难訒r，得到延時脈沖代替激勵脈沖與感應脈沖進行處理獲取時間間隔T，從而消除感應脈沖中激勵脈沖的干擾。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的感應脈沖信號處理模塊，采用CPLD內(nèi)部編程實現(xiàn)，捕捉受二次回波影響的感應脈沖的兩次上升沿并置為高電平來消除二次回波。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度時間測量系統(tǒng)，其特征在于:整個系統(tǒng)在CPLD上搭建的，CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，延時小且可預測，有利于高頻下工作，采用50MHZ振蕩源，其時間測量的精度可達到20ns。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)，涉及電磁學、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字信號處理領(lǐng)域。本發(fā)明首先根據(jù)磁致伸縮位移傳感器的工作原理設(shè)計時間測量時序圖，在CPLD上建立基于電磁感應的磁致伸縮高精度時間測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括時間間隔獲取模塊、感應脈沖信號處理模塊、計數(shù)模塊及計數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊；所述的時間間隔獲取模塊包括激勵脈沖發(fā)生電路、延時電路和RS觸發(fā)電路；所述的計數(shù)模塊包括16位計數(shù)器和內(nèi)部晶振。本發(fā)明的優(yōu)點在于采用CPLD實現(xiàn)功能，選擇更快速度的CPLD可達到很高的測量精度，提高電路設(shè)計靈活性，簡化電路結(jié)構(gòu)，使磁致伸縮位移傳感器精度提高，成本降低，設(shè)備易于小型化。
文檔編號G04F10/04GK103092061SQ20131006230
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者周翟和, 汪麗群, 胡佳佳, 沈超 申請人:南京航空航天大學