УДК 681.586.785
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
В. Х. Ясовеев, А. А. Шмелев
Рассмотрены структурные схемы интеллектуальной измерительной системы для магнитострикцион-ных преобразователей линейных перемещений. Представлены расчеты по нахождению экстремума функции информационного сигнала и поправочного коэффициента самокалибровки.
Ключевые слова: магнитострикционные датчики, интеллектуальные измерительные системы.
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизированные системы контроля и управления, работающие в реальном масштабе времени, нашли широкое распространение. Эффективность их применения зависит от основных метрологических характеристик средств измерения, которые предоставляют измерительную информацию автоматизированной системе. Немалую долю в комплексе измеряемых физических величин занимают линейные перемещения. Магнитострикционные датчики перемещения (МДП), относящиеся к ультразвуковому локационному типу преобразователей, являются весьма перспективными в сравнении с другими типами преобразователей линейного перемещения. Преимуществами МДП являются: достаточно высокая разрешающая способность (менее 0,1 мм), малая погрешность преобразования при широком диапазоне преобразуемых перемещений (единицы — десятки метров), высокая степень линейности, возможность бесконтактного преобразования в широком диапазоне рабочих температур и невысокая стоимость.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Первичный магнитострикционный преобразователь линейных перемещений (МПП) представлен на рис. 1, где 1 — направления распространения ультразвуковой волны; 2 — магнитное поле постоянного магнита-позиционера; 3 — магнитное поле, создаваемое возбуждающим импульсом тока; 4 — постоянный магнит; 5 — волновод; 6 — преобразователь крутильных волн в продольные; 7 — акустический демпфер; 8 —
контакт ввода возбуждающего импульса тока; 9 — форма возбуждающего импульса тока.
При прохождении импульса тока по волноводу, изготовленному из магнитострикционного материала, вокруг него образуется радиальное магнитное поле. Это поле при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита вызывает ультразвуковую (УЗ) волну, которая распространяется от места возникновения к обоим концам волновода. В одном из концов волна демпфируется, что позволяет исключить помехи от отраженных волн. Преобразователь крутильных волн из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним пластины магнито-стрикционного материала, катушки индуктивности на этой пластине и неподвижного постоянного магнита формирует электрический сигнал. Информационный сигнал с приемного преобразователя крутильных волн (рис. 2) подвергается дальнейшей обработке.
В настоящей работе используется новая в сравнении с [2, 3] методика обработки информа-
12 - вепвогв & БувЬетв • № 12.2014
и, в
ит
Наведенный сигнал от импульса возбуждения
Информационный импульс
Рис. 2. Осциллограмма сигнала в приемной обмотке
ционного сигнала первичного МПП с более высокой разрешающей способностью и самокалибровкой. Схема электронного блока обработки показана на рис. 3, где 1 — импульсы тока; 2, 5 — акустические демпферы; 3 — постоянный магнит, жестко соединенный с объектом измерения; 4 — волновод; 6 — преобразователь крутильных волн в продольные.
Схема интеллектуального МДП представлена на рис. 4. В преобразователе крутильная УЗ-волна преобразуется в электрический информационный сигнал (ИС), который поступает на фильтр, повышающий соотношение сигнал/шум. Сигнал, усиленный ОУ, преобразуется с помощью АЦП в двоичный код и далее поступает в процессор МК для обработки.
Представим ИС рис. 2 в виде массива данных об уровнях сигналов и в зависимости от значений времени ti. Сначала определяется время ?старт появления возбуждающего импульса по достижению порогового значения наведенным сигналом от импульса возбуждения, затем — вре-
мя пика ИС. Для этого сгладим ИС, разбив временную ось на интервалы, содержащие п значений Ц-, соответствующих ti. На каждом таком интервале положим значение юу, у е [1; т], равным среднему арифметическому п значений и соответствующего интервала, т. е.
юу = и
+ и
п] -
- п - 1)
п] - ( 2 п - 2)
+ ... + и
п]
у * 1, у * т.
Введем значение времени х,- = tnj
п] - п/2
соот-
ветствующее значению уровня сигнала юу. При у = 1 и у = т:
Ю1
и1
и, + и2 +... + и.
п/2 ;
и
п/2
+ и 2
ю = 2 2
+ 1
22
+ ... + и 2
п --2-
п/2
Таким образом, получим столбец усредненных значений юу и соответствующих им ту.
ю1 т1
W = ю2 ; т = т2
_юш тт
где Т — массив данных ту W — массив данных юу.
Затем среди значений юу находим минимальное ютщ = штюу, 1 < у < т, после чего определяем Ттт, соответствующее пику информационного сигнала
Обработка ИС и наведенного сигнала от возбуждающего импульса тока выполняется для исключения погрешности, вызванной временной задержкой аппаратной и программной частей.
