新一代智能化磁致伸缩液位传感器

  新一代智能化磁致伸缩液位传感器
作者：肖亮；陶学恒





     磁致伸缩液位传感器以其远程测量、高精度、安全可靠、稳定性好、安装方便等优点，在工业流程、石油、化工、生化制药、水利、电力、食品等领域逐渐取代了传统的传感器。目前应用的此类液位传感器大多都把液位转换成时间间隔，再把时间间隔转换为相应的模拟电压或电流信号，这种测量方法存在如下不足：①模拟信号抗干扰能力有限，不能远距离传输；②由于电路转换引入噪声，使其测量精度不高；③一根测杆只能测量一个液位。

       本智能化磁致伸缩液位传感器直接测量多个时间间隔，并利用单片机进行较好的处理，实现了多点高精度测量，并通过RS-485串行通信实现远距离传输及接入工业监测网。另外，由于采用C8051F015低功耗单片机及其他低功耗芯片，优化电路结构，使系统功耗大大降低，满足本传感器要求。

1.传感器结构及工作原理

       磁致伸缩液位传感器由不导磁的不锈钢外管 （探测杆）、磁致伸缩线 （波导丝）、可移动的浮球 （磁环）和电子装置等部分组成。波导丝被安装在不锈钢软管内保持电磁特性，非接触磁环在不锈钢软管外侧可自由滑动，电子装置集成在传感器头部的电子仓内。

       智能化磁致伸缩液位传感器工作原理如图 ! 所示。当进行液位测量时，磁环被封在浮球内，浮球套在探测杆上可沿探测杆随液位的变化而上下移动。电子装置产生一周期脉冲 （即 start脉冲），经过功率放大，加载波导丝，在波导丝周围产生一个环形的磁场，在探测杆外配有的活动磁环同时产生一个磁场，且磁场方向与波导丝中电流产生的磁场方向垂直，当电流磁场与磁环磁场相遇时，两磁场交互作用，形成螺旋磁场，产生瞬时扭力，使波导丝

       扭动并产生一个 “扭曲”脉冲，或称 “返回”脉冲。这个脉冲以音速沿波导丝传回，在电子装置的线圈两端产生感应脉冲 （即 stop脉冲），脉冲在波导丝中传输时间和磁环的位置成比例，因此通过测量atart脉冲与 stop脉冲之间的时间差就可以精确地确定被测液位量。

2.硬件系统设计

       单片机周期性地发送驱动脉冲，通过驱动电路加载于传感器 （磁致伸缩丝），对其获得的微弱信号采用差动放大，然后经过变增益放大器 )AD603 放大，增益的大小由单片机编程控制，放大后的信号再通过比较器，控制FPGA计数，计数频率为50MHz，由 FPGA输出的数字信号，经过单片机处理，送给 LCD显示，同时用RS485串行标准与PC 机进行通讯。

（1）微处理电路。该系统的数字部分以微控制单元（MCU）作为控制核心。在此选用了单片机C8051F015，它具有速度快、功耗低、运算处理能力强以及高速信号捕捉等特点。其实现的功能主要有：①控制显示模块和键盘接口模块，实现人机界面的交互；②控制驱动模块；③提供与上位机之间可靠的数据传输；④调节模拟部分中运放的放大增益倍数；⑤提供比较器的基准电压；⑥实现对FPGA的控制及信号处理。

（2）驱动电路。

       驱动电路由电阻 R1、 R2，电解电容E1和一对小功率开关三极管对管 B1、B2组成。单片机周期性地发出DRIVER控制信号，当其输出为高电平时，N沟道MOSFET管 Q1导通，双极型三极管B1、B2对管的基极电位为低电位，流过PNP型三极管B2的基极电流近似为零，三极管B2截止，相当于集电极与发射极间串联大电阻，而流过PNP型三极管 B2的电流迅速达到饱和电流，三极管B1饱和导通，N沟道MOSFET管 Q2的栅极近似接地， 3% 管截止；当其输出为低电平时，双极型三极管 B1对管的基极电位为高电位，流过 PNP型三极管B2的基极电流迅速达到饱和，三极管 *( 饱和导通，而流过 PNP型三极管 B2的 基 极 电 流 近 似 为 零 ， 三 极 管B2截 止 ，N沟 道MOSFET管 Q2的栅极电位几乎等于+12V，场效应管 Q2导通。电解电容 E1给场效应管 Q2 提供一个稳定的电压，二极管D1对其起保护的作用。

