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門傳感器工作原理的論文
對(duì)于業(yè)務(wù)進(jìn)行中的特殊情況能夠做出及時(shí)、正確的響應(yīng)，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的完整性。業(yè)務(wù)規(guī)范化原則在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，也為將來(lái)的業(yè)務(wù)流程制定了較為完善的規(guī)范，具有較強(qiáng)的實(shí)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(jié)構(gòu)，即將兩個(gè)繞有相同匝數(shù)線圈的磁通門傳感器平行對(duì)稱放置，將其并聯(lián)后一端作為激勵(lì)信號(hào)的輸入端，另一端相互連接后中間引出抽頭作為信號(hào)的輸出端.
主要是為了抵消由于變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).
這種結(jié)構(gòu)相對(duì)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(diǎn)[9-10].
先對(duì)三端式磁通門上半軸進(jìn)行分析，上半軸上磁場(chǎng)強(qiáng)度總和為外界磁場(chǎng)強(qiáng)度H0和兩個(gè)激勵(lì)線圈在磁芯軸向上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度He之和.
其中：He=He1+He2，He1=H1sinωt，He2=H2sinωt.
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁芯遠(yuǎn)未飽和狀態(tài)時(shí)，這時(shí)磁導(dǎo)率μ視為常數(shù)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為U1=-10-8NμSωcosωt(H1+H2)，(1)式中：μ為鐵芯磁導(dǎo)率;S為橫截面積;N為感應(yīng)線圈匝數(shù).
當(dāng)在交流激勵(lì)的作用下，磁芯充磁達(dá)到飽和狀態(tài)，磁導(dǎo)率μ成為隨時(shí)間變化的一個(gè)變量，這時(shí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U1=-10-8Nμ(t)Sωcosωt(H1+H2)-10-8NS[sinωt(H1+H2)+H0]dμ(t)dt.
(2)同理，對(duì)于下半軸鐵心，由于下半軸激勵(lì)方向和上半軸相反，其線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(jié)構(gòu)為差分輸出，總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為上下半軸磁芯感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和，如式(4)U=U1+U2=-2×10-8NS×H0×dμ(t)dt，(4)式中：μ(t)為時(shí)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(guò)式(5)得出，三端式磁通門傳感器的輸出信號(hào)為與外界磁場(chǎng)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(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)中磁通門傳感器探頭采用三端式結(jié)構(gòu)，即將一對(duì)高磁導(dǎo)率、低矯頑力的鐵芯(選取型號(hào)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(dǎo)率為100000.
磁芯截面積約為6mm2，假設(shè)探頭激勵(lì)電壓幅值為24V，頻率為4kHz，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中公式，利用磁芯磁通達(dá)到飽和確定線圈匝數(shù)，經(jīng)計(jì)算線圈匝數(shù)為149.
實(shí)驗(yàn)中在磁芯上各繞一組匝數(shù)為150的線圈，這種結(jié)構(gòu)主要是為了相互抑制由于變壓器效應(yīng)而引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).
為了使傳感器探頭具有較高的靈敏度，設(shè)計(jì)中適當(dāng)加大了磁芯探頭與橫截面直徑的比值，設(shè)計(jì)的磁芯探頭長(zhǎng)度為20mm，橫截面直徑為7.
5mm.
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
鐵磁體探測(cè)系統(tǒng)主要包括激勵(lì)電路、磁通門探頭、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、上位機(jī)幾部分，如圖2所示.
通過(guò)這個(gè)模塊得到的信號(hào)就是與外界磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電信號(hào).
3.
1激勵(lì)電路磁通門探頭激勵(lì)電路對(duì)系統(tǒng)的性能和測(cè)量結(jié)果有較大影響，為了提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要激勵(lì)信號(hào)在頻率、幅值、相位等方面具有較高的穩(wěn)定度.
設(shè)計(jì)中采用8M晶振經(jīng)分頻器SN74HC4060分別輸出4kHz，8kHz的方波信號(hào)，使其分別作為激勵(lì)信號(hào)源和相敏檢波的基準(zhǔn)信號(hào).
將激勵(lì)信號(hào)源通過(guò)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(hào)，并且可以使磁芯處于周期性飽和狀態(tài).
為了減小激勵(lì)信號(hào)對(duì)探頭的干擾，在探頭前端加裝隔離變壓器.
3.
2信號(hào)調(diào)理電路磁通門信號(hào)的調(diào)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(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成.
由于磁通門探頭阻抗特性以電感為主，通過(guò)并聯(lián)電容使二次諧波頻率達(dá)到諧振狀態(tài).
探頭二次諧波信號(hào)比較微弱，在對(duì)其進(jìn)行濾波前設(shè)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(zhì)因素Q為9.
8，增益為15.
把濾波后的信號(hào)與相敏檢波的基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)相敏檢波電路進(jìn)行全波整流，消除基波信號(hào)和奇次諧波信號(hào)的影響，得到信號(hào)的幅度大小.
