磁致伸缩位移测量的研究与回波信号的分析与处理

 磁致伸缩位移测量的研究与回波信号的分析与处理
作者：杨宗旺；周新志



     随着传感器检测技术的发展，新的传感器技术的不断涌现，基于磁致伸缩位移测量传感器技术的传感器也应运而生，该类型的传感器技术较为新颖，在位移测量方面有着巨大的发挥前景。它适用于高强度，高危险的极度恶劣的工作环境，在油库的液位测量，有毒化学品液位测量方面广泛的被采用。相对于传统传感器，它使用寿命长，测量准确度高，测量精度高，安全性好。由于国内尚无 5 ～ 10 m 的大位移的磁致伸缩位移传感器，为了达到对磁致伸缩位移传感器的测量技术的优化，达到大位移的测量，文中对它回波信号进行做了深入的分析和

研究。

1 总体的工作原理

       根据磁致材料的伸缩特性，设计出磁致伸缩位移 6 传感器，将检测装置检测到的回波信号进行处理，用 DSP Tms320F2812 根据算法计算出实际的被测液体的位移，7 再通过 AD421 数模转换器，PROFIBUS － DP 总线接口单元等设计出不同的工业仪表接口，最好将该位移信号送往工业控制现场的仪器仪表并显示。

       DSP 控制脉冲发生电路激发出激励脉冲，该激励脉冲进入磁致伸缩位移传感器的 Fe － Ni 波导丝，激励脉冲在波导丝上感应出一个环形的磁场，该磁场在环形磁铁形成的纵向磁场相遇，根据 Widemanm 效应，在两个磁场相遇处产生一个扭转弹性波，该扭转弹性波以固定的波速向波导丝两边传输。接收端经过接收装置接收该回波信号。在信号经放大电路放大后，通过高速 A /D 转换进入 DSP，然后通过时间算法，最终求得该传感器测得的位移。

2 磁致伸缩材料的分析与选择

       用 ANSYS 软件对纯 Fe，纯 Ni，Fe － Ni 以及国内外研究的热门材料 Fe － Ga 进行分析，可以发现 Fe － Ni 的磁致伸缩系数要远远强于纯 Fe，纯 Ni，而 Fe － Ga 材料经过分析研究，证明它的磁致伸缩系数比 Fe － Ni 材料更好。但是在制造 Fe － Ga 时遇到了很多问题，比如很难购买纯度达 99. 99% 的纯 Ga; 而且在 Fe － Ga 材料的熔炼上，为了保证合成的 Fe － Ga 材料的纯度，必须要尽量使二者熔炼时不与坩埚发生反应，而要做到这一点又有难度; 再者，Fe 的熔点是 1 535 ℃，而 Ga 的熔点是29% 8 ℃，Fe 与 Ga 材料的熔点相差很大，而通常上采用熔炼凝固法制备的 Fe － Ga 合金由于晶粒取向杂乱，没有形成{ 100} 织构，导致磁致伸缩系数不够理想［2］。而从 Fe 与 Ga 的化学结构分析得知，生成的 Fe － Ga 合金材料很难制成试验要求的丝状材料或空心圆筒形材料。

       综上所述，在早期的研究中，首先确定了以 Fe － Ni 材料作为研究的早期试验性磁致伸缩材料，经过分析采用 Fe50 Ni50 管做实验。那么同时对 Fe － Ga 合金材料的研制也在同时进行。 

3 磁致伸缩位移传感器的结构模型和工作原理

       磁致伸缩位移传感器由信号测量头( 信号测量头包括激励信号发射电路，回波信号检测电路，信号处理电路组成) ，波导管，环形磁铁，阻尼装置组成。磁致伸缩位移传感器工作模型。磁致伸缩传感器工作时将测量头固定在液罐表层，波导管的末端固定在液罐的顶部，为了保证的测量的精度，要将波导管处于垂直状态。在选用环形磁铁是要选择合适的悬浮磁铁，保证环形磁铁要悬浮于北侧液面。

       注意: 为了防止回拨信号出现的杂波干扰，在波导管的末端应该加一个阻尼装置，用来吸收传播到波导管末端的扭转弹性波，该旋转波以2 800 m /s 的速度向两边传播。

4 对回波信号进行分析和处理

       回波信号的检测装置已做过相应的试验，试验中，激励脉冲频率设定为 1 kHz，幅度要大于 3 V，通过分析与研究，试验性地采用了用压电陶瓷作为回波信号的检测装置，通过与检测线圈的比较可以得出，压电陶瓷作为检测装置有点是抗干扰能力强，检测的信号较为纯净，但是存在容易老化的缺点。