Рис. 3. Электронный блок обработки сигнала
Мультиплексор
МК
ОУ
Магнито-стрикционный волновод
Регистр
Регистр
Карта памяти
Преобразователь ультразвуковых колебаний
X
АЦП
Фильтр
I
Индикатор
БП
ОУ
Ш
Мультиплексор
Рис. 4. Структурная схема интеллектуального МДП
Расчет параметров перемещения МДП осуществляется следующим образом:
-изм _ (^шт ^старт)^зв ± Лсум,
Ш
-^изм
^р (^тт ^старт)^зв ± Лсум,
где - — значение координаты магнита-позиционера; узв — скорость звука в волноводе; Лсум — суммарная погрешность; V — скорость УЗ-вол-ны; Ш — модуль сдвига; р — удельная плотность материала звукопровода.
С учетом коэффициента самокалибровки
- = КСК(хизм ± Лсум
) =
= К
СК
!р
тт ^старт)узв ± Лсум
где Кск — поправочный коэффициент самокалибровки (более подробно представлен ниже).
Суммарная погрешность МДП включает в себя: смещение нуля, погрешность из-за помех в измерительном канале, погрешность из-за изменения скорости распространения УЗ волны вдоль звукопровода, погрешность квантования интервала времени, температурную нестабильность, погрешность от затухания УЗ волны.
Наиболее существенны из перечисленного — нестабильность скорости распространения УЗ волны вдоль магнитострикционного звукопро-вода и ее затухание в процессе распространения. Погрешность смещения нуля легко исключается из результата преобразования путем вычитания, а погрешности, вызываемые другими источниками, имеют сравнительно меньшее значение. Так-
же значительную по величине погрешность может вносить в результат преобразования присутствие в измерительном канале напряжения помех [4].
Температурную погрешность из-за изменения скорости волны можно снизить, если волновод изготовить из материала, модуль упругости которого не зависит от температуры, например, сплава никеля с железом [6], содержащего 27 или 44 % никеля.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Интеллектуализация обеспечивает МДП ряд полезных свойств, позволяя корректировать дестабилизирующие факторы на уровне датчика и осуществлять самодиагностику и самокалибровку процессов измерения [1, 5].
Принцип работы интеллектуального МДП поясняет рис. 4. Кроме того, необходим датчик температуры для обеспечения корректировки выходных параметров в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Формулы и алгоритмы расчета параметров перемещения хранятся на карте памяти.
Остановимся подробнее на операциях, производимых в МК. ИС, отфильтрованный после АЦП, поступает в блок математической обработки сигнала, где по формулам и алгоритмам, сохраняемым на карте памяти, осуществляется расчет времени прихода УЗ-сигнала. Затем производится расчет параметров перемещения (положение, перемещение, скорость и ускорение); корректировка в зависимости от внешних факторов, вызывающих изменение скорости распространения УЗ волны; корректировка погрешностей. Данные операции осуществляются с помощью датчика температуры, блока самокалибровки, блока провиса струны. Кроме того, предусмотрен режим самокалибровки, обеспечивающий проверку точности измерения датчика по контрольным точкам, информация о которых хранится на карте памяти.
Структурная схема блока самокалибровки представлена на рис. 5.
Для самокалибровки исследуется семейство характеристик при различных температурах в контрольных точках, и информация о них заносится во внутреннюю память МК. Датчик темпе-
14
вепвогв & Эувгетв • № 12.2014
Датчик температуры
Мультиплексор
Сравнение с реальным сигналом
Результат отклонения
Рис. 5. Структурная схема блока самокалибровки
1 сп 2,12Дх ф - -1,57e ' + 1,57 \ цф, рад ф - f(Ax) 1,57 0,3 . 0 Ax, мм
-0,1 1 сп —2,12Дх \ш - 1,57e ' - 1,57 -1,57
Рис. 6. Угол отклонения линий регрессии
ратуры регистрирует показания с МПП и направляет данные в МК, где встроенный мультиплексор перебирает ранее записанные контрольные точки БД_/ с определенным шагом (выбирается в зависимости от требуемых условий, например, диапазона измерений и разрешающей способности МДП) и сравнивает их с реальным сигналом. При прохождении подвижного элемента МДП (например, постоянного магнита) через контрольные точки, система автоматически осуществляет сравнение и вносит соответствующую корректировку путем введения поправочного коэффициента самокалибровки вида [7—9]:
КСК =
0,47ln ( hf-f
x - 0 47ln Гф + 1 ,5
Лизм i 5 7
x
A x < 0;
Ax> 0,
где хизм — измеренное значение перемещения, Ф — угол между линиями регрессии образцового и измеренного сигнала, Ax — отклонение измеренного значения перемещения от образцового.
На рис. 6 приведен график зависимости угла отклонения линий регрессий измеренных и образцовых сигналов от разности измеренного и образцового значений перемещения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Интеллектуализация измерительной системы для магнитострикционных датчиков линейных перемещений позволяет увеличить точность измерения и уменьшить время обработки информационного сигнала с первичного магнитострик-ционного преобразователя за счет адаптивной системы обработки сигнала. Система самокалибровки обеспечивает стабильную работу датчиков при наличии дестабилизирующих факторов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.