基于巨磁電阻傳感器的油管轉動圈數檢測系統

【摘要】為了更好的實現對油管轉動圈數的隔離檢測，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，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管的方式提高系統的可靠性，實際使用情況表明該系統具有體積小，構建簡單和可靠性高等優點。

【關鍵詞】巨磁電阻傳感器；隔離檢測；轉動圈數；低功耗

1.概述

油管的轉動過程中，需要獲知其轉動的圈數，傳統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的次數最終獲知油管轉動的圈數，但是這種方法的弊端是觸點經過一定時間的使用后會產生接觸不良的現象，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勢，本文將以東方微磁公司生產的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.系統介紹

油管內管在轉動過程中需要檢測油管的轉動圈數，控制系統根據所轉動的圈數對負載系統進行控制。油管由內外管組成，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，4個GMR傳感器芯片嵌入內管內，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，圈數記為1，依次轉動，當圈數為2時，控制系統給出控制信號，同時驅動顯示模塊進行狀態顯示。

4個GMR傳感器應均布在內圈上，磁鋼應固定不動，控制板和供電系統在內圈上，避免內圈轉動造成絞線，內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，在系統設計時考慮兩個可能出現的問題。一是在轉動內管過程中，有可能出現抖動，造成傳感器計數出現失誤；二是在轉動內管過程中，操作人員在換手時，可能出現內管往回轉動的情況。

3.硬件系統

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

系統采用TI公司的430系列低功耗單片機作為數據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轉換單位為系統提供穩定的3V供電，上電控制單元主要為GMR傳感器提供間歇式供電，以降低系統的功耗。狀態指示模塊主要為用戶提供系統實時的狀態提示，便于操作者對系統的監控。驅動模塊主要主要根據系統的控制要求，為外部負責提供相應的功率驅動。

4.軟件

系統軟件開發平臺是TI公司的IAR EW430，為提高軟件的可靠度，便于后續的維護，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中斷程序組成。針對可能出現的抖動和反轉，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，繼續下一個步驟，超過了，計數清零，重新開始?？刂葡到y主程序流程圖如圖4所示，中斷程序省略。

5.結論

為實現油管轉動圈數隔離式檢測系統，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，實現了對油管轉動圈數的檢測，相對于傳統的接觸式檢測系統而言，該系統具有構建簡單，可靠性高，體積小，使用壽命長等特點，在現場使用過程中具有良好的性能。

參考文獻

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