基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈、测量仪电路；波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块。本发明专利技术采用STM32进行控制和相应计算，结合硬件设施，可实现位置测量、位移测量、速度测量等功能且支持多种通讯方式，测量结果的多种输出方式使其在工业测量系统中兼容性较好，适用性较强。

【技术实现步骤摘要】
基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法
本专利技术涉及一种磁致伸缩位移传感器，尤其涉及一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法。
技术介绍
磁致伸缩位移传感器利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及逆效应原理将位移量转化为时间量来进行非接触式测量。故在目前常用的位移传感器中，磁致伸缩液位传感器以其精度高、量程大、安全性可靠性高、免维护等一系列优点，被广泛应用于冶金、环保、化工等行业，尤其是易燃易爆、易挥发、有腐蚀的环境中，在位移包括液位测量领域发挥着越来越重要的作用。但目前常见进口和国产的磁致伸缩位移传感器的测量精度易受环境温度等影响，在使用过程中大多通过在软件中增加复杂算法的方式对其进行补偿。随着电子技术的发展，不同的测试系统根据实际需求所需的传感器输出方式或通讯方式有所差异。而目前常见的磁致伸缩位移传感器信号输出方式或通讯方式单一，普遍不能满足多种通信要求和输出不同类型数据。并且在多种场合下，还存在着需要测量多路数据。若有特殊要求需联系厂家对硬件及软件修改后一对一定制，适用性及兼容性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法，解决目前磁致伸缩位移测量仪存在的测量精度易受环境温度等影响、单次测量位置单一、信号输出方式单一、功能单一等问题。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈和测量仪电路；波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；所述测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块，其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路、功率驱动放大电路，磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路、时刻鉴别电路，时间测量与控制模块包括TDC测时模块和STM32控制模块；磁致伸缩位移测量仪工作时，由STM32控制模块控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后经D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波；检测线圈检测到传至末端的弹性波，将其经过信号滤波放大电路进行信号调理；通过时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC测时模块进行时间测量。一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量方法，包括以下步骤：步骤1，由STM32控制模块选择测量仪的工作方式及在测量模式下的检测物理量、信号输出方式和通信方式，并控制脉冲激励模块产生电流脉冲加载到波导丝，以获得相应的扭转波；其中工作方式包括校准模式及测量模式；步骤2，在校准模式下，TDC测时模块测得检测磁环和校准磁环与电流脉冲的时间差T1和T2，设测杆长度H，根据h＝(T1/T2)×H计算出检测磁环的位置；步骤3，依据步骤2中计算方式，测量同一磁环的位置h、位移h1-h2，计算(h1-h2)×f测得瞬时速度，f为电流脉冲的频率；步骤4，在TDC测时模块接收扭转波脉冲前，对信号进行时刻鉴别，采用过零时刻鉴别法，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路判别出返回扭转波信号的起止时刻点；步骤5，由STM32控制模块计算出具体位置、位移或速度，并以要求的通信方式和数据输出方式发送给其他设备。与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：(1)本专利技术采用能够有效降低误差的时刻鉴别电路配合专门的时间测量芯片TDC-GP21进一步提高测量精度；有效解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，还可有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，TDC_GP21芯片测量精度可以高达22ps；(2)本专利技术采用自校准的方式，能够有效弥补温度对波导丝的影响，有益于传输较精确的测量信号；(3)本专利技术采用了多磁环的方式，能够实现多点测量；(4)本专利技术能够结合不同测量需求，对主控制器STM32发送指令实现多功能测量；STM32支持多种通信方式以及多种数据输出方式，方便和其他系统协同工作具有较好的兼容性和灵活性；(5)本专利技术受使用环境影响较小、线性精度较高；(6)本专利技术支持多功能测量，能够实现对位置、位移、速度的测量；(7)本专利技术支持多种通信方式和数据输出方式，使其在工业测量系统中兼容性较好，有较高的灵活性；(8)本专利技术测量电路简单，对不同的测量要求，只需对主控芯片输入指令即可，无需修改硬件电路。附图说明图1是本专利技术的一种基于STM32的磁致伸缩位移测量仪的原理示意图。图2是本专利技术的的电路原理框图。图3是本专利技术改进的时刻鉴别电路框图。图4是本专利技术的位移测量模式软件流程图。具体实施方式本专利技术在原有的磁致伸缩位移测量仪研究基础上，改进传统的磁致伸缩位移传感器的结构，实现传感器的自校准功能，消除温度对测量结果的影响。采用过零时刻鉴别电路取代常见的时刻鉴别电路，有效地消除回波幅度变化所引起的测量误差，并利用TDC测量信号时间差，进一步提高位移测量精度。采用多磁环的方式实现多路测量；为了能够适应设备的通信要求和数据类型采用了STM32作为主控芯片，可以通过对软件的更新实现对不同接口，不同数据类型要求的更换。结合图1，一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈和测量仪电路；波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；结合图2，所述测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块，其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路、功率驱动放大电路，磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路、时刻鉴别电路，时间测量与控制模块包括TDC测时模块和STM32控制模块；磁致伸缩位移测量仪工作时，由STM32控制模块控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后经D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波；检测线圈检测到传至末端的弹性波，将其经过信号滤波放大电路进行信号调理；通过时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC测时模块进行时间测量。结合图3，所述时刻鉴别电路包括减法放大电路、高通容阻滤波器和过零比较电路，接收信号经过减法放大电路，将接收信号中地线上的脉冲噪声减至运放供电负电源以下饱和消除，再通过高通容阻滤波器，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路判别出返回脉冲信号的起止时刻点。优选的，磁环数量为2-3个。如图4所示，本专利技术还提供一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量方法，包括以下步骤：a由STM32选择测量仪的工作方式(包括校准模式及测量模式)及在测量模式下的检测物理量、信号输出方式和通信方式的切换，并控制脉冲激励模块产生电流脉冲加载到波导丝，以获得相应的扭转波；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，其特征在于，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈和测量仪电路；波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；所述测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块，其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路和功率驱动放大电路，磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路和时刻鉴别电路，时间测量与控制模块包括TDC测时模块和STM32控制模块；磁致伸缩位移测量仪工作时，由STM32控制模块控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后经D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波；检测线圈检测到传至末端的弹性波，将其经过信号滤波放大电路进行信号调理；通过时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC测时模块进行时间测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，其特征在于，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈和测量仪电路；波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；所述测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块，其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路和功率驱动放大电路，磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路和时刻鉴别电路，时间测量与控制模块包括TDC测时模块和STM32控制模块；磁致伸缩位移测量仪工作时，由STM32控制模块控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后经D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波；检测线圈检测到传至末端的弹性波，将其经过信号滤波放大电路进行信号调理；通过时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC测时模块进行时间测量。2.根据权利要求1所述的基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，其特征在于，所述时刻鉴别电路包括减法放大电路、高通容阻滤波器和过零比较电路，接收信号经过减法放大电路，将接收信号中地线上的脉冲噪声减...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜雄洙，曹一涵，黄泽江，韩伟，何子路，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32