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一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2021-01-08 08:33

  

       磁致伸缩直线位移传感器是利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现位移测量的一种非接触式绝对位移传感器。它有非接触、精度高、重复性好、稳定性可靠、环境适应能力强、成本适中等众多优点,被广泛应用于石油、化工、水利、航空等行业的各种罐储的液位测量系统中。国外量程高达 18 m 的磁致伸缩液位传感器准确度可达到 0. 025% FS或 0.508 mm,并且可以同时测量液位、界面和温度等多个参数,形成了系列化产品。我国在磁致伸缩位移传感器的研究方面与西方国家还有较大差距,但也正在进行积极的探索,并取得了一定进展。本文对磁致伸缩位移传感器的关键电路进行了优化设计,并对优化后传感器的性能进行了分析。
1 磁致伸缩位移传感器测量原理
        在磁致伸缩液位传感器波导丝的一端施加一个激励脉冲,脉冲沿波导丝向前传播时,有一个环形磁场 H 伴随着激励脉冲以光速向前传播。当环形磁场遇到浮子中的永磁体产生的纵向磁场时,将会使波导丝发生扭变并产生扭转波。该扭转波以恒定的速率沿着波导丝向两端传播,继续向前传播的扭转波被波导丝一端的阻尼原件吸收,向回传播的扭转波会传到接受带材上。根据磁致伸缩逆效应,缠绕带材的接受线圈中的磁通量会发生变化,从而接受线圈中会产生感应电动势。通过调理电路滤波放大处理,将产生感应电动势转换为计时器可以识别的电脉冲,计数器通过计算发生激励脉冲和接受脉冲之间的时间差 t 来计算浮子的位置,从而得到当前被测体的液位。
2 磁致伸缩位移传感器的电路设计
       磁致伸缩位移传感器系统原理是由单片机( MCU) 主控制器控制脉冲发生电路发生激励脉冲,同时计时电路开始工作,当激励脉冲信号遇见活动浮子( 永磁体) 时,会在波导丝上面发生磁致伸缩效应,产生扭转波。当扭转波返回到接受装置时,根据磁致伸缩逆效应,接受装置将扭转波转化为电信号即将感应出感生电动势,经过信号调理电路的处理得到较好的脉冲信号发送给计时电路和单片机( MCU) ,此时计时电路停止计时并把数值传给MCU。MCU 通过计算得到被测液体的准确液位,并通过 LCD 显示出来、通过 4 mA ~ 20 mA 和其他通讯方式传送给上位机或者其他设备。
2.1激励脉冲电路设计
        MIC4425 为 MOSFET 管 IRF2807 专用的驱动芯片。电容 C31、C32 连接升压电路的输出端,当 MOSFET 管 IRF2807 不导通的时候,电容C31,C32 充电,储存电能。当 MOSFET 管 IRF2807导通的时候,电容 C31,C32 放电,电能通过 MOSFET管 IRF2807,线圈 S-和线圈 S+到电容 C31,C32 的另一端。图 4 为 S+点的信号图,可以看到 S+的脉冲信号的脉宽约为 2 μs,幅 值 约 为 - 60 V,频 率为 100 kHz。采用单片机处理器产生最原始的激励脉冲信号,这样电路既简单又容易控制。选择电容-晶体二级管升压电路来提高幅值,并增加级联使电压幅值达到 60 V,大大提高了激励脉冲信号的质量,同时拥有经济、不会浪费很多电能( 低功耗) 等多种优点。
磁致伸缩直线位移传感器
2.2回波信号拾取装置电路设计
       回波信号拾取装置的关键技术是信号调理电路系统。由于检测线圈接收到的信号十分微弱,并且有很多复杂的噪声,因此计时装置若想识别,必须将信号通过信号调理电路才能输送给计时装置。因此本文设计了如下回波信号拾取装置: 对原始的线圈检测电信号,首先进行一级放大,再通过频率特性进行滤波,再进行二级放大,最后通过比较电路将信号进行整形。
2.2.1 一次放大和简单带通滤波电路设计
       由于线圈中检测的电信号较微弱,且为交流信号,频率很高,所以要求放大器的增益不应小于10 MHz,且有良好的放大特性。这里我们选用 MAX4452 作为放大器,其带宽( 200 MHz 3 dB Bandwidth) 、增益平稳度( 30 MHz 0.1 dB Gain Flatness) 、速率( 95 V/μs SlewRate) 等指标都满足信号放大的要求。
2.2.2带通滤波电路设计
       滤波器分为有源滤波器和无源滤波器。无源 RLC 滤波器设计电路实现,可以使电路成本很低,但无源滤波器却不容易调整带通的参数,且对元器件的品质因数要求高。信号经过无源滤波器后,经常会有很大的幅值衰减,所以综上选择有源滤波器进行设计。
        本设计采用专用的集成滤波芯片来实现。采用这种方案的优点是元器件容易选择,滤波器的各项参数容易调节。经过比较选择 AX275 来设计有源滤波放大电路。 MAX275 组成的滤波电路,回波检测信号的频率大约为 200 kHz 左右,MAX275组成的滤波电路可以防止 150 kHz 以下的噪声信号通过,提高信号的质量。
2.2.3比较整形电路设计
       为了使计时装置更好的采集信号,我们在调理电路后端加上比较整形电路,使信号成为脉冲方波信号。这样计时装置就可以有效地采集到信号的上升沿或者下降沿。本文选择和一级放大中同样型号的放大器。
2.3计时装置电路设计
        采用 8 位单片机和 RLC 振荡计时电路设计该装置,采用 PIC16F 系列单片机来完成计时操作和传感器系统控制逻辑处理。
        S_BACK 点信号采集图,下降沿为激励脉冲信号起始时间,上升沿为回波信号接受时间; 图 12 中曲线 b 是 RC0 /TIME 点的信号采集图,激励脉冲和回波信号之间发生 RLC 振荡,用来给单片机计时装置提供计数基准; 图 12 中曲线 c 是 RLC 振荡周期放大采集图,从图中可以看出振荡周期在 50 ns 左右,这样计时器影响的直接测量误差为 150 μm。
        经过对 3 种计时装置的比较,最后选择了第 3 种方案,采用 RLC 振荡作为计时装置的基准时钟,只要调节合理的 RLC 参数,就可以得到不同频率的基准时钟。
3、实验结果
        为了获得磁致伸缩位移传感器的性能指标如线性度、迟滞性、重复性等,对磁致伸缩位移传感器进行标定系统实验。通过 LABVIEW 完成测量标定实验上位机 PC 程序设计开发。通过采集可以记录该位移点的位移值和传感器计数器的值,并对数据进行曲线拟合。
        在 0 ~ 100 cm 量程范围内,平均设定 9 个点进行记录,根据实验数据绘出曲线如图 14 所示。从实验数据看出,磁致伸缩位移传感器在线性度、迟滞性、重复性方面都有很好的表现。
4、结束语
        在激励脉冲发生装置的设计中,提出了一种低成本、低功耗同时又兼顾脉冲质量的实现方案,特别是把脉冲的幅值提高到了 60 V。在回波信号拾取装置的设计中,分析了影响拾取信号的因素,实验确定了其中关键的参数。在计时装置的设计中,提出了一种简单同时又满足精度要求的计时方案。实验分析结果表明传感器的静态特性均能达到了设计的要求,同时又有设计中低成本、低功耗、多接口等优点。实验分析结果得到传感器的线性度为±0. 002184%,迟滞为 0. 0014875%,重复性为±0. 003%,这些静态指标均能达到设计的要求。
 


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