(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201620767454.6
(22)申请日 2016.07.20cng减压器
(73)专利权人 蚌埠学院
地址 233030 安徽省蚌埠市曹山路1866号
(72)发明人 乔爱民 罗少轩 汤庆国 李瑜庆
(74)专利代理机构 蚌埠鼎力专利商标事务所有
限公司 34102
代理人 王琪
(51)Int.Cl.
监控主板G01B 7/02(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
(54)实用新型名称高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路(57)摘要本实用新型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。本实用新型采用以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。权利要求书1页 说明书5页 附图4页CN 205860980 U 2017.01.04
C N 205860980
U
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，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。
6.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，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。
7.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，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。
权 利 要 求 书1/1页CN 205860980 U
高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路
技术领域
[0001]本实用新型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。
背景技术
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。[0005]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。
实用新型内容
升降柱cncame[0006]本实用新型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。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型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。
[0008]在本实用新型一个较佳实施例中，MCU采用32位的ARM Cortex—M0芯片NUC130，其内部资源丰富。
[0009]在本实用新型一个较佳实施例中，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。
[0010]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。
热力井[0011]在本实用新型一个较佳实施例中，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。
[0012]在本实用新型一个较佳实施例中，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。
[0013]在本实用新型一个较佳实施例中，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。
[0014]本实用新型的有益效果是：本实用新型采用以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
[0015]图1是本实用新型高精度的磁致伸缩位移传感器信号调理电路的原理框图；[0016]图2是所述电源电路的电路图；
[0017]图3是所述波导丝电流激励电路的电路图；
[0018]图4是所述扭转波回波检测电路的电路图；
电机定子测试台[0019]图5是所述精密时间检测电路的电路图；
[0020]图6是所述工业变送信号4—20mA输出电路及RS232接口电路的电路图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0022]请参阅图1，本实用新型实施例包括：
预分散母胶粒[0023]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。
[0024]所述磁致伸缩位移传感器信号调理电路以ARM Cortex—M0微控制器为核心，由MCU控制波导丝电流激励电路产生电流窄脉冲激励信号，扭转波回波检测电路用于检测扭转波回波，将扭转波回波差模信号放大并变换为TTL电平提供给精密时间检测电路。精密时间检测电路采用高分辨率的TDC—GP2计时芯片实现对从发出激励电流到检测到扭转波回波之间的时间差，再由测得的脉冲电流激励信号和扭转波回波信号之间的时间差与扭转波在波导丝上的传播速度进行乘积得到位移量的大小。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，在测得位移量大小的基础上，结合位移的满量程，由MCU控制内置16bit DAC的高精度4—20mA专用芯片AD5420产生标准电流变送信号，RS232接口电路主要用于提供对磁致伸缩传感器的标定、参数设置等功能的调试接口。
[0025]下面具体描述所述磁致伸缩位移传感器信号调理电路各模块电路的电路结构：[0026]请参阅图2，磁致伸缩位移传感器的供电电源为直流24V，实际工作时可提供12—30VDC的电源电压范围，由于该供电电源电压范围较大，采用高效率的PWM电源控制芯片TPS5430将外供直流电源首先变换为6V的直流电源，TPS5430的开关频率可达500KHz，转换效率约95％，在较小的封装体积(SOIC—8)前提下可提供高达3A的负载电流。再分别由与其并联的LDO直流稳压芯片U5、U6产生5V和3.3V的直流电源。图2中的D1为防反二极管，D2为肖
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