3.
3信號(hào)采集電路探測(cè)系統(tǒng)采用可編程邏輯器件EP3C10E144型FPGA作為控制芯片來(lái)控制AD，實(shí)現(xiàn)3路信號(hào)采集，將采集后的數(shù)據(jù)先存入FPGA的RAM中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波和頻譜分析.
為了減少脈動(dòng)的干擾，采集的信號(hào)進(jìn)行中值濾波，其方法為信號(hào)采樣N次后，對(duì)其進(jìn)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(nèi)部對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，應(yīng)用于對(duì)不同頻率的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別.
4實(shí)驗(yàn)
當(dāng)有鐵磁性目標(biāo)在一定范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)磁通門傳感器時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)獲取目標(biāo)的磁場(chǎng)信號(hào).
當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)方向和傳感器敏感軸方向一致靠近傳感器時(shí)，首先測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度是減小，而后逐漸增大;當(dāng)目標(biāo)與傳感器在一條線時(shí)，寄傳感器與目標(biāo)距離最小時(shí)，系統(tǒng)測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0;當(dāng)目標(biāo)繼續(xù)移動(dòng)遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，傳感器輸出值會(huì)先增大后減小為初值，如圖3(1)所示.
當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)方向和傳感器敏感軸方向剛好相反時(shí)，信號(hào)變化方向也會(huì)變反，如圖3(2)所示.
實(shí)驗(yàn)中選體積約為1cm3的磁鐵作為待測(cè)磁異目標(biāo)，將三軸磁通門傳感安裝于試驗(yàn)臺(tái)上，磁鐵先沿傳感器X軸敏感方向反向勻速移動(dòng)，移動(dòng)一段距離后改變運(yùn)動(dòng)方向，而后讀取傳感器輸出信號(hào)值，結(jié)果如圖4所示.
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示正向運(yùn)動(dòng)與反向運(yùn)動(dòng)波形對(duì)稱，與預(yù)期的變化一致.
5結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了基于三端式磁通門傳感器的鐵磁性目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)能感測(cè)到鐵磁性目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)了磁性目標(biāo)的三分量測(cè)量.
系統(tǒng)具有功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn).
作者：李沅 胡冠華 李凱 吳曉華 單位：中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院
第二篇
1系統(tǒng)通信
1.
1ZigBee樹簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能及數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)路由功能對(duì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活機(jī)動(dòng)通信。
圖2為ZigBee樹簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，其中協(xié)調(diào)器是首個(gè)FFD(全功能設(shè)備)，路由器為FFD，終端設(shè)備為RFD(精簡(jiǎn)功能設(shè)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(shè)計(jì)都必須包含匹配濾波在內(nèi)的16個(gè)功能模塊。
采用的匹配濾波(matchedfiltering)是最佳濾波的一種，對(duì)信號(hào)的匹配濾波相當(dāng)于對(duì)信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算。
采用匹配濾波器處理，可以對(duì)傳感器采集的信號(hào)中存在的工頻信號(hào)進(jìn)行突顯，對(duì)其他信號(hào)或噪聲進(jìn)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(nèi)核為單周期8051兼容內(nèi)核，圖4為CC2530最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路原理圖，也是實(shí)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(gòu)成匹配濾波。
2驅(qū)鳥終端設(shè)計(jì)
驅(qū)鳥終端的組成框圖如圖5所示。
供電模塊給終端供電，檢測(cè)模塊由多個(gè)傳感器電路組成，負(fù)責(zé)將外部環(huán)境的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)值量輸入，核心控制器MSP430F169按設(shè)定要求對(duì)采集的信息做出對(duì)應(yīng)處理動(dòng)作，終端上的是ZigBee收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)近距離通信，語(yǔ)音模塊及超聲波模塊為系統(tǒng)輸出。
2.
1MSP430最小系統(tǒng)驅(qū)鳥終端的核心控制器采用德州儀器的MSP430F169芯片。
MSP430F169從結(jié)構(gòu)上看，包含一個(gè)16位的精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)CPU，多個(gè)外圍電路和一個(gè)用常見的馮諾依曼內(nèi)存地址總線和內(nèi)存數(shù)據(jù)總線連接的靈活時(shí)鐘系統(tǒng)。
低頻輔助時(shí)鐘直接由32Hz的晶振驅(qū)動(dòng)，能作為后臺(tái)實(shí)時(shí)時(shí)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(qū)鳥終端裝置安裝在電力塔桿的橫擔(dān)上，可以充分接受陽(yáng)光，因此采用太陽(yáng)能供電方式比較適合。
本模塊采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，再由12V蓄電池存儲(chǔ)電能并為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。
電源模塊由穩(wěn)壓、濾波電路組成，給驅(qū)鳥終端的檢測(cè)模塊和ZigBee收發(fā)模塊提供3.
