基于磁敏傳感技術(shù)的位移測量編碼與識別研究

位移測量的常見方法有圖像分析法、雙頻激光測量法、光柵或磁柵測量法、磁阻或磁場測量法等。其中基于磁敏傳感技術(shù)的磁性標(biāo)尺型測最方法具有如下優(yōu)點：不存在因相對運動出現(xiàn)的部件磨損問題；信息靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)好；易于實現(xiàn)傳感器集成化、智能化；功耗低，安全可靠等。但目前的測量方法存在以下缺陷：

　　記數(shù)方式的相對暈測量，在失電后會丟失對正確位置的記憶：幀重疊編碼方式的絕對景測量，容錯能力差，表征長度受限。針對這些技術(shù)缺陷，本文提出了一種帶有標(biāo)志位的絕對式編碼方法，使得識別出的序列含有用于粗讀數(shù)的數(shù)值碼和用于精讀數(shù)的標(biāo)識碼，不僅避免了相對式測量的“失憶”問題，而且突破了絕對式測量的表征范圍瓶頸，增強了容錯能力。

　　1 編碼規(guī)則

　　編碼采用格雷碼（Gray）為數(shù)值碼，以某一固定碼寬為參考碼R，它用于標(biāo)尺定位和提高精度。Gray碼是一種絕對編碼方式的無權(quán)碼，它所具有的循環(huán)、單步特性能消除隨機取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，其任意兩個柏鄰整數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個位數(shù)發(fā)生變化，大大減少了由一個狀態(tài)轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài)時的邏輯混淆，具有較強的容錯能力。以6位編碼為例，其部分十進制數(shù)與Gray碼的一一對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

　　2 磁路結(jié)構(gòu)與識別

　　采用圖1所示的測量結(jié)構(gòu)，其中被測工作部件要求屬于鐵磁性材料。文獻中指出在固定的磁場中，表面變化的曲率越大，引起的周圍磁場，變化也越大。為了使磁場的影響最大，選用凹槽作為測罩標(biāo)志，以單位寬度（bmm）的凹槽表示“0”或碼元間隔，單能寬度的“凸槽”表示“1”，兩倍單位寬度的“凸槽”表示標(biāo)志位R。在工作部件表面，按上述的編碼規(guī)則加下出一系列凹槽，然后噴涂上非磁性材料，形成磁性標(biāo)尺。圖1所示的磁性標(biāo)尺表示Gray碼01 1010碼區(qū)，黑色部分表示非磁性材料。

　　激勵磁場采用長方體永久磁體，其磁極贏接對著磁性標(biāo)尺，使測量出的有效磁場變化范圍大。

　　磁場通過磁性標(biāo)尺形成通路，磁敏元件測出磁性標(biāo)八表面變化引起的磁場變化。通過磁路分析和標(biāo)罩磁位等高線計算發(fā)現(xiàn)，磁性標(biāo)尺的槽深h越人越好，槽寬b應(yīng)小于3mm。

　　根據(jù)磁敏傳感原理，“凹槽”和“凸槽“會導(dǎo)致不同的磁場強度，從而使磁敏元件相應(yīng)地輸出不同的電半信號“0”或“1”，形成數(shù)值碼，用于確定位移的粗讀值；而標(biāo)志位R碼寬兩倍于碼元“1”寬度的特點，使得識別后的序列出現(xiàn)具有固定特征的標(biāo)識碼，它用于精讀數(shù)。

　　3 應(yīng)用實例

　　若圖1中的“鐵磁性材料下作部件”表示液壓缸的活塞桿；“非磁性材料”為特制黑色陶瓷，平整地覆蓋在活塞桿表面；“磁敏元件”為霍爾元件，它以兩個單位寬度為軸向間隔，繞活塞桿環(huán)狀布置在液壓缸前端，軸線與活塞桿一·致，以便盡可能減少活塞桿的角位移和徑向位移的影響，精確測出其位置。

　　取h=3mm；b=2mm，則相鄰霍爾元件軸向間距N---4mm，6位編碼的每組碼區(qū)長度L=30mm。

　　可知，要識別一個完粘的碼區(qū)必須設(shè)置9個霍爾元件，但為了能隨時識別出一個完整碼區(qū)，必須設(shè)置16個霍爾元件。以圖2所示時刻位置來說明其丁作過程，其中箭頭表示霍爾元件，數(shù)字為其編號。

　　霍爾電路的工作原理是，在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強度B超過導(dǎo)通工作點時，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電-半：若曰值低于釋放點時，輸出管截止，輸出高電半。因此在“凸槽”時鋼質(zhì)活塞桿被磁化，磁感應(yīng)強度曰增加，霍爾電路導(dǎo)通，輸出低電平，用“1”表示；在“凹槽”時輸出高電平，用“0”表示。以第1個霍爾元件為測量基準，從圖2所示時刻起，位移暈旃次變化b=2mm時，一個碼區(qū)行程內(nèi)霍爾電路輸出的二進制序列如表2所示。分析可知，序列的標(biāo)識碼為l 0000000 1，其前面或后面6位序列數(shù)分別為相鄰的兩個數(shù)值碼，這使它具有很強的容錯能力。標(biāo)識碼每隔一個霍爾元件間距N在低位部分右移一位。值得注意的是，標(biāo)識碼前面的數(shù)值碼代表磁性標(biāo)尺當(dāng)前檢測位置下一個碼區(qū)的值。

　　根據(jù)霍爾電路識別出的前置數(shù)值碼，在編碼庫找到對應(yīng)的十進制數(shù)，假設(shè)為x，則磁性標(biāo)尺行程的粗讀數(shù)為30×（j，-1）mm：精讀數(shù)根據(jù)標(biāo)識碼l 0 0 0 0 0 0 0 1確定，磁性標(biāo)尺每左移4mm，標(biāo)識碼則右移一位。若低位不是標(biāo)識碼，則在上一個標(biāo)識碼代表的行程上加2mm。假設(shè)標(biāo)識碼右移了a位，則精讀數(shù)為4xa+b，其中b當(dāng)尾位為標(biāo)識碼時取0mm，否則取2mm。

　　綜上，液壓缸活塞桿的行程讀數(shù)為S=30（x—1）+4Xa+b此類磁性標(biāo)尺編碼有兩人優(yōu)點：第一，便于找到即時位置的絕對行程值；第二，起校準作用，及時糾正行程計算錯誤。

　　4 結(jié)語

　　編碼技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通運輸業(yè)、商業(yè)、測量丁程、制造業(yè)等領(lǐng)域，極大地提高了數(shù)據(jù)采集和信息處理的速度，改善了人們的工作和生活環(huán)境，提高了工作效率。本文提出的基于絕對量編碼和磁敏傳感技術(shù)的位移測量方法，以磁場方向變化為檢測信號，其電磁轉(zhuǎn)換特性使得整段磁性標(biāo)尺可看作一個二進制序列，從而通過編碼技術(shù)狹得被測量。所用方法克服了機械式位移測量系統(tǒng)體積大、精度低的缺點，具有行程長、測量精度與行程長度無關(guān)、可靠性高等優(yōu)點，有較廣泛的應(yīng)用價值。