基于巨磁電阻傳感器的油管轉動圈數(shù)檢測系統(tǒng)

【摘要】為了更好的實現(xiàn)對油管轉動圈數(shù)的隔離檢測，采用巨磁電阻傳感器，MSP430系列單片機以及低功耗信號處理器件組件檢測系統(tǒng)，同時在結構上采用4個巨磁電阻傳感器芯片均勻分布與內(nèi)管的方式提高系統(tǒng)的可靠性，實際使用情況表明該系統(tǒng)具有體積小，構建簡單和可靠性高等優(yōu)點。

【關鍵詞】巨磁電阻傳感器；隔離檢測；轉動圈數(shù)；低功耗

1.概述

油管的轉動過程中，需要獲知其轉動的圈數(shù)，傳統(tǒng)的方法是采用機械觸點的方式進行檢測，然后累加觸點被觸發(fā)的次數(shù)最終獲知油管轉動的圈數(shù)，但是這種方法的弊端是觸點經(jīng)過一定時間的使用后會產(chǎn)生接觸不良的現(xiàn)象，而且體積較大，不易密封。因此，常采用磁敏檢測德方式進行非接觸隔離檢測。

巨磁電阻（GMR）效應是某些合金材料的電阻比在磁場作用下急劇增大的一種特性。巨磁電阻傳感器是基于巨磁電阻效應研制而成，具有靈敏度高和良好的溫度適應性，在磁場測量領域具有廣泛的用途。相對于其他常用的磁場檢測傳感器而言，GMR傳感器能實現(xiàn)更遠距離的磁開關量檢測，因此，在開關量磁場檢測方面，GMR傳感器具有十分明顯的優(yōu)勢，本文將以東方微磁公司生產(chǎn)的VA系列巨磁電阻磁傳感器為例，介紹其特性、測試及相關應用。

2.系統(tǒng)介紹

油管內(nèi)管在轉動過程中需要檢測油管的轉動圈數(shù)，控制系統(tǒng)根據(jù)所轉動的圈數(shù)對負載系統(tǒng)進行控制。油管由內(nèi)外管組成，如圖1所示，為提高檢測的可靠性，檢測用的磁鋼嵌入外管內(nèi)，4個GMR傳感器芯片嵌入內(nèi)管內(nèi)，并做好密封，使用過程中轉動外圈，磁鋼依次轉過1號，2號，3號和4號GMR傳感器，當磁鋼第二次轉過1號GMR傳感器后，圈數(shù)記為1，依次轉動，當圈數(shù)為2時，控制系統(tǒng)給出控制信號，同時驅動顯示模塊進行狀態(tài)顯示。

4個GMR傳感器應均布在內(nèi)圈上，磁鋼應固定不動，控制板和供電系統(tǒng)在內(nèi)圈上，避免內(nèi)圈轉動造成絞線，內(nèi)圈和外圈之間距離在較大，因此，磁鋼和傳感器探頭之間的距離應盡量近，增大傳感器的感應信號幅度。同時，在系統(tǒng)設計時考慮兩個可能出現(xiàn)的問題。一是在轉動內(nèi)管過程中，有可能出現(xiàn)抖動，造成傳感器計數(shù)出現(xiàn)失誤；二是在轉動內(nèi)管過程中，操作人員在換手時，可能出現(xiàn)內(nèi)管往回轉動的情況。

3.硬件系統(tǒng)

3.1 GMR傳感器的結構

VA系列巨磁電阻磁傳感器采用惠斯通橋式結構，如圖2所示的。圖2中，R1和R3是兩個阻值一樣的電阻，可隨外界磁場的變化輸出一個差分電壓信號，R2和R4由于屏蔽層的作用不感應外界磁場的變化。

3.2 屏蔽層的作用

圖2中的R2和R4上的陰影部分是傳感器的合金屏蔽層，它有兩個作用，一是屏蔽外磁場對電阻R2和R4的影響，使其不能感應待測場的變化；二是作為一個磁通聚集器，將待測場聚集在R1和R3周圍，使傳感器輸出幅值增大，提高傳感器的靈敏度。

3.3 控制模塊

系統(tǒng)采用TI公司的430系列低功耗單片機作為數(shù)據(jù)采集處理的主處理芯片，該單片機自帶A/D采樣，休眠時功耗只有數(shù)十個uA；磁傳感器采用東方微磁公司的高靈敏度GMR傳感器，信號處理單元采用低功耗器件。原理框圖如圖3所示。

電源模塊包括DC/DC轉換單元和上電控制單元，其中DC/DC轉換單位為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3V供電，上電控制單元主要為GMR傳感器提供間歇式供電，以降低系統(tǒng)的功耗。狀態(tài)指示模塊主要為用戶提供系統(tǒng)實時的狀態(tài)提示，便于操作者對系統(tǒng)的監(jiān)控。驅動模塊主要主要根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，為外部負責提供相應的功率驅動。

4.軟件

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺是TI公司的IAR EW430，為提高軟件的可靠度，便于后續(xù)的維護，采用模塊化方式將軟件設計分為若干個模塊分別編程和調試。軟件主要由主程序，定時器中斷程序和外部觸發(fā)中斷程序組成。針對可能出現(xiàn)的抖動和反轉，主程序在設計時對每個傳感器只采樣一次信號，1號GMR傳感器采樣完成后等待2號GMR傳感器，同樣只采樣一次，以此類推，四個傳感器檢測四次信號為一圈，八次信號為兩圈，同時設定一個時間超時門限值T，兩圈的轉動沒超過時間T，繼續(xù)下一個步驟，超過了，計數(shù)清零，重新開始。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示，中斷程序省略。

5.結論

為實現(xiàn)油管轉動圈數(shù)隔離式檢測系統(tǒng)，本文利用GMR傳感器，MSP430單片機以及低功耗的信號處理芯片，搭建了相應的控制電路，實現(xiàn)了對油管轉動圈數(shù)的檢測，相對于傳統(tǒng)的接觸式檢測系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)具有構建簡單，可靠性高，體積小，使用壽命長等特點，在現(xiàn)場使用過程中具有良好的性能。

參考文獻

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