基于磁阻传感器的非接触式位移测量

己口口g年己月 第己吕卷第己期 基于磁阻传感器的非接触式位移测量 王海霞马松龄 (西安建筑科技大学机电工程学院 西安 710054) 摘要：针对塔机起重力矩监控器中高精度、非接触式的位移测量要求，选用Honeywell公司的磁阻传感器HMCl501实现 了位移的精确测量。该磁阻传感器具有体积小，精度高，抗干扰能力强，可以实现非接触式测量的优点。并利用BP神经网络 对磁阻传感器进行非线性补偿，提高了系统的测量精度、可靠性，而且降低了成本。 关键词：磁阻式传感器；力矩监控器；位移测量；神经网络 中图分类号：TP212文献标识码：A Non。。contactdisplacementmeasurementbased onmagnetoresistiVesensor WangHaixiaMaSongling (ElectricalandMechanicalEngineeringCollege，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology．Xi’锄710054，China) Abstract：Aimingattherequirementofhigh-precisionandnon-contactdisplacementsensingintowercranetorquemoni- tors，selecteHoneywell’SHMCl501magnetoresistivesensortoachieveaccuratemeasurementofdisplacement．．The magnetoresistivesensorhasasinailsize，highprecision，anti—interferenceability，canachievenon-contactmeasurement． andtheBPneuralnetworkisusedtOcompensatethenonlinearofmagnetoresistivesensor’Soutput．Itimprovesthe system’Saccuracy，reliability，andreducescosts． Keywords：Magnetoresistivesensor；torquemonitoys；displacementmeasurement；neuralnetwork O引 言 1各向异性磁阻{AMR)传感器的工作原理 力矩信号是塔机安全监控中最重要的参数，它直 接影响塔机的安全，监控力矩是否超载是防止塔机司 机误操作及疏忽操作而引起塔机恶性事故的保障。目 前国产塔机普遍采用的是机械式力矩限制器。只能在 起重力矩达到极限值时触动限位开关达到保护作用， 不能显示起重力矩值。通过测量弓形板式力矩限制器 弓形板的位移量可以间接测出起重力矩，实现塔机起 重力矩在线监测。 位移测量的精度和稳定性直接影响起重力矩测量的 准确性。而传统的位移传感是接触式的，像直线电位计 等，接触部分经常会磨损、氧化，影响测量精度。光电式位 移传感器价格高，受环境影响大。因此本文选用磁阻位移 传感器。磁阻传感器体积小，精度高，抗干扰能力强，非接 触式测量，不会磨损，而且价格低。正在被越来越广泛地 使用‘1制。 作者简介：王海霞，硕士研究生，主要研究方向为智能仪表。 一28～ 对于强磁性金属(铁、钴、镍及其合金)，当外加磁场平 行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场而变； 当外加磁场偏离金属的内磁化方向时，金属的电阻减小， 这就是各向异性磁电阻效应。 坡莫合金薄膜的电阻率依赖于磁化强度M和电流J 方向的夹角臼，即 lD(钐=P上+(绷一n)cosZO (1) 式中㈣P和n分别是平行于M和垂直于M时的电阻率。 由于坡莫合金(Fe∞Ni80)在弱磁场下的电阻变化量较 大，因此适合于弱磁场条件下使用。 HMCl501是Honeywell公司开发的磁阻传感器，是 由磁阻合金薄膜组成的惠斯通桥电阻电路(如图1所示)。 当电阻中有电流流过时，在电桥上施加一个偏置磁场M， 这将使得两个相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向 转动，从而引起电阻阻值的增加；另外两个相对放置的电 阻的磁化方向背向电流方向转动，从而引起电阻阻值减 中国科技核心期刊 万方数据 己口口g年己月 第己吕卷第己期 小。当外部磁场的磁场强度大于80高斯时，磁场饱和，磁 阻传感器只对所加磁场的方向敏感。 外部馥场 图1惠斯通电桥 当它工作在饱和模式下，外加磁场方向变化时，4个 桥臂电阻阻值改变，电桥平衡被打破，从而产生桥路电压 输出。其中输出电压V的关系式为： y=一K×S×sin(20) (2) 式中：K为供电电压；口为外部磁场与传感器轴线之间的 夹角；S是磁阻合金薄膜的材料常数，对于HMCl501一 般取12nlv／V。 2直线位移测量的实现 用一个或多个HMCl501，一个磁钢和一套信号调理 电路就可实现位移的测量。图2所示为4个HMCl501 组成的传感器列。传感器之间的间距为12．5mm，磁钢与 传感器间距12．5mm，磁钢长度为25mm。磁钢沿轴方向 移动时，4个传感器的输出波形如图3所示。每个传感器 输出的最大值与最小值之间的区域是可利用的。图2所 能测的直线位移范围大约为50．8mm。 60 柏 图2传感器阵列 位移／mm 图3传感器列的输出波形 传感器之间的距离取决于磁钢的长度和所要求的系 统精度。 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 上，一旦磁钢的长度和磁钢与传感器阵列之 间的距离确定，每个传感器的线性输出范围也就确定了。 传感器之间的距离应该取其线性范围的一半。因为传感 器的输出是正弦函数，所以每个传感器的线性输出范围也 与要求的系统精度有关。传感器离得越近精度越高。传 感器之间的距离确定后，所需传感器的数量由测量的长度 决定。