磁致伸缩液位传感器双检测线圈温度补偿与噪声抑制

磁致伸缩液位传感器双检测线圈温度补偿与噪声抑制

作者：孙英；郑岩；翁玲；刘非；




       磁致伸缩液位传感器是一种非接触式绝对位置测量的传感器，可以应用于许多恶劣的工业环境中。近年来，国内外学者主要在材料测试、信号分析、结构设计和系统模型等方面对于磁致伸缩液位传感器进行研究，旨在提高测量精度，改善传感器性能。对于噪声信号和温度影响的研究是提高测量精度不可或缺的部分。

       当脉冲电流激励沿波导丝经过检测线圈位置时，线圈中会产生很大的感应电压，形成脉冲电流噪声。此噪声信号幅值波动大，降低了输出信号的信噪比，极易引起计时器误动作，干扰了电路的正常工作。因此，需要抑制脉冲电流噪声，提高信噪比。为此，有学者在降低噪声方面进行了研究。

       磁致伸缩液位传感器的扭转波传播速度受温度的影响。当环境温度变化时，传感器测量误差会因为扭转波速度的改变而增大。为了减小温度对测量结果的影响，国内外学者对于温度补偿的方法进行了许多研究。

       通过总结了温度对晶振频率、回波速度和液体密度的影响，提出了一种双辅助磁性浮子法来进行温度补偿，但减小了有效测量量程；辽宁工程技术大学的毛君等人提出通过基于最小二乘法的多次拟合方法对其进行温度补偿。确定了四次拟合曲线为最佳拟合曲线，测量精度有明显提高。但曲线拟合需要进行大量实验工作，工作量大。

       在对传感器输出信号的研究过程中，在抑制噪声的同时往往会存在抑制能力不足或干扰有效信号等问题。对于温度的补偿研究也应避免干扰输出信号、减小有效量程或增加工作量等问题。为此需要继续对传感器的结构优化进行研究。为了进一步达到温度补偿和噪声抑制的目的，本文设计了一种反向串联的双检测线圈结构。将两个线圈反向串联，可抑制脉冲电流噪声，提高信噪比，同时也可以校正扭转波传播速度，补偿温度对测量结果的影响。

1、温度与噪声对单线圈传感器影响

1.1单检测线圈传感器工作原理

       脉冲电流经过浮子位置时，电流产生的激励磁场与浮子产生的偏置磁场叠加形成螺旋磁场。根据磁致伸缩效应，波导丝在螺旋磁场的作用下发生扭转变形，扭转波沿波导丝向两端传播。当扭转波传播到检测线圈位置处时，检测线圈感应到波导丝扭转形变引起的磁场变化（磁致伸缩逆效应）产生感应电压。信号处理电路根据扭转波传播时间与传播速度计算得到浮子位置，即液位高度。

1.2温度对测量结果的影响

       当温度变化时，在进行液位高度计算就会产生较大的误差。若想达到高精度测量，需要进行温度补偿，得到更精确的扭转波传播速度。

1.3噪声对输出信号的影响

       经过实验测试，可以得到单检测线圈的液位传感器输出电压实验波形可以看出，输出的扭转波信号主要受到脉冲电流噪声、反射波噪声、剩磁与环境噪声等信号的影响。其中，扭转波信号下半部分为传感器有效信号，其幅值在120mV右。脉冲电流噪声下半部分幅值在1500mV左右。

传感器输出信号中，噪声信号明显大于扭转波信号。也就是说，脉冲电流噪声为输出电压信号的主要部分。脉冲电流噪声幅值波动较大，会降低输出信号的信噪比，不利于信号处理电路的正常工作。但是，传统的电路滤波并不能消除在输出信号中占主要部分的脉冲电流噪声。因此，消除脉冲电流噪声需要对传感器结构进行调整。

       可见，单检测线圈结构的液位传感器存在测量结果受温度影响和脉冲电流噪声较大等问题，需要对温度进行补偿和抑制脉冲电流噪声。为此，针对单检测线圈液位传感器存在的问题，本文采用了一种将两个检测线圈反向串联的双检测线圈结构。

2、双检测线圈结构设计

       在单线圈液位传感器的基础上，在传感器右端增加了一个2号检测线圈。检测线圈1和2进行反向串联，其输出信号送往信号处理电路。传感器左端为首端，即容器顶部；传感器右端为末端，即容器底部。

2.1消除温度的影响

       在一定温度下，扭转波传播速度v 保持不变。无论浮子在什么位置，t1和t2之和为一个定值。当波导丝长度1确定时，能够快速求解出此时扭转波的传播速度ｖ。液位高度L的求解中消除了速度项v，不需要在后续计算中对扭转波速度做温度补偿，避免了温度对测量结

果的影响。

       液位高度L 与波导丝长度ｌ 的比值等于扭转波传播到2号检测线圈的时间t2与扭转波传播总时间t1+t2的比值。也就是说，当浮子位置保持不变时，时间t2与总时间t1＋t2的比值不会受温度影响，其比值保持不变。

