劉 毅

（同濟大學(xué)機械電子研究所，上海200092）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用微功耗的集成磁敏元件進行非接觸式測量，是傳感檢測技術(shù)的重要發(fā)展方向。針對長行程液壓缸的位移檢測，文獻[1]和文獻[2]提出了基于磁場強度測量的油缸位移測量方法。該方法采用一個線性霍爾元件，對油缸活塞桿齒槽內(nèi)的磁場強度進行測量，霍爾元件通過移位讀取絕對位置編碼。但是該方法需要模數(shù)轉(zhuǎn)化，初始運動較大一段距離后，才能讀數(shù)測量，并且按照幀重疊進行的編碼序列，不具有唯一性，這不利于編碼的標準化擴展。為解決上述問題，文獻[3]提出了一種利用磁敏元件陣列的數(shù)字式位移測試方法，在編碼識別中采用具有標識碼的間隔移位讀數(shù)方法，測量分辨率小于霍爾元件的軸間尺寸。但是，該方法的測量結(jié)果不能跨越兩個完整碼區(qū)，所以不能進行碼值的逐位糾錯。本文使用微功耗集成霍爾元件TLE4913，設(shè)計一種基于以上基礎(chǔ)的雙重糾錯編譯碼油缸，通過編碼過程的碼區(qū)填充和譯碼過程的逐位糾錯，使測量分辨率小于霍爾元件的軸間尺寸的同時，提高位移測量過程的可靠性和抗干擾能力。該方法在長行程油缸位移測量中具有很高的性價比。

1 磁敏元件的選擇

磁場檢測所用的磁敏元件主要包括半導(dǎo)體磁阻和霍爾器件，它們都可以制成集成線性器件和開關(guān)器件。當作為開關(guān)器件使用時，選擇磁敏元件則主要關(guān)心磁敏元件的體積、測試探頭的尺寸以及探頭封裝的垂直度，磁敏元件的面積與被測磁場的面積相比越小，磁場檢測的分辨率和精度越高。

如圖1所示為微功耗集成霍爾開關(guān)TLE4913，SC59-3-x貼片封裝，供電電壓2.4～5.5V，輸入電流1 μA，導(dǎo)通電流1 mA，長度和寬度均為3 mm，磁敏感區(qū)小于0.5 mm。該芯片價格便宜，內(nèi)部集成誤差補償和邏輯運算電路，抗干擾能力強，并且具有4 kV靜電保護，正常工作溫度為-40～85℃，適應(yīng)工程應(yīng)用中液壓油缸的作業(yè)環(huán)境。此外，該芯片工作電壓和功耗都很低，能夠適應(yīng)由電池直接供電的場合，如制成無線位移傳感器等。

圖1 霍爾元件TLE4913結(jié)構(gòu)原理

2 活塞桿編譯碼的設(shè)計

2.1 活塞桿編碼原理

工業(yè)工程領(lǐng)域中，長行程油缸作為執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，特別是在大型、重型設(shè)備（如大型水閘提升設(shè)備、海洋工程、工程機械等）中，使用極其普遍。采用傳統(tǒng)方法對長行程油缸進行位移測量時，必須使用大量程的位移傳感器，如拉線式傳感器、磁致伸縮傳感器等，顯然既不經(jīng)濟，安裝十分困難，并且不能進行絕對位移測量。

圖2 磁敏元件位移測試原理

根據(jù)文獻[3]所述，采用如圖2所示的非接觸式測量結(jié)構(gòu)。在被測的鐵磁性材料工作部件（即油缸活塞桿）表面加工有凹槽和凸槽，上面噴涂有非磁性材料（如陶瓷）?；魻栐凑张帕蟹较蚺c活塞桿平行安裝，當相對活塞桿運動時，能夠檢測到凹凸部位不同的磁場強度。以單位寬度為b（mm）的凹槽表示數(shù)據(jù)位“0”或填充位，以單位寬度的凸槽表示數(shù)據(jù)位“1”或標志位，凹槽或凸槽的高度均為h（mm）。標志位用兩個連續(xù)的凸槽表示，相鄰兩個數(shù)據(jù)位之間，或者數(shù)據(jù)位與標志位之間，均有一個填充位。所以，在活塞桿表面任取一個碼段，出現(xiàn)連續(xù)凸槽的一定為標志位。另外，數(shù)據(jù)位的編碼規(guī)則采用格雷碼，因為格雷碼在相鄰兩個碼值轉(zhuǎn)化時，只有一位元素發(fā)生變化，可以減少邏輯混淆和實現(xiàn)糾錯。