传感器数目越多，测量的位移越大。 磁钢必须为其周围的3个传感器同时提供饱和磁场， 磁力线方向可以不一致，但X—y平面的磁场强度之和应 大于80高斯。磁钢的几何尺寸，在系统设计中非常重要。 磁钢的尺寸由要求的测量范围和精确度决定。每个传感 器的可用线性范围由磁钢沿移动方向的长度确定。磁钢 长，传感器的可用线性范围增大，但灵敏度降低；磁钢短， 可用线性范围减小，但灵敏度增大。 位移的计算。首先要对每个传感器进行标定，补偿电 桥的偏移电压，测出每个传感器的输出电压峰一峰值并乘 以一个缩放因子，使它们的峰一峰值范围相同。按图3所 示确定坐标轴，X轴是位置坐标，y是电压坐标。固定好 传感器位置，使得传感器的间距是理想的，即使得相邻的 3个传感器值分别为最高、零和最低。传感器间距为 12．5mm，第一个传感器S1所在的位置是6．25l'nnl，第二 个传感器S2所在的位置是18．75mm。标定完以后，就可 进行测量。计算位移时，必须先确定磁钢的位置。当磁钢 处于某位置时。读出4个传感器的输出值，分别比较相邻 的两个传感器的输出，如果第i个传感器的输出为正，第i +1个的输出为负，那么磁钢就处于第i和i+1个传感器 的之间，这两个传感器中哪个的输出值的绝对值小，磁钢 便在哪个传感器的测量范围内。这个传感器测出的值加 上它所处的位置值就得到所要测的位移值。 按上述方法，如果要求的测量精度高，传感器间距必 须减小，比如要达到5pm的精度，传感器间距应为 2．5mm。而通常需测量的塔机弓形板式力矩限制器的弓形 板的位移量为几十毫米左右，如QTZ5012塔机弓形板的 位移量为20mm。要求的精度在0．01mm以上，则需要的 传感器数量要增加很多，不仅使电路的功耗增加，可靠性 降低，而且成本增高。所以本文使用非线性补偿的方法， 充分利用每个传感器的可用测量区域，一个传感器的测量 范围就能达到25ram，测量精度也能满足要求。测量电路 如图4所示。 中国科技核心期刊 图4位移测量电路 一29一 加 。 加 加 加 鼢 >姜碍普吾霹臻蟹挈 万方数据 3基于BP网络的非线性补偿 BP神经网络是目前人们认识最为清楚、应用最为广 泛的一类神经网络，其性能优势主要表现在非线性映射、 模式识别和特征提取等方面。BP网络能够通过若干简单 非线性处理单元的复合映射，从理论上实现从输入空间到 输出空间的非线性映射。 BP网络是典型的多层网络，分为输入层、隐层和输出 层，层与层之间采用全互连方式，同一层单元之间不存在 相互连接。如图5所示。 出 号) 信息流 图5 BP神经网络结构 本文采用一个含1个隐层的BP网络，1个输入结点， 己口口g|年己月 第己日卷第己期 1个输出结点，隐层含有5个神经元。磁阻传感器的输出 电压V作为BP网络的输入，对应的位移量作为网络的 输出。 使用MATLAB对该神经网络进行训练与仿真。训 练样本如表1所示。设置训练次数为100次，训练终止误 差0．001。并选择隐含层传输函数为双曲正切S型函数 tansig，输出层的传输函数为线性函数purelin，整个训练 经过50步即达到终止误差，训练中得训练误差变化如图6 所示。仿真曲线如图7所示。 表1训练样本 涮 魃 遂 {暑 训练步数 图6误差曲线 将表2中的测试数据代人训练好的网络进行检验。 结果如表2所示。可以看出采用BP网络得到的输出值与 实际值间的非线性误差大大减小了。 传感器输出电压，mv 图7 BP网络仿真曲线 4结束语 本文采用磁阻传感器，应用BP神经网络对传感器的 输出特性进行非线性补偿，实现了位移的高精度，非接触 式测量。在实验系统中测试效果良好，并且成本低廉、测 一30一 量精度高、完全满足起重力矩监测中位移测量的要求。 参考文献 I-11谢长宇，尹苟保．大型塔机安全监控系统的研制[J]． 建设机械技术与管理，2001：17-18． [2]贾永峰，谷立臣．基于函数型连接神经网络的塔机起 重力矩测量方法口]．建筑机械，2005，5：83-85． [3]LinearPositionSensingUsingHMCl501，Application Note210[Z]．MagneticSensor，HoneywellSSEC． [4]殷玲玲，尚群立．磁阻传感器在直线位移传感中的应 用[J]．传感技术学报，2007，28(3)：1121—1124． [5]裴轶，虞南方，刘奇，等．各向异性磁阻传感器的原理 及其应用[J]．仪表技术与传感器，2004，(8)：26—32． [6]郑然，马建仓，王超．磁阻位移传感器的设计[J]．电子 测量技术，2007，30(6)：204-207． 中国科技核心期刊 万方数据 基于磁阻传感器的非接触式位移测量 作者： 王海霞， 马松龄， Wang Haixia， Ma Songling 作者单位： 西安建筑科技大学机电工程学院,西安,710054 刊名： 国外电子测量技术 英文刊名： FOREIGN ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009，28(2) 被引用次数： 0次 参考文献(6条) 1.谢长宇.尹苟保 大型塔机安全监控系统的研制[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-建设机械技术与管理 2001 2.贾永峰.谷立臣 基于函数型连接神经网络的塔机起重力矩测量方法[期刊论文]-建筑机械 2005(05) 3.Linear Position Sensing Using HMC1501,Application Note 210 4.殷玲玲.尚群立 磁阻传感器在直线位移传感中的应用[期刊论文]-传感技术学报 2007(03) 5.裴轶.虞南方.刘奇 各向异性磁阻传感器的原理及其应用[期刊论文]-仪表技术与传感器 2004(08) 6.郑然.马建仓.王超 磁阻位移传感器的设计[期刊论文]-电子测量技术 2007(06) 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