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磁致伸缩液位传感器在水准仪上的应用研究

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2022-07-25 11:02

  

    自 1990 年数字水准仪的问世以来, 水准测量作业的效率得到了极大地提高。 自此不断有新型数字静力水准仪问世,例如采用电荷耦合固体摄像器件(CCD)作为敏感元件的光电型仪器以及超声波静 力水准仪和激光测距静力水准仪。 但磁致伸缩液位传感器在形变仪器上的应用尚未见报道。
1 磁致伸缩液位传感器
     磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩效应研制的传感器,可以实现非接触、绝对式测量,具有大量程、高精度的特点,同时由于采用非接触式元件, 减少了磨损,故具有较高的可靠性。 据 NASA 的测定,磁致伸缩液位传感器平均无故障时间(MTBF)为23 年。 同时,由于其安装方便、调试快捷、测量精度高,比传统的压力、电容、差动变压式以及 CCD 式等测量系统具有更高的应用和经济价值。
    磁致伸缩液位传感器由三部分组成:探测杆,电路单元和浮子组成。 测量时,电路单元产生电流脉冲,脉冲沿着探测杆传输,并产生一个环形磁场。 磁致旋转波的传播速度为式中:G 为探测杆的剪切弹性模量;ρ为波导管密度;均为恒定值,在探测杆外配有浮子,浮子随液位的变化而上下移动。 浮子内部有一组永磁铁,会同时产生一个磁场, 当电流磁场与浮子磁场“返回”脉冲,将“返回”脉冲与电流脉冲的时间差转换成脉冲信号,就可计算出浮子的实际位置。
液位磁致伸缩位移传感器工作原理如图 1。
2 系统总体设计
   系统主要由主机系统、水管系统、信号采集系统等模块组成。 系统结构如图 2 所示。
   系统是根据连通容器中液体表面自然保持水平的特性进行工作的,当仪器主体所在处(检测点) 高度变化时,仪器主体钵中的液面将相对于钵体发生相对升降变化,测量出这些变化量就可以计算出每个监测点相对于某一基点的高差[2]。  设 Y,Y1,Y2,
…,Yn  为基准点及测点 1 到 n 的液面变化量,h1,h2,…,hn  每个测点相对于基准点的高差
   系统标定时通过移动标定装置,通过改变液体体积,实现人为改变液面升降的目的,和电路信号连接起来,从而求得液面改变单位高度时,电信号数值的变化。
3 信号采集及处理
     系统的信号采集及处理电路如图 3 所示。系统选用 C8051F020 作为中央处理器,主频达25M, 片内自带 64K 可编程序存储器, 不需外部程序存储器的扩展。 信号调理模块主要是将来自于传感器的信号进行处理,滤除干扰,并转换到 A/D 芯片允许输入范围,电路设计均选用精密元件。 AD 采用 Maxim 的 16 位 8 通道并行转换芯片 Max1302,采样频率达 115k/s。 系统扩展了容量为 8Mb 的Flash 芯片 AT45DB081, 为大量检测数据的存储提供了保障。 同时为了系统使用方便,硬件设计时加入 4×4 键盘和 128×64 液晶, 并支持检测数据的 U 盘读取(CH375 USB HOST)、网线及串口传输。 系统满足中国地震局“十五”期间地震前兆仪器的网络化要求。系统软件采用模块化设计,各模块功能相对独立,程序结构清晰,调试方便,代码可重用度高,主程序只需对各模块进行调用,即可实现系统功能。 系统软件框图如图 4。
4误差来源及处理
1)为避免磁致伸缩位移传感器探测杆不垂直引起的误差,采用气泡法调直[3]。
2)为防止钵体水分蒸发流失及钵体管壁湿润导致液面下降,将整个钵体设计为密封结构,各个钵体在上方用空气管连接, 保证各钵体气压相同, 同时将钵体直径设计为≥18cm,可将液体分子和固体分子间相互作用引发的湿润现象影响减至最低。
3)为防止探测杆及钵体的温度形变而引起的误差,采用线胀相同的材料设计及探测杆和钵体,本系统均采用硬铝[4]。
其他误差,如液体漏失误差等可以忽略。
 


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