按照圖2所示的編碼方法，若活塞桿上每個碼段數(shù)據(jù)的位數(shù)為m，則每個碼段的長度為L=(2m+3)×b，可測量的活塞桿總長度為S=2m×(2m+3)×b。若槽寬b=2 mm，當m=6時，S=1 920 mm，當m=10時，S=47 104 mm。實際中，數(shù)據(jù)碼的位數(shù)由油缸的設(shè)計行程決定，數(shù)據(jù)碼位數(shù)每增加一位，可測量的油缸總行程將成倍增加。

霍爾元件的排列覆蓋兩個碼段，這樣在任意時刻都能讀取一個完整的碼段。磁敏元件的排列方法，在一維范圍內(nèi)受元件尺寸的限制，軸間距應(yīng)＞3 mm；在二維范圍內(nèi)受油缸軸徑的限制，徑向范圍排列以2～3組為宜。

2.2 一維霍爾陣列的譯碼

圖3 磁敏元件的一維排列結(jié)構(gòu)和滑動碼區(qū)

按照一維直線排列霍爾元件，設(shè)數(shù)據(jù)位m=6，軸間距為N=4 mm，則碼段長度為L=30 mm，覆蓋兩個碼區(qū)需要16個霍爾元件，霍爾陣列平行與活塞桿。當活塞桿從左往右運動時，霍爾陣列每次讀取16位二進制序列，如圖3（a）所示。

在X=X0時刻，霍爾陣列讀取到二進制序列為

該序列中能夠找到或補全標識碼序列，因此能夠計算初始位移

其中，D為標識碼的前置數(shù)值碼，t為標識碼右移的位數(shù)，p根據(jù)標識碼完整與否取為0或者2，具體分析參照文獻[3]。但是，上述霍爾元件陣列讀取到的二進制序列是間隔的，因此不保證具有唯一性，所以初始讀數(shù)可能出現(xiàn)錯誤譯碼。

在X=X0+b時刻，霍爾陣列讀取到二進制序列為

將兩次讀取到的二進制序列錯一位合并成32位序列，即得到一段滑動碼區(qū)

從該滑動碼區(qū)低位的某一位開始（記為k第位），總能找到兩組連續(xù)的“11”，即為標志位R，其中間的低12位部分即為數(shù)值碼（帶填充位的格雷碼，其十進制值記為D），如圖3（b）所示。因此，此時的位移

以上方法使用了滑動碼區(qū)，使測量分辨率小于霍爾陣列的軸間尺寸，所用霍爾元件較少。但是，間隔讀數(shù)所得的序列不具有唯一性，因此上電后第一次讀數(shù)可能出現(xiàn)誤讀。

2.3 二維霍爾陣列的譯碼

如圖4所示，按照二維平面排列兩組霍爾元件，PCB布線時使霍爾元件公共地在一條直線上。當活塞桿從左往右運動時，霍爾陣列每次讀取32位二進制序列，用同樣的方法判定標志位的位置，可求得活塞桿的位移l。

圖4 磁敏元件的二維排列結(jié)構(gòu)

二維排列使霍爾元件數(shù)量增加了一倍，但是每次讀數(shù)使用靜態(tài)碼區(qū)，滑動碼區(qū)僅用于填充位和格雷碼規(guī)律雙重糾錯，因此實現(xiàn)了完全絕對式帶糾錯測量。

2.4 活塞桿的測試實驗

制作一段按照圖1所示編碼規(guī)律、編碼長度S=480的活塞桿，采用如圖3所示的譯碼和糾錯方式制作傳感器電路板，譯碼芯片采用XC164CS單片機，該芯片內(nèi)置CAN控制器，能夠為傳感器建立CAN總線接口。位移測量結(jié)果通過串口發(fā)送到計算機（如圖5所示），為活塞桿勻速運動和產(chǎn)生階躍時傳感器的跟蹤曲線。

圖5 活塞桿運動測試曲線

3 結(jié)束語

利用磁敏元件絕對式編碼測量油缸位移，相對傳統(tǒng)接觸式和模擬測量方式而言，具有安裝方便、功耗低和可靠性高等特點，在長行程油缸絕對位移測量中具有良好的應(yīng)用前景。本文設(shè)計了一種使用霍爾開關(guān)TLE4913的編譯碼方案，在試制的油缸活塞桿上進行了實際測試，測試結(jié)果表明該編譯碼方案具有良好的測量精度和糾錯能力。

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