基于磁敏传感技术的位移测量编码与识别研究

位移测量的常见方法有图像分析法、双频激光测量法、光栅或磁栅测量法、磁阻或磁场测量法等。其中基于磁敏传感技术的磁性标尺型测最方法具有如下优点：不存在因相对运动出现的部件磨损问题；信息灵敏度高，动态响应好；易于实现传感器集成化、智能化；功耗低，安全可靠等。但目前的测量方法存在以下缺陷：

　　记数方式的相对晕测量，在失电后会丢失对正确位置的记忆：帧重叠编码方式的绝对景测量，容错能力差，表征长度受限。针对这些技术缺陷，本文提出了一种带有标志位的绝对式编码方法，使得识别出的序列含有用于粗读数的数值码和用于精读数的标识码，不仅避免了相对式测量的“失忆”问题，而且突破了绝对式测量的表征范围瓶颈，增强了容错能力。

　　1 编码规则

　　编码采用格雷码（Gray）为数值码，以某一固定码宽为参考码R，它用于标尺定位和提高精度。Gray码是一种绝对编码方式的无权码，它所具有的循环、单步特性能消除随机取数时出现重大误差的可能，其任意两个柏邻整数之间转换时，只有一个位数发生变化，大大减少了由一个状态转到下一个状态时的逻辑混淆，具有较强的容错能力。以6位编码为例，其部分十进制数与Gray码的一一对应关系如表1所示。

　　2 磁路结构与识别

　　采用图1所示的测量结构，其中被测工作部件要求属于铁磁性材料。文献中指出在固定的磁场中，表面变化的曲率越大，引起的周围磁场，变化也越大。为了使磁场的影响最大，选用凹槽作为测罩标志，以单位宽度（bmm）的凹槽表示“0”或码元间隔，单能宽度的“凸槽”表示“1”，两倍单位宽度的“凸槽”表示标志位R。在工作部件表面，按上述的编码规则加下出一系列凹槽，然后喷涂上非磁性材料，形成磁性标尺。图1所示的磁性标尺表示Gray码01 1010码区，黑色部分表示非磁性材料。

　　激励磁场采用长方体永久磁体，其磁极赢接对着磁性标尺，使测量出的有效磁场变化范围大。

　　磁场通过磁性标尺形成通路，磁敏元件测出磁性标八表面变化引起的磁场变化。通过磁路分析和标罩磁位等高线计算发现，磁性标尺的槽深h越人越好，槽宽b应小于3mm。

　　根据磁敏传感原理，“凹槽”和“凸槽“会导致不同的磁场强度，从而使磁敏元件相应地输出不同的电半信号“0”或“1”，形成数值码，用于确定位移的粗读值；而标志位R码宽两倍于码元“1”宽度的特点，使得识别后的序列出现具有固定特征的标识码，它用于精读数。

　　3 应用实例

　　若图1中的“铁磁性材料下作部件”表示液压缸的活塞杆；“非磁性材料”为特制黑色陶瓷，平整地覆盖在活塞杆表面；“磁敏元件”为霍尔元件，它以两个单位宽度为轴向间隔，绕活塞杆环状布置在液压缸前端，轴线与活塞杆一·致，以便尽可能减少活塞杆的角位移和径向位移的影响，精确测出其位置。

　　取h=3mm；b=2mm，则相邻霍尔元件轴向间距N---4mm，6位编码的每组码区长度L=30mm。

　　可知，要识别一个完粘的码区必须设置9个霍尔元件，但为了能随时识别出一个完整码区，必须设置16个霍尔元件。以图2所示时刻位置来说明其丁作过程，其中箭头表示霍尔元件，数字为其编号。

　　霍尔电路的工作原理是，在外磁场的作用下，当磁感应强度B超过导通工作点时，霍尔电路输出管导通，输出低电-半：若曰值低于释放点时，输出管截止，输出高电半。因此在“凸槽”时钢质活塞杆被磁化，磁感应强度曰增加，霍尔电路导通，输出低电平，用“1”表示；在“凹槽”时输出高电平，用“0”表示。以第1个霍尔元件为测量基准，从图2所示时刻起，位移晕旃次变化b=2mm时，一个码区行程内霍尔电路输出的二进制序列如表2所示。分析可知，序列的标识码为l 0000000 1，其前面或后面6位序列数分别为相邻的两个数值码，这使它具有很强的容错能力。标识码每隔一个霍尔元件间距N在低位部分右移一位。值得注意的是，标识码前面的数值码代表磁性标尺当前检测位置下一个码区的值。

　　根据霍尔电路识别出的前置数值码，在编码库找到对应的十进制数，假设为x，则磁性标尺行程的粗读数为30×（j，-1）mm：精读数根据标识码l 0 0 0 0 0 0 0 1确定，磁性标尺每左移4mm，标识码则右移一位。若低位不是标识码，则在上一个标识码代表的行程上加2mm。假设标识码右移了a位，则精读数为4xa+b，其中b当尾位为标识码时取0mm，否则取2mm。

　　综上，液压缸活塞杆的行程读数为S=30（x—1）+4Xa+b此类磁性标尺编码有两人优点：第一，便于找到即时位置的绝对行程值；第二，起校准作用，及时纠正行程计算错误。

　　4 结语

　　编码技术广泛应用于交通运输业、商业、测量丁程、制造业等领域，极大地提高了数据采集和信息处理的速度，改善了人们的工作和生活环境，提高了工作效率。本文提出的基于绝对量编码和磁敏传感技术的位移测量方法，以磁场方向变化为检测信号，其电磁转换特性使得整段磁性标尺可看作一个二进制序列，从而通过编码技术狭得被测量。所用方法克服了机械式位移测量系统体积大、精度低的缺点，具有行程长、测量精度与行程长度无关、可靠性高等优点，有较广泛的应用价值。