門傳感器工作原理的論文

　　對于業(yè)務進行中的特殊情況能夠做出及時、正確的響應，保證業(yè)務數(shù)據(jù)的完整性。業(yè)務規(guī)范化原則在系統(tǒng)設計的同時，也為將來的業(yè)務流程制定了較為完善的規(guī)范，具有較強的實際操作性。

　　第一篇

　　1三端式磁通門傳感器工作原理

　　三端式磁通門傳感器采用雙探頭結構，即將兩個繞有相同匝數(shù)線圈的磁通門傳感器平行對稱放置，將其并聯(lián)后一端作為激勵信號的輸入端，另一端相互連接后中間引出抽頭作為信號的輸出端.

　　主要是為了抵消由于變壓器效應產生的感應電動勢.

　　這種結構相對普通磁通門傳感器具有噪聲低、基波分量小、靈敏度高和性能好等優(yōu)點[9-10].

　　先對三端式磁通門上半軸進行分析，上半軸上磁場強度總和為外界磁場強度H0和兩個激勵線圈在磁芯軸向上產生的磁場強度He之和.

　　其中：He=He1+He2，He1=H1sinωt，He2=H2sinωt.

　　根據(jù)法拉第電磁感應定律，當磁芯遠未飽和狀態(tài)時，這時磁導率μ視為常數(shù)，產生的感應電動勢為U1=-10-8NμSωcosωt(H1+H2)，(1)式中：μ為鐵芯磁導率;S為橫截面積;N為感應線圈匝數(shù).

　　當在交流激勵的作用下，磁芯充磁達到飽和狀態(tài)，磁導率μ成為隨時間變化的一個變量，這時線圈產生的感應電動勢U1=-10-8Nμ(t)Sωcosωt(H1+H2)-10-8NS[sinωt(H1+H2)+H0]dμ(t)dt.

　　(2)同理，對于下半軸鐵心，由于下半軸激勵方向和上半軸相反，其線圈產生的感應電動勢U2=-10-8Nμ(t)Sωcosωt(H1+H2)+10-8NS[sinωt(H1+H2)-H0]dμ(t)dt.

　　(3)由于三端式磁通門傳感器結構為差分輸出，總感應電動勢為上下半軸磁芯感應電動勢之和，如式(4)U=U1+U2=-2×10-8NS×H0×dμ(t)dt，(4)式中：μ(t)為時變函數(shù)，將μ(t)傅立葉展開，代入式(4)可以得出U=-2×10-8NS×H0×(2ωμ2msin2ωt+4ωμ4msin4ωt+…).

　　(5)通過式(5)得出，三端式磁通門傳感器的輸出信號為與外界磁場變化成正比的偶次諧波，奇次諧波分量得到有效抑制.

　　2磁通門探頭結構

　　本設計中磁通門傳感器探頭采用三端式結構，即將一對高磁導率、低矯頑力的鐵芯(選取型號為1J86的坡莫合金)平行放置，其磁芯的飽和磁通為Bs=0.

　　6T，最大磁導率為100000.

　　磁芯截面積約為6mm2，假設探頭激勵電壓幅值為24V，頻率為4kHz，根據(jù)文獻[2]中公式，利用磁芯磁通達到飽和確定線圈匝數(shù)，經計算線圈匝數(shù)為149.

　　實驗中在磁芯上各繞一組匝數(shù)為150的線圈，這種結構主要是為了相互抑制由于變壓器效應而引起的感應電動勢.

　　為了使傳感器探頭具有較高的靈敏度，設計中適當加大了磁芯探頭與橫截面直徑的比值，設計的磁芯探頭長度為20mm，橫截面直徑為7.

　　5mm.

　　3系統(tǒng)設計

　　鐵磁體探測系統(tǒng)主要包括激勵電路、磁通門探頭、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、上位機幾部分，如圖2所示.

　　通過這個模塊得到的信號就是與外界磁場強度成正比的電信號.

　　3.

　　1激勵電路磁通門探頭激勵電路對系統(tǒng)的性能和測量結果有較大影響，為了提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要激勵信號在頻率、幅值、相位等方面具有較高的穩(wěn)定度.

　　設計中采用8M晶振經分頻器SN74HC4060分別輸出4kHz，8kHz的方波信號，使其分別作為激勵信號源和相敏檢波的基準信號.

　　將激勵信號源通過功率放大器和二階帶通濾波器，目的是為了得到波形穩(wěn)定的輸出信號，并且可以使磁芯處于周期性飽和狀態(tài).

　　為了減小激勵信號對探頭的干擾，在探頭前端加裝隔離變壓器.

　　3.

　　2信號調理電路磁通門信號的調理電路一般采用二次諧波法，由LC并聯(lián)諧振電路、低噪聲放大電路、帶通濾波器、積分器和反饋電路幾個環(huán)節(jié)構成.

