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磁致伸縮直線位移傳感器是利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的一種非接觸式絕對(duì)位移傳感器。它有非接觸、精度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定性可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、成本適中等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、航空等行業(yè)的各種罐儲(chǔ)的液位測(cè)量系統(tǒng)中。國(guó)外量程高達(dá)18m 的磁致伸縮液位傳感器準(zhǔn)確度可達(dá)到0.025%F.S 或0.508mm，并且可以同時(shí)測(cè)量液位、界面和溫度等多個(gè)參數(shù)，形成了系列化產(chǎn)品。我國(guó)在磁致伸縮位移傳感器的研究方面與西方國(guó)家還有較大差距，但也正在進(jìn)行積極的探索，并取得了一定進(jìn)展。本文對(duì)磁致伸縮位移傳感器的關(guān)鍵電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后傳感器的性能進(jìn)行了分析。

一、磁致伸縮位移傳感器測(cè)量原理

在磁致伸縮傳感器波導(dǎo)絲的一端施加一個(gè)激勵(lì)脈沖，脈沖沿波導(dǎo)絲向前傳播時(shí)，有一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)H伴隨著激勵(lì)脈沖以光速向前傳播。當(dāng)環(huán)形磁場(chǎng)遇到浮子中的永磁體產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)時(shí)，將會(huì)使波導(dǎo)絲發(fā)生扭變并產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。該扭轉(zhuǎn)波以恒定的速率沿著波導(dǎo)絲向兩端傳播，繼續(xù)向前傳播的扭轉(zhuǎn)波被波導(dǎo)絲一端的阻尼原件吸收，向回傳播的扭轉(zhuǎn)波會(huì)傳到接受帶材上。根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)，纏繞帶材的接受線圈中的磁通量會(huì)發(fā)生變化，從而接受線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過調(diào)理電路濾波放大處理，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為計(jì)時(shí)器可以識(shí)別的電脈沖，計(jì)數(shù)器通過計(jì)算發(fā)生激勵(lì)脈沖和接受脈沖之間的時(shí)間差t來計(jì)算浮子的位置，從而得到當(dāng)前被測(cè)體的液位。

二、磁致伸縮位移傳感器的電路設(shè)計(jì)

根據(jù)磁致伸縮位移傳感器系統(tǒng)原理，由單片機(jī)(MCU) 主控制器控制脈沖發(fā)生電路發(fā)生激勵(lì)脈沖，同時(shí)計(jì)時(shí)電路開始工作，當(dāng)激勵(lì)脈沖信號(hào)遇見活動(dòng)浮子(永磁體) 時(shí)，會(huì)在波導(dǎo)絲上面發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波返回到接受裝置時(shí)，根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)，接受裝置將扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)即將感應(yīng)出感生電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路的處理得到較好的脈沖信號(hào)發(fā)送給計(jì)時(shí)電路和單片機(jī)( MCU) ，此時(shí)計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)并把數(shù)值傳給 MCU。MCU 通過計(jì)算得到被測(cè)液體的準(zhǔn)確液位，并通過LCD顯示出來、通過4mA～20mA和其他通訊方式傳送給上位機(jī)或者其他設(shè)備。

2.1 激勵(lì)脈沖電路設(shè)計(jì)激勵(lì)脈沖電路設(shè)計(jì)

MIC4425為MOSFET管IＲF2807專用的驅(qū)動(dòng)芯片。電容C31、C32連接升壓電路的輸出端，當(dāng)MOSFET管IＲF2807 不導(dǎo)通的時(shí)候，電容C31，C32充電，儲(chǔ)存電能。當(dāng)MOSFET管IＲF2807導(dǎo)通的時(shí)候，電容C31，C32 放電，電能通過 MOSFET 管 IＲF2807，線圈S－和線圈S+到電容 C31，C32 的另一端。S+點(diǎn)的信號(hào)圖，可以看到S+的脈沖信號(hào)的脈寬約為2μs，幅值約為-60V，頻率為100kHz。采用單片機(jī)處理器產(chǎn)生最原始的激勵(lì)脈沖信號(hào)，這樣電路既簡(jiǎn)單又容易控制。選擇電容－晶體二級(jí)管升壓電路來提高幅值，并增加級(jí)聯(lián)使電壓幅值達(dá)到60V，大大提高了激勵(lì)脈沖信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)擁有經(jīng)濟(jì)、不會(huì)浪費(fèi)很多電能( 低功耗) 等多種優(yōu)點(diǎn)。

2.2 回波信號(hào)拾取裝置電路設(shè)計(jì)