3V輸入電壓，給語(yǔ)音模塊、LED模塊及超聲波模塊提供5V輸入電壓。
2.
3檢測(cè)電路設(shè)計(jì)多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低[4]。
觀察者(Observe)r和發(fā)射源(Source)的頻率的表達(dá)式為：其中，f'為觀察到的頻率;f為發(fā)射源于該介質(zhì)中的原始發(fā)射頻率;ν為波在該介質(zhì)中的行進(jìn)速度;νo為觀察者移動(dòng)速度，若接近發(fā)射源則前方運(yùn)算符號(hào)為+號(hào),反之則為-號(hào);νs為發(fā)射源移動(dòng)速度，若接近觀察者則前方運(yùn)算符號(hào)為-號(hào)，反之則為+號(hào)。
文中采用的是微波移動(dòng)物體探測(cè)器正是基于多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)的GH-719模塊。
GH-719微波感應(yīng)位移模塊屬于非接觸探測(cè)型模塊，抗射頻干擾能力強(qiáng)，不受溫度，濕度，光線，氣流，塵埃影響[5]。
驅(qū)鳥終端的設(shè)計(jì)除了微波感應(yīng)位移模塊外，輔助有時(shí)鐘模塊與溫度模塊，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到是否為白天有光情況。
圖7為檢測(cè)電路部分原理圖,補(bǔ)充加上模數(shù)轉(zhuǎn)換電路即可實(shí)現(xiàn)GH-719微波感應(yīng)位移模塊的數(shù)字信號(hào)輸出功能。
2.
4ISD1820P語(yǔ)音錄放模塊語(yǔ)音模塊在動(dòng)作時(shí)篩選出對(duì)應(yīng)鳥類的天敵的聲音進(jìn)行驅(qū)鳥。
語(yǔ)音芯片采用ISD1820P，內(nèi)含振蕩器、語(yǔ)音話筒前置放大、自動(dòng)增益控制、防混淆濾波器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及Flash陣列。
外接電阻能調(diào)整錄放音時(shí)間，還可以借助專用設(shè)備批量拷貝語(yǔ)音信息，不耗電，信息可以保存很長(zhǎng)時(shí)間(大約100年)。
考慮到可靠性和市場(chǎng)的普及性，通過(guò)對(duì)各種無(wú)線傳輸模塊的比較后選擇ISD1820P芯片，它能方便的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的錄音，用戶可以方便地對(duì)驅(qū)鳥有明顯效果的語(yǔ)音進(jìn)行錄音，并能通過(guò)微控制模塊控制語(yǔ)音芯片播放錄音。
其電路如圖8所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
驅(qū)鳥終端通過(guò)微波位移感應(yīng)傳感器采集鳥飛臨電力桿塔橫擔(dān)附近的位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波電路處理系統(tǒng)啟動(dòng)后，先初始化系統(tǒng)的各個(gè)硬件模塊，由軟件實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥方式的選擇，判斷測(cè)量值是否滿足預(yù)設(shè)值，若滿足按流程驅(qū)鳥，不滿足則代表沒(méi)有鳥飛臨桿塔的橫擔(dān)附近則進(jìn)入休眠的低耗能狀態(tài)。
檢測(cè)是否有鳥到來(lái)便開啟天敵聲驅(qū)鳥，若同時(shí)檢測(cè)到無(wú)太陽(yáng)光或星辰光，根據(jù)鳥類視覺(jué)定向的特點(diǎn)，開啟LED陣列驅(qū)鳥。
過(guò)一段時(shí)間后，是否還能檢測(cè)到鳥，若不能則系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài);若能則改為超聲波驅(qū)鳥，同時(shí)采集鳥類鳴叫聲音，利用ZigBee無(wú)線近距離傳輸、無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸發(fā)送有故障桿塔位置、具體時(shí)間、光照強(qiáng)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(shè)計(jì)流程圖。
4結(jié)語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)著眼于電力系統(tǒng)輸電線路管理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及安全性的重要性，通過(guò)ZigBee無(wú)線近距離傳輸和GPRS無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸對(duì)采集信息及時(shí)有效地傳輸，對(duì)飛臨電力桿塔橫擔(dān)附近的鳥類錄制其聲音并對(duì)應(yīng)發(fā)出其天敵的聲音進(jìn)行驅(qū)趕，
而當(dāng)該系統(tǒng)對(duì)天敵聲音失效下情況下，發(fā)出超聲波達(dá)到相同效果，監(jiān)控中心收集實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，可以更及時(shí)，更高效維護(hù)驅(qū)鳥裝置，省時(shí)省力，大大的降低了定期排查的人力成本，預(yù)留的I/O口可以滿足后期擴(kuò)展和開發(fā)的需要。
作者：彭龑 戴毓虎 單位：四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院
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