　　由于磁通門探頭阻抗特性以電感為主，通過并聯(lián)電容使二次諧波頻率達到諧振狀態(tài).

　　探頭二次諧波信號比較微弱，在對其進行濾波前設置前置放大電路，濾波采用二階有源帶通濾波器，中心頻率為31.

　　25kHz，品質因素Q為9.

　　8，增益為15.

　　把濾波后的信號與相敏檢波的基準信號經過相敏檢波電路進行全波整流，消除基波信號和奇次諧波信號的影響，得到信號的幅度大小.

　　3.

　　3信號采集電路探測系統(tǒng)采用可編程邏輯器件EP3C10E144型FPGA作為控制芯片來控制AD，實現(xiàn)3路信號采集，將采集后的數(shù)據(jù)先存入FPGA的RAM中，對數(shù)據(jù)進行中值濾波和頻譜分析.

　　為了減少脈動的干擾，采集的信號進行中值濾波，其方法為信號采樣N次后，對其進行排序取中間值.

　　本系統(tǒng)采樣5次后排序，選取中間值作為有效值.

　　在FPGA內部對信號進行FFT運算，應用于對不同頻率的目標進行識別.

　　4實驗

　　當有鐵磁性目標在一定范圍內經過磁通門傳感器時，系統(tǒng)就會獲取目標的磁場信號.

　　當目標移動方向和傳感器敏感軸方向一致靠近傳感器時，首先測到的磁場強度是減小，而后逐漸增大;當目標與傳感器在一條線時，寄傳感器與目標距離最小時，系統(tǒng)測到的磁場強度為0;當目標繼續(xù)移動遠離傳感器時，傳感器輸出值會先增大后減小為初值，如圖3(1)所示.

　　當目標移動方向和傳感器敏感軸方向剛好相反時，信號變化方向也會變反，如圖3(2)所示.

　　實驗中選體積約為1cm3的磁鐵作為待測磁異目標，將三軸磁通門傳感安裝于試驗臺上，磁鐵先沿傳感器X軸敏感方向反向勻速移動，移動一段距離后改變運動方向，而后讀取傳感器輸出信號值，結果如圖4所示.

　　實驗結果顯示正向運動與反向運動波形對稱，與預期的變化一致.

　　5結論

　　本文設計了基于三端式磁通門傳感器的鐵磁性目標探測系統(tǒng)，系統(tǒng)能感測到鐵磁性目標的運動情況，實現(xiàn)了磁性目標的三分量測量.

　　系統(tǒng)具有功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點.

　　作者：李沅 胡冠華 李凱 吳曉華 單位：中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 北方自動控制技術研究所 北京交通運輸職業(yè)學院

　　第二篇

　　1系統(tǒng)通信

　　1.

　　1ZigBee樹簇拓撲網絡ZigBee網絡的自動動態(tài)組網功能及數(shù)據(jù)傳輸自動路由功能對實現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活機動通信。

　　圖2為ZigBee樹簇拓撲網絡，其中協(xié)調器是首個FFD(全功能設備)，路由器為FFD，終端設備為RFD(精簡功能設備)。

　　除了RFD互相之間不能通信外,其他組合均能相互通信。

　　1.

　　2ZigBee收發(fā)器圖3為典型ZigBee收發(fā)器框圖，不同ZigBee收發(fā)器的設計都必須包含匹配濾波在內的16個功能模塊。

　　采用的匹配濾波(matchedfiltering)是最佳濾波的一種，對信號的匹配濾波相當于對信號進行自相關運算。

　　采用匹配濾波器處理，可以對傳感器采集的信號中存在的工頻信號進行突顯，對其他信號或噪聲進行抑制[3]。

　　系統(tǒng)中ZigBee收發(fā)器采用的是新一代CC2530片上系統(tǒng)解決方案。

　　CC2530的內核為單周期8051兼容內核，圖4為CC2530最小系統(tǒng)設計電路原理圖，也是實際收發(fā)器模塊電路的核心電路部分。

　　圖中電阻R1、R2、R3和電容C6、C7、C8、C9、C10、C11構成匹配濾波。

　　2驅鳥終端設計

　　驅鳥終端的組成框圖如圖5所示。

　　供電模塊給終端供電，檢測模塊由多個傳感器電路組成，負責將外部環(huán)境的模擬量轉換為數(shù)值量輸入，核心控制器MSP430F169按設定要求對采集的信息做出對應處理動作，終端上的是ZigBee收發(fā)模塊實現(xiàn)近距離通信，語音模塊及超聲波模塊為系統(tǒng)輸出。

　　2.

