磁致伸缩位移传感器回波信号滤波器设计

磁致伸缩位移传感器回波信号滤波器设计
作者：冯希辰；周新志；余超





       随着现代通信技术、电子学以及计算机技术的高速发展，磁致伸缩材料的应用变得日益广泛，非接触式的测量消除了机械磨损的问题，保证了最佳的重复性和持久，基于磁致伸缩材料研制的磁致伸缩位移传感器也得到了广泛的应用。磁致伸缩位移传感器与传统传感器相比，它具有测量精度高、使用寿命长、耐腐蚀、耐尘、耐压、耐高温、耐高振荡等一系列特点，已在行程测量和位移测量中得到了愈来愈多的应用。信号检测和滤波是磁致伸缩位移传感器实现高精度测量的关键因素。滤波器作为现代电子电路设计中不可或缺的一部分，合理的滤波器设计不仅可以滤除信号中混入的杂波和噪声，提高信号的信噪比，而且也使信号的放大效果得到改善，使接收到的回波信号更加易于分辨和检测，可以大大提高传感器的灵敏度、精确度以及测量距离。

1、磁致伸缩位移传感器原理

      磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩特性材料的Wiedemann 效应、Viuary 效应及超声效应，将位置信息转换成最易测量的并且精度高的时间量，从而实现物体位置的高精度计量。磁致伸缩位移传感器主要由 3 部分组成: 探测杆、电路单元和位置磁铁。电路单元负责产生激励电流脉冲，电流脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场。

      在探测杆外配有位置磁铁，当位置磁铁的磁场与激励脉冲的磁场交叠时会产生应变脉冲，脉冲以一定的速度在波导丝上传播，经信号处理电路后可得到起始脉冲和停止脉冲，两者之间的时间差即为激励脉冲在波导丝上的传播时间。信号在特定材料的波导丝中是以固定速度向两端传输的，从而计算出位置磁铁的实际位置。

2、干扰与误差来源

      在测量时，波导管内的电流脉冲和应变脉冲不可避免地对测量的输出信号产生一定的干扰，强度可以达到满量程的 0.2%。再加上信号传输过程中由于设备硬件条件、周围环境温度等因素所产生的噪声，以及由于剩磁现象的存在对信号所产生的影响，使得系统的信噪比降低，从而影响传感器的精度，缩短测量距离，甚至还会影响到系统的稳定性，所以，滤波器的合理设计显得尤为重要。在滤波器的设计上要具体根据电路中传输信号的特点，考虑滤波器与信号接收电路之间的匹配性和有效性，从而实现信号最有效的滤波和放大。

        当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁场 H，介质的磁化强度 M( 或磁感应强度 B) 并不沿着起始磁化曲线减小，M( 或 B) 的变化滞后于 H 的变化。在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。正是由于这种特性，传感器在测量时不可避免地会产生误差。

3、信号传输特点

       由磁致伸缩位移传感器构成的信号系统主要包括脉冲激发、信号检测、信号滤波及放大、位移计算与输出、数据通信等部分。电路单元所产生周期电流脉冲的幅度为 24 V，脉宽为28 μs，频率为1.22kHz。不同的磁致伸缩材料的磁致伸缩性能、磁导率等参数都有差异。本次传感器实验中所使用的是纯 Ni 的波导丝材料。电路接收到的感应线圈的回波信号十分微弱，其幅度只有 3 mV 左右，并且不利于观察，所以，先采用运算放大器对其进行放大处理。电路单元接收到经过 OPA2354运算放大电路放大后的回波信号，此时信噪比为3.7 dB。

4 滤波器的设计

4． 1 低通滤波器的设计

        根据磁致伸缩位移传感器激发出电流脉冲信号的频率来设计滤波单元电路，经过对回波信号频率测量分析，回波信号的中心频率为 19 kHz。NE5532 是高性能低噪声双运算放大器集成电路，与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能。

        可以看到，回波信号噪声在一定程度上得到了有效的可以看到，回波信号噪声在一定程度上得到了有效的抑制，信号更加清晰，并且易于辨认。但是，仍然有少许杂波存在，并且有些地方存在磁滞现象和剩磁现象，使波形并不平整，仍然存在优化和改善的余地。

       波导丝是由磁性材料制成的，磁性材料在磁场中会被磁化，继而出现剩磁现象，即施于材料的磁场可引起材料极化强度改变或电场可引起材料磁化强度变化的现象。而磁致伸缩位移传感器的活动位置磁铁内部是一块永磁铁，只要是位置磁铁经过的地方，波导丝就可能被磁化，磁化处就存在一磁场，但是这个磁场和位置磁铁产生的磁场相比是很弱的。

        实验中，将环绕波导丝的位置磁铁在波导丝上来回移动，并观察波形出现的变化。上面的回波信号为初始状态并且没有位置磁铁时的回波波形; 下面则是位置磁铁滑过或者停留后的回波波形，可以看出: 位置磁铁在波导丝上移动或者停留后的位置存在一些幅度原先为 0 幅值的地方在位置磁铁取下后幅值并没有降回 0 值，成为一些较小幅值的干扰信号。

4.2带通滤波器的设计

        MAX275是美国MAXIM公司生产的通用性有源滤波器。它内含 2 个独立的二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波，中心频率 /截止频率可达 300 kHz。运用 MAX275 可实现 Bu-tterworth，Besssel 和 Chebyshev 三种特性的滤波电路。总谐波失真( THD) 优于典型的 － 86 dB，电源可以由 + 5 V 单电源或 ± 5 V 双电源提供。

       根据实验实际检测，电路单元所接收到的返回信号频率为 19 kHz。为获得阻带内的最大衰减，提高 Q 值，采用四阶滤波器设计，可通过将 MAX275 内部的 2 个二阶滤波器级联实现，即 B 部分地输入接 A 部分的输出。此时，信号的信噪比达到 13． 9 dB。可以看出: 回波信号经过 MAX275 滤波放大后，使波形更加整洁，并且易于后期 DSP 采样处理，有效地抑制了周围环境因素和信号传输过程中产生的噪声信号，在一定程度上减少了剩磁现象对波形的干扰，相比于巴特沃斯二阶低通滤波器提高了系统的信噪比，从而也便于后期信号的采集和数字化处理。 5 结束语通过对磁致伸缩位移传感器信号的检测和分析，根据信号的频率、噪声来源等特点合理地设计滤波器。实验中，使用了具有代表性的 NE5532 运算放大器设计制作了二阶低通巴特沃斯滤波器，有效地抑制了噪声信号，提高了信噪比，但是仍然存在较为明显的剩磁现象，并且滤波效果还有进一步提高的余地; 选择 MAX275 通过级联实现四阶带通滤波器作为电路的滤波单元，实验结果表明: MAX275 有效地抑制了回波信号中的噪声和干扰，在一定程度上有效减弱了剩磁现象对回波信号产生的干扰，通过与普通低通滤波器的滤波效果相比较，体现出了 MAX275 在磁致伸缩位移传感器回波信号滤波上的优势，实现了 MAX275 在纯 Ni波导丝材料的磁致伸缩位移传感器电路信号滤波上的高效、低噪、减弱剩磁现象干扰等优点。






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