一种基于磁敏技术的位移传感器的研究与设计

　　对物体位移进行非接触测量是目前位移测量技术的重要发展方向之一,这是由于非接触测量方法具有高速、不接触被测物体等优点。传统的接触式位移传感器采用电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出[1]。为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。非接触式位移传感器种类繁多,如时栅位移传感器[2]、线位移差分传感器[3]、容栅位移传感器[4]、电感式位移传感器[5]等,这些传感器的精度高,但结构复杂、成本高,对被测物体运动速度还附加了限制,如必须运行平稳、无突变和相对低速等。

　　本文从工程应用的角度，设计了一种基于磁敏技术的位移传感器，该传感器在精度、抗震、耐用度等方面有了成功的改善。

　　1 磁敏传感器工作原理

　　在基于磁敏技术的位移传感器上,选择MLX90316作为磁敏角度的采集。

　　MLX90316是一种线性霍尔芯片，在霍尔效应传感器上增加集成磁场集中器(IMC)的单片集成传感芯片[6]。能够在单点感应到磁通量的所有3个分量，因此，可以得到360°的旋转位置值，通过多种模式输出准确度很高的线性绝对位置信号，并且成本低廉，安装简便。而普通的水平（或者平面）霍尔传感器只能感应垂直于IC表面的磁通量。

　　MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍尔技术的传感器。由霍尔传感器得到的二路正交的模拟信号经过放大处理后，经过14 bit微分型A/D转换器进入芯片微处理器(DSP)，再经过16 bit DSP处理之后的数字信号分3路输出。MLX90316输出具有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围温度变化对输出精度的影响。MLX90316具有3种输出：由12 bit D/A转换为模拟量输出；频率为100 Hz~1 000 Hz的PWM输出；数字模式下利用串行通信协议输出(SPI)。

　　在本设计中，选择SPI接口输出。

　　2 硬件接口电路设计

　　基于磁敏技术的位移传感器主要由3个部分组成，前端角度信号采集、数据处理单元、数据通讯单元，具体的功能框图如图1所示。

　　磁敏角度感应器选用MLX90316，它将位移所导致的磁铁磁场转动的角度转换为磁敏角度。

　　微处理器单元通过SPI接口与MXL90316进行数据通信，用于完成磁敏角度数据的接收，由于接收到的是磁场转换的角度，所以通过建立数学模型，结合轮毂直径等因素，将磁敏角度换算为拉线的位移。传感器的所有任务最终都挂在实时操作系统μC/OS-II上运行，因此不仅要考虑微控制器的内部资源，还要看其可移植性和可扩展性。LPC2136是Phlips公司生产的32 bit ARM7TDMI-S微处理器[7],嵌入256 KB高速Flash存储器。采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，抗干扰能力强，适用于各种工业控制。

　　数据通信单元设计了1路RS485通信接口，负责接收来自应用系统的命令、向应用系统返回采集的位移结果。