磁致伸缩液位传感器信号拾取关键技术的研究

 磁致伸缩液位传感器信号拾取关键技术的研究
作者：孙可；袁梅






     目前，国内外航空领域的燃油测量广泛使用电容式油量传感器。随着航空工业的发展，如何更精确的测量飞机燃油量称为亟需解决的问题。磁致伸缩位移及液位测量技术因其具有较高的测量精度，目前已被广泛应用与许多民用领域。磁致伸缩液位传感器的液位测量典型精度可达0.05%，其寿命、重复性、可靠西个都是其它仪表无法比拟的，而且浮子和传感器敏感元件无直接接触，使其在极恶劣的环境下也能正常工作。将该技术用于航空燃油测量中，将会大大提高燃油测量精度。经过卢纶的分析论证、实验探索、完成了信号激励、回拨拾取信号处理等模块的研究、设计、制作、组装，现在已经成功研制出磁致伸缩油量传感器的样机。本研究就是在磁致伸缩液位传感器整机设计过程当中，对其关键部分--回波信号拾取部分进行的研究和设计。

1、磁致伸缩液位传感器原理简介

       磁致伸缩液位传感器控制模块向磁致伸缩波导丝上施加激励电流脉冲；电流脉冲周围产生的磁场与浮子内置磁钢的磁场相遇，在磁致伸缩波导丝上产生磁致伸缩效应，使波导丝扭转；扭转波以一定的速度向两端传播，向传感器末端传播的应力波被阻尼器件吸收，而向激励端传播的信号被回波信号拾取部分所接受。计量出发射电流脉冲与接收到应力波的时间间隔，即可计算出浮子的位置，从而达到液位测量的目的。

       磁致伸缩液位传感器由支撑机械结构、浮子及敏感元件、激励电路模块、回波拾取装置、信号检测模块、控制通信模块6部分组成。各部分功能简介如下：

①用于支撑、连接、保护的机械结构：包括管套、连接法兰、屏蔽壳，及有一定强度的保护外壳。

②浮子及敏感元件波导丝：是传感器的主要敏感元件，能够感受浮子在波导丝长度方向上的相对位置，并将其转化成向波导丝两端传播的机械扭转波。试验中使用的波导丝的材料为一种铁镍合金。

③激励电路模块：给波导丝加上一定频率的电流脉冲，用于产生磁致伸缩效应所必须的环形磁场。

④回波拾取装置机构：是磁致伸缩传感器的核心，将波导丝上传来的扭转信号转化成便于检测的电信号。

⑤信号检测放大整形电路模块：将拾取装置机构转化的微弱电信号放大，并去除噪声干扰，获得回波信号的上升沿，以5V标准TTL脉冲的形式输出。

⑥基于单片机的控制及通信电路模块；协调各电路模块的工作，计算出机械波在丝上的传播时间，并根据获取的各种信息计算出浮子的位置，并负责与上位机的通信。

2、磁致伸缩液位传感器回波信号的产生和传输

       某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体在外磁场作用下产生机械变形的现场称为磁致伸缩效应。

       当磁致伸缩波导丝上有纵向电流脉冲通过时，沿波导丝产生脉动环形磁场，在父子处同时受到永磁体纵向磁场的作用。Ho为轴向稳恒磁场，He为脉动环形磁场，二者的合成磁场时螺旋形的。脉动的螺旋磁场导致了螺旋形的磁致伸缩应变，因而行程脉动的扭转振动。

       该扭转振动以超声波的形式向波导丝的两端传播。计量出发射电流脉冲与接收到扭转波的时间间隔，乘以这个固定速度就可以得到浮子所处的位置，由于这个过程是连续不断地，所以每当浮子移动时，其新位置就会被感知出来。

3、磁致伸缩波导丝上扭转波的检测

       磁致伸缩材料在外力作用下，引起内部发生形变，产生应力，使材料的磁化强度和磁导率发生响应的变化。这种由于应力使磁性材料性质变化的现象称为逆磁致伸缩效应。根据逆磁致伸缩效应，扭转波所到之处，波导丝的磁场强度也随之变化。因而可以通过检测磁场变化来确定脉冲扭转波到来的时间。

3.1磁致伸缩液位传感器回波拾取装置原理分析

当极化的铁磁材料发后形变时，要加大线圈感应电动势，可以采取以下措施：

增加线圈的匝数，同时考虑放大电路的要求，线圈匝数不宜过多，以免线圈阻抗过大。

增加永磁铁的磁感应强度，同时也要避免带材磁饱和。

减小永磁铁与带材间的气隙磁阻。

增加单位时间增强扭转信号的强度。

3.2磁致伸缩液位传感器回波拾取装置结构设计

       由于波导丝上传播的信号形式杂乱，如果直接检测波导丝上的磁导率变化，接收线圈的产生的信号较差，有很大的干扰噪声。以内采用了以下转换方法，波导丝上的扭转波转化为带材上的振动。带材上振动比较复杂，是一系列纵波与横波的合成。振动导致带材上应力和应变的变化。通过检测这个磁场的变化，就可以检测到扭转信号到来的时间，为了保证波导丝和带材的振动传播，两者之间必须紧密牢固的连接（如点焊），而不可以使用粘接、锡焊焊接等有填充物质的方法。

       波导丝上的扭转信号在两遍带材引起方向相反的振动，两边dS/dt符号相反，产生差模的电压信号；而传感器整体的振动，热噪声等干扰均为共模信号。由此也引入了两个监测线圈防止的问题。为了保证信号的完整差模，需要两边线圈、永磁铁参数完全一致，且相对于波导丝轴对称。

考虑两个永磁铁的方向，若方向相反，波导丝上产生纵向的磁场，当激励脉冲到来时，波导丝产生九转，并以超声波的形式向两端传播，与浮子处的扭转波向叠加，影响接收的信号质量。

       带材的振动由连接处向两端传播，在传播的过程中逐渐衰减，为了监测到较强的信号，线圈布艺距离波导丝过远；同时，为了避免波导丝上强信号的干扰和两线圈的相互影响，线圈与波导丝的距离也不能过近，具体距离可以通过实验确定。

3.3磁致伸缩液位传感器回波拾取装置输出信号

       回波拾取装置输出信号的波形图观察可知，传感器输出的波形较为清晰，失去信号包括回波信号125Hz左右（4mV左右）、很强的互感噪声信号、热噪声、而AB两路噪声为共模信号，有用回波信号为差模信号。经过差分放大，放大差模、一致共模，就可以得到很好地回波信号。

4、结束语

       分析了磁致伸缩液位传感器的工作原理，在理论分析的基础上，研究了其回波拾取部分机械结构设计的关键技术，提出设计过程中应当注意的若干位体，对磁致伸缩液位传感器的设计和实现有一定的实用价值。

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