　　1MSP430最小系統(tǒng)驅鳥終端的核心控制器采用德州儀器的MSP430F169芯片。

　　MSP430F169從結構上看，包含一個16位的精簡指令計算機CPU，多個外圍電路和一個用常見的馮諾依曼內存地址總線和內存數(shù)據(jù)總線連接的靈活時鐘系統(tǒng)。

　　低頻輔助時鐘直接由32Hz的晶振驅動，能作為后臺實時時鐘自我喚醒。

　　MSP430F169的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖6所示。

　　2.

　　2電源模塊驅鳥終端裝置安裝在電力塔桿的橫擔上，可以充分接受陽光，因此采用太陽能供電方式比較適合。

　　本模塊采用太陽能光伏發(fā)電，再由12V蓄電池存儲電能并為整個系統(tǒng)提供電能。

　　電源模塊由穩(wěn)壓、濾波電路組成，給驅鳥終端的檢測模塊和ZigBee收發(fā)模塊提供3.

　　3V輸入電壓，給語音模塊、LED模塊及超聲波模塊提供5V輸入電壓。

　　2.

　　3檢測電路設計多普勒效應指出，波在波源移向觀察者時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低[4]。

　　觀察者(Observe)r和發(fā)射源(Source)的頻率的表達式為：其中，f'為觀察到的頻率;f為發(fā)射源于該介質中的原始發(fā)射頻率;ν為波在該介質中的行進速度;νo為觀察者移動速度，若接近發(fā)射源則前方運算符號為+號,反之則為-號;νs為發(fā)射源移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為-號，反之則為+號。

　　文中采用的是微波移動物體探測器正是基于多普勒效應設計的GH-719模塊。

　　GH-719微波感應位移模塊屬于非接觸探測型模塊，抗射頻干擾能力強，不受溫度，濕度，光線，氣流，塵埃影響[5]。

　　驅鳥終端的設計除了微波感應位移模塊外，輔助有時鐘模塊與溫度模塊，可以準確地檢測到是否為白天有光情況。

　　圖7為檢測電路部分原理圖,補充加上模數(shù)轉換電路即可實現(xiàn)GH-719微波感應位移模塊的數(shù)字信號輸出功能。

　　2.

　　4ISD1820P語音錄放模塊語音模塊在動作時篩選出對應鳥類的天敵的聲音進行驅鳥。

　　語音芯片采用ISD1820P，內含振蕩器、語音話筒前置放大、自動增益控制、防混淆濾波器、揚聲器驅動及Flash陣列。

　　外接電阻能調整錄放音時間，還可以借助專用設備批量拷貝語音信息，不耗電，信息可以保存很長時間(大約100年)。

　　考慮到可靠性和市場的普及性，通過對各種無線傳輸模塊的比較后選擇ISD1820P芯片，它能方便的實現(xiàn)語音的錄音，用戶可以方便地對驅鳥有明顯效果的語音進行錄音，并能通過微控制模塊控制語音芯片播放錄音。

　　其電路如圖8所示。

　　3系統(tǒng)軟件設計

　　驅鳥終端通過微波位移感應傳感器采集鳥飛臨電力桿塔橫擔附近的位移信號，經過放大濾波電路處理系統(tǒng)啟動后，先初始化系統(tǒng)的各個硬件模塊，由軟件實現(xiàn)驅鳥方式的選擇，判斷測量值是否滿足預設值，若滿足按流程驅鳥，不滿足則代表沒有鳥飛臨桿塔的橫擔附近則進入休眠的低耗能狀態(tài)。

　　檢測是否有鳥到來便開啟天敵聲驅鳥，若同時檢測到無太陽光或星辰光，根據(jù)鳥類視覺定向的特點，開啟LED陣列驅鳥。

　　過一段時間后，是否還能檢測到鳥，若不能則系統(tǒng)進入休眠狀態(tài);若能則改為超聲波驅鳥，同時采集鳥類鳴叫聲音，利用ZigBee無線近距離傳輸、無線遠程傳輸發(fā)送有故障桿塔位置、具體時間、光照強度等信息，以便監(jiān)控中心觀察記錄。

　　圖9為系統(tǒng)的軟件設計流程圖。

　　4結語

　　本文所設計的系統(tǒng)著眼于電力系統(tǒng)輸電線路管理的結構優(yōu)化及安全性的重要性，通過ZigBee無線近距離傳輸和GPRS無線遠程傳輸對采集信息及時有效地傳輸，對飛臨電力桿塔橫擔附近的鳥類錄制其聲音并對應發(fā)出其天敵的聲音進行驅趕，

　　而當該系統(tǒng)對天敵聲音失效下情況下，發(fā)出超聲波達到相同效果，監(jiān)控中心收集實時運行狀態(tài)，可以更及時，更高效維護驅鳥裝置，省時省力，大大的降低了定期排查的人力成本，預留的I/O口可以滿足后期擴展和開發(fā)的需要。

　　作者：彭龑 戴毓虎 單位：四川理工學院 自動化與電子信息學院

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