2.2降低脉冲电流噪声

       1、2号检测线圈分别输出的脉冲电流噪声波形可以看出，由于电流在波导丝中的传播速度非常快，当电流经过两个检测线圈位置时，可以看作在两个线圈中同时产生感应电压。如果1、2号检测线圈结构完全相同，在1、2号检测线圈中产生的脉冲电流噪声也相同。将两个线圈反向串联，可将脉冲电流噪声信号抵消。

       但是，由于人工制作，线圈参数差异较大，两个检测线圈形成的感应电压波形在波动频率与幅值方面都存在较大差距，这将导致噪声信号无法完全抵消。为了消除脉冲电流噪声，需要采用两个规格相同的线圈，以使两个检测线圈输出的脉冲电流噪声电压波形更为接近。

3、实验结果与分析

       为了验证双检测线圈结构的可行性，本文采用课题组搭建的磁致伸缩液位传感器实验测试平台进行了一系列实验验证。本次实验中采用直径0.5mm、长度600mm的Fe+Ga磁致伸缩材料作为波导丝，TFG6920A型信号发生器作为脉冲电源输出，DP03014型四通道示波器作为检测信号的采集显示装置。

3.1双检测线圈测量结果分析

       上述分析表明，双检测线圈结构可以补偿温度的影响，矫正扭转波的传播速度。在波导丝长度已知的前提下，扭转波传播速度可根据t1和t2之和求解。在100℃、50℃、20 ℃条件下，t1、t2随浮子位置的变化情况。由实验数据表明，在温度恒定的情况下，t1、t2时间之和基本保持不变，与浮子位置无关。当浮子位置不变时，时间t2的比值基本保持与t1+t2不变，不受温度的影响。时间t2与t1+t2的比值不变，则浮子位置的计算值保持不变。在100℃、50℃、20 ℃时，t1、t2时间之和分别为228.01s、226002s和223.90s。

       计算得到扭转波在 100℃、50℃、20 ℃时 的 传 播 速 度 分 别 为 2631.46m/s、2654.63m/s和2679.77m/s。这个计算结果与得到的结论相符合，即扭转波速度随着温度的升高而降低。根据实验数据分析可得，双检测线圈能够快速计算扭转波传播速度。与单检测线圈结构相比，双检测线圈结构能够补偿温度，避免温度对测量结果的影响。

3.2单、双检测线圈输出波形对比

       理论上，当两个检测线圈具有相同电特性参数时会使脉冲电流噪声降到最低。为此，对多个线圈进行参数值测量，选取参数最为接近的两个检测线圈进行实验。分析两检测线圈的相关电参数值、双检测线圈结构输出的电压波形可知，单检测线圈结构脉冲电流引起的噪声信号峰峰值为2700mV，扭转波信号为120mV。双检测线圈脉冲电流噪声峰峰值降低为100mV，扭转波信号幅值依然为120mV。脉冲电流噪声降低到单检测线圈结构的1/27。

       可见，双检测线圈结构有效减小了脉冲电流噪声信号幅值，提高了输出信号的信噪比。

3.3单、双检测线圈测量误差对比
      在20 ℃条件下，对浮子在不同位置处输出情况进行了多次实验，并对采集到的相关实验数据做平均值处理。实验前应用于计算的20 ℃时扭转波传播速度为2679.00m/s。单线圈结构传感器浮子在不同位置处输出情况和相应的液位高度计算值。利用双线圈结构实验数据计算双线圈结构测量误差，比较单、双线圈输出误差情况。可知，单线圈结构最大测量误差为0.18mm，双线圈结构最大测量误差为0.02mm。双 检测线圈结构测量误差明显降低。

4、结　论

       通过推导扭转波速度与温度的数学模型，得到了扭转波速度随温度的变化趋势；通过分析传感器的输出电压波形，得到输出波形中脉冲电流噪声占主要部分。针对单检测线圈磁致伸缩液位传感器存在的问题，在其基础上设计了一种双检测线圈结构。

为验证双线圈传感器的可行性，进行了实验测试。实验结果表明，采用双检测线圈结构可快速计算扭转波传播速度，补偿了温度对测量误差的影 响。 同 时，脉 冲 电 流 噪 声 信 号 由 原 来 的2700mV降低至100mV，噪声信号降低到了原来的1/27；扭转波信号幅值保持在120mV 不变；最大测量误差由0.18mm 降低至0.02mm。

综上所述，磁致伸缩液位传感器双检测线圈结构存在以下优点：

（1）双检测线圈结构传感器实现了对于扭转波速度的快速计算，补偿了温度的影响。

（2）双检测线圈结构有效减小了脉冲电流噪声干扰，提高了信噪比。

（3）双检测线圈结构有效减小了测量误差，提高了测量精度。






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