回波信號(hào)拾取裝置的關(guān)鍵技術(shù)是信號(hào)調(diào)理電路系統(tǒng)。由于檢測(cè)線圈接收到的信號(hào)十分微弱，并且有很多復(fù)雜的噪聲，因此計(jì)時(shí)裝置若想識(shí)別，必須將信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路才能輸送給計(jì)時(shí)裝置。因此本文設(shè)計(jì)了如下回波信號(hào)拾取裝置: 對(duì)原始的線圈檢測(cè)電信號(hào)，首先進(jìn)行一級(jí)放大，再通過頻率特性進(jìn)行濾波，再進(jìn)行二級(jí)放大，最后通過比較電路將信號(hào)進(jìn)行整形。

①一次放大和簡(jiǎn)單帶通濾波電路設(shè)計(jì),由于線圈中檢測(cè)的電信號(hào)較微弱，且為交流信號(hào)，頻率很高，所以要求放大器的增益不應(yīng)小于10 MHz，且有良好的放大特性。這里我們選用MAX4452作為放大器，其帶寬(200MHz 3dB Bandwidth) 、增益平穩(wěn)度(30MHz 0.1dB Gain Flatness) 、速率( 95V/μs SlewＲate) 等指標(biāo)都滿足信號(hào)放大的要求。放大器MAX4452只對(duì)輸入的交流信號(hào)有放大作用，其放大增益為MDS－F/L為檢測(cè)線圈，電容C3為線圈信號(hào)的儲(chǔ)能元件。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波沒有到來時(shí)，即線圈沒有檢測(cè)到交流信號(hào)時(shí)，放大器MAX4452的1腳輸出電壓只有直流分量V 。當(dāng)線圈中檢測(cè)到交()流信號(hào)時(shí)，其信號(hào)首先通過Ｒ4和C4的簡(jiǎn)單濾波，然后在通過放大器MAX4452放大輸出。這時(shí)放大器MAX4452的1腳輸出為直流分量和交流分量之和。

②帶通濾波電路設(shè)計(jì)，濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器無(wú)源ＲLC濾波器設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)，可以使電路成本很低，但無(wú)源濾波器卻不容易調(diào)整帶通的參數(shù)，且對(duì)元器件的品質(zhì)因數(shù)要求高。信號(hào)經(jīng)過無(wú)源濾波器后，經(jīng)常會(huì)有很大的幅值衰減，所以綜上選擇有源濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用專用的集成濾波芯片來實(shí)現(xiàn)。采用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是元器件容易選擇，濾波器的各項(xiàng)參數(shù)容易調(diào)節(jié)。經(jīng)過比較選擇MAX275 來設(shè)計(jì)有源濾波放大電路。MAX275組成的濾波電路，回波檢測(cè)信號(hào)的頻率大約為200kHz左右，MAX275組成的濾波電路可以防止150kHz 以下的噪聲信號(hào)通過，提高信號(hào)的質(zhì)量。

③比較整形電路設(shè)計(jì)，為了使計(jì)時(shí)裝置更好的采集信號(hào)，我們?cè)谡{(diào)理電路后端加上比較整形電路，使信號(hào)成為脈沖方波信號(hào)。這樣計(jì)時(shí)裝置就可以有效地采集到信號(hào)的上升沿或者下降沿?？蛇x擇和一級(jí)放大中同樣型號(hào)的放大器。

2.3 計(jì)時(shí)裝置電路設(shè)計(jì)

采用8位單片機(jī)和ＲLC振蕩計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)該裝置，采用PIC16F系列單片機(jī)來完成計(jì)時(shí)操作和傳感器系統(tǒng)控制邏輯處理激勵(lì)脈沖和回波信號(hào)之間發(fā)生ＲLC振蕩，用來給單片機(jī)計(jì)時(shí)裝置提供計(jì)數(shù)基準(zhǔn)；可以得出振蕩周期在50ns左右，這樣計(jì)時(shí)器影響的直接測(cè)量誤差為150 μm。

經(jīng)過對(duì)3種計(jì)時(shí)裝置的比較，最后選擇了第3種方案，采用ＲLC振蕩作為計(jì)時(shí)裝置的基準(zhǔn)時(shí)鐘，只要調(diào)節(jié)合理的ＲLC參數(shù)，就可以得到不同頻率的基準(zhǔn)時(shí)鐘。

三、結(jié) 論

在激勵(lì)脈沖發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)中，提出了一種低成本、低功耗同時(shí)又兼顧脈沖質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)方案，特別是把脈沖的幅值提高到了60V。在回波信號(hào)拾取裝置的設(shè)計(jì)中，分析了影響拾取信號(hào)的因素，實(shí)驗(yàn)確定了其中關(guān)鍵的參數(shù)。在計(jì)時(shí)裝置的設(shè)計(jì)中，提出了一種簡(jiǎn)單同時(shí)又滿足精度要求的計(jì)時(shí)方案。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明傳感器的靜態(tài)特性均能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)又有設(shè)計(jì)中低成本、低功耗、多接口等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果得到傳感器的線性度為±0.002184%，遲滯為 0.0014875%，重復(fù)性為±0.003%，這些靜態(tài)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。