        上述设计的三极管对管驱动，提高了带容性负载的能力，具有较大的峰值电流，且提高了开关速度。

（3）差动放大接收电路 。

        磁致伸缩液位传感器采用的是4-20mA电流环信号传输方式，因为电流环信号与电压信号相比不易受噪声干扰，并且电流值不受线电阻的影响，信号衰减小。电流环转换电压信号电路主要基于一个差动式输入的放大器电路。

       电路采用AD620放大器，电压增益由一个电阻 Rc确定，且增益连续可调，有效地解决了后级负载对地联接的问题，失调、漂移等误差能够得到补偿，并具有较高的共模抑制比和抗干扰能力。通过传感器获得的微弱信号经过 1/V转换、滤波，由 AD620放大器放大，又经电压跟随器输出，这样增强了AD620的带负载能力，充分解决了后级的阻抗匹配问题。

（4）可编程放大电路。放大电路的作用就是将接收换能器输出的微小的电信号经过充分放大而得到足够大的信号，以便驱动各种分析、控制。该设计的放大电路采用了变增益程控放大器 AD620，它具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽频带等特点，对输入信号的放大增益由单片机输出控制，范围可调，从而实现了系统的适应性，提高系统的测量精度。

（5）基于FPGA的实时数字信号处理单元。FPGA在整个系统中是数字信号处理的核心部件，借助其用户可编程特性及很高的内部时钟频率，设计了专用于该系统的数据处理芯片。

       FPGA单片机以一定的频率不断地发送激励脉冲，每一个脉冲信号将触发一次计数过程，其下降沿允许计数器计数，同时计数器清零，中断 ). 使能。回波信号的上升沿停止计数，并将计数值锁存至锁存器中，其下降沿申请单片机中断。

(6）显示电路。显示电路采用 A 位串行输入段码式液晶显示模块，通过设置可使C8051F015单片机的I/ 0口与液晶模块的片选、控制、数据引脚相接，数据一写入缓冲器就开始发送，显示模块接收并显示液位、界位和温度值，用户可在线观察其变化。
（7）远程通信电路。本系统单片机和 PC机之间的串行通信，采用 RS-485串行标准进行点对点的通信连接，可以实现远程通信传输，满足工业现场的要求，在波特率为 9600时，传输距离可达1200M。MAX3485芯片可直接将单片机输出的 TTL电平转换为RS485电平，用RS485串行标准进行通信时，还可实现多点对多点的通信，传输距离可以更远。本系统PC机与C8051单片机串行通信电路框图，@A;6( 单片机输出给MAX3485一个方向信号，控制其读入还是写出数据。

3.软件系统设计

       上 位 机 软 件 采 用 Visual C++6.0实现 ， 具有良好的人机界面，完成所有的自检、参数设定、数据测量命令的下达；下位机的信号处理和通信程序开发采用的是 C语言编译器，它是专为51系列单片机设计的一种高效的 % 语言编译器，使用它可以缩短开发周期，降低开发成本，而且开发出的系统易于维护，可靠性高，可移植性好。

       对于数字信号处理的核心部件 FPGA，其工作程序（略）。

4.信号处理

       在实际测量过程中，传感器内电流脉冲和感应脉冲会对输出信号产生一定的干扰，并且传感器本身的磁性材料感应的磁场与波导管内的电流之间不可避免地会产生电磁干扰，使得测量所得的输出信号有一定程度的畸变。如果需要在同一个系统中同时使用几个磁致伸缩液位传感器进行液位测量时，传感器相互之间也会有干扰。这些干扰信号的存在使得控制系统的动、静态性能不好，对精度高、响应频率快的控制系统而言，其影响程度是很明显的，会影响到系统的稳定，必须予以消除。为此，本系统采用防脉冲干扰平均值法。下位机具体采取以下滤波算法：把在静态情况下每次采集的10组数据累加起来，然后减去最大和最小的一组，除以 - 所得平均值作为测量结果。

5、结论

       本文根据液位测量的实际需要，自行研发设计了基于C8051F015单片机和FPGA智能化磁致伸缩液位传感器，实现了液位的在线高精度测量。经过实验证明，此设计是行之有效的。

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