       磁致伸缩位移传感器测试过程中，选择波导管的 3 个位置作为测试点，分别取磁铁的起始位置，波导管的中间位置，波导管的末端位置。将环形磁铁滑到上述的 3 个位置，通过示波器记录各位置的回波信号的波形图。当环形磁铁在波段管上移动时，分别选定磁铁初始位置、中间位置、末端位置，所检测的扭转弹性波波形图，他的发送激励脉冲信号和回波信号较为清晰，通过放大电路，两个信号的电压幅度也较大，再通过一个高速 A /D 进行模数转换，转换值进入 DSP，从而可以根据相应的时间差算法求出两个信号之间的时间差，可以计算出相应被测液体的液位; 虽然该回波信号带入了一些干扰信号，但是对于整的磁致伸缩液位传感器的测量来说，引入的误差非常小，从而对传感器测量的液位数据不会产生较大的影响，保证了磁致伸缩位移传感器的测量精度和测量数据的准确性和可靠性。

4． 1 对回波信号的处理

       利用回波信号检测装置接收回波信号，将该信号经过放利用回波信号检测装置接收回波信号，将该信号经过放大，A /D 转换，再输入到 DSP，对采集的信号的峰值筛选算法，计算出磁致伸缩位移传感器测得的位移值。电路设计中，选择 OPA2354 搭建一个回波信号放大电路，经示波器观察回波信号发现，回波信号的幅度在 1 ～ 20 mV 左右，那么放大倍数设置为 100 倍，最初经放大后的回波信号被干扰信号给湮没了，经分析讨论，是由于在对回波信号的放大时，相应的干扰信号也被放大了，因此为了得到纯净的回波信号，需要加一个低通滤波器，经加上低通滤波器后，得到了试验想要的回波信号波形( 见图 4) ，观察图 4 波形会发现有一个固定的干扰脉冲，就是示波器上的第三个固定的脉冲，需要的回波信号为中间的脉冲，而第一个脉冲周期为1 kHz 的激励脉冲，在经过环形磁铁的滑动调试时，回波信号会随着环形磁铁的移动而移动，而图 4 中的第三个干扰脉冲，位置一直不变，且具有周期性，因此断定是激励信号经过波导管传到管的末端而反射回来的激励信号。找到原因后，采用一个吸收这个反射波的阻尼装置，在波导管的末端安装上这个阻尼装置。由于目前试验的试验装置未加上阻尼装置，故看不到经阻尼装置吸收的信号波形。但是随着试验的进行，试验装置的改进，在后续的论文中，会给出试验装置改进的波形图。若将该信号送往工业仪表显示，需要对该信号进行进一步的处理，通过 DAC 转换器和信号转化电路，将计算得出的传感器距离信号转变为工业标准接口 4 ～ 20 mA 信号或送往 PROFIBUS 总线接口单元。

4． 2 测量位移的 DSP 实现

       在 DSP 的实现过程中，文中主要通过全采样实现时间的测量，DSP 控制脉冲发生电路产生激励脉冲后，同时通过 DSP 开启外部高速 A /D 转换器，同时开启 DSP 的内部计数器，对高速A /D 转换器转换而来的数据进行计数。在得到回波信号的峰值的转换值后，停止计数器的计数。计算出从激励脉冲发出到接收到回波信号的中间时间 t，t = 计数值 × t0，最后计算测量的位移值。S = 超声波波速 × t; 最后得到了磁致伸缩位移传感器的位移测量值。在回波信号中，掺杂了一些未知的干扰信号。如激励产生的回波信号传到测量杆的末端，而末端的阻尼装置又未完全吸收该信号，产生一个反射的回波信号，这样对需要的回波信号产生量干扰，进而会影响实际的测量位移的准确度; 除此之外在回波信号的传送过程中也会产生散射波; 因此，对进入 DSP的 A /D 转换值需要进行必要的干扰波的处理算法。捕获信号的第一个特征点( 选取峰值点) 很关键。DSP 时间测量程序流程。

       两个激励脉冲发送的时间间隔 T0 很重要，因为接收到的回波信号必须在该时间间隔之内，所以在这个值的选择上需要通过试验得出。位移测量算法过程: DSP 设置一个定时时间 T( T 要稍微小于 T0 ) ，利用 DSP 的定时器 0 进行定时，同时 DSP 控制外部的告诉 A /D 开始转换，DSP 将每个采样点的值放在一个 num_ta-ble里面，当定时器 0 定时时间到，DSP 控制 A /D 停止转换，此时延时 500 μs，同时调用峰值查找程序 find_peak( ) ，找到相应回波信号的峰值，也找到了相应峰值点处已采样的点数 num _to_peak，就可以求出回波信号与发送激励脉冲的时间间隔，进而求出磁致伸缩位移传感器测量的位移值。

5 结束语

       磁致伸缩位移传感器在测量精度和准确度方面具有优势，并且它可以工作在非常恶劣或危险的工作环境，发挥其测量优势。试验中用的传感器材料选择的是 Fe － Ni 合成材料，纯 Fe和纯 Ni; 设计的磁致伸缩位移传感器的测量范围为 0 ～ 5 m，在目前的研究中，正致力于对超导材料的研究，如 Fe － Ga 合金材料，研究重点是比较分析出各种磁滞材料的性能，最后确定一种最理想的磁致伸缩材料，以实现 5 ～ 10 m 的大位移的测量。




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