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    磁致伸縮位移傳感器回波信號濾波器設計

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-12-11 09:20

      

           隨著現代通信技術、電子學以及計算機技術的高速發展,磁致伸縮材料的應用變得日益廣泛,非接觸式的測量消除了機械磨損的問題,保證了最佳的重復性和持久性,基于磁致伸縮材料研制的磁致伸縮位移傳感器也得到了廣泛的應用。磁致伸縮位移傳感器與傳統傳感器相比,它具有測量精度高、使用壽命長、耐腐蝕、耐塵、耐壓、耐高溫、耐高振蕩等一系列特點,已在行程測量和位移測量中得到了愈來愈多的應用。信號檢測和濾波是磁致伸縮位移傳感器實現高精度測量的關鍵因素。濾波器作為現代電子電路設計中不可或缺的一部分,合理的濾波器設計不僅可以濾除信號中混入的雜波和噪聲,提高信號的信噪比,而且也使信號的放大效果得到改善,使接收到的回波信號更加易于分辨和檢測,可以大大提高傳感器的靈敏度、精確度以及測量距離。
    1 磁致伸縮位移傳感器原理
           磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮特性材料的Wiedemann 效應、Viuary 效應及超聲效應,將位置信息轉換成最易測量的并且精度高的時間量,從而實現物體位置的高精度計量。磁致伸縮位移傳感器主要由 3 部分組成: 探測桿、電路單元和位置磁鐵。電路單元負責產生激勵電流脈沖,電流脈沖沿著磁致伸縮線向下傳輸,并產生一個環形的磁場。
           在探測桿外配有位置磁鐵,當位置磁鐵的磁場與激勵脈沖的磁場交疊時會產生應變脈沖,脈沖以一定的速度在波導絲上傳播,經信號處理電路后可得到起始脈沖和停止脈沖,兩者之間的時間差即為激勵脈沖在波導絲上的傳播時間。信號在特定材料的波導絲中是以固定速度向兩端傳輸的,從而計算出位置磁鐵的實際位置。
    2 干擾與誤差來源
           在測量時,波導管內的電流脈沖和應變脈沖不可避免地對測量的輸出信號產生一定的干擾,強度可以達到滿量程的 0.2 %。再加上信號傳輸過程中由于設備硬件條件、周圍環境溫度等因素所產生的噪聲,以及由于剩磁現象的存在對信號所產生的影響,使得系統的信噪比降低,從而影響傳感器的精度,縮短測量距離,甚至還會影響到系統的穩定性,所以,濾波器的合理設計顯得尤為重要。在濾波器的設計上要具體根據電路中傳輸信號的特點,考慮濾波器與信號接收電路之間的匹配性和有效性,從而實現信號最有效的濾波和放大。
    觀察材料的磁滯現象是提高材料的磁特性的方法之一。經過對純 Ni 波導絲材料磁滯現象的實驗測量。
           當鐵磁質達到磁飽和狀態后,如果減小磁場 H,介質的磁化強度 M( 或磁感應強度 B) 并不沿著起始磁化曲線減小,M( 或 B) 的變化滯后于 H 的變化。在磁場中,鐵磁體的磁感應強度與磁場強度的關系可用曲線來表示,當磁化磁場作周期的變化時,鐵磁體中的磁感應強度與磁場強度的關系是一條閉合線,這條閉合線叫做磁滯回線。正是由于這種特性,傳感器在測量時不可避免地會產生誤差。
    磁致伸縮位移傳感器
    3 信號傳輸特點
           由磁致伸縮位移傳感器構成的信號系統主要包括脈沖激發、信號檢測、信號濾波及放大、位移計算與輸出、數據通信等部分。電路單元所產生周期電流脈沖的幅度為 24 V,脈寬為28 μs,頻率為 1.22 kHz。不同的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能、磁導率等參數都有差異。本次傳感器實驗中所使用的是純 Ni 的波導絲材料。
           電路接收到的感應線圈的回波信號十分微弱,其幅度只有 3 mV 左右,并且不利于觀察,所以,先采用運算放大器對其進行放大處理。電路單元接收到經過 OPA2354運算放大電路放大后的回波信號,此時信噪比為 3. 7 dB。
    4、濾波器的設計
    4. 1 低通濾波器的設計
           根據磁致伸縮位移傳感器激發出電流脈沖信號的頻率來設計濾波單元電路,經過對回波信號頻率測量分析,回波信號的中心頻率為 19 kHz。NE5532 是高性能低噪聲雙運算放大器集成電路,與很多標準運放相似,但它具有更好的噪聲性能。使用 NE5532設計制作的二階巴特沃斯低通濾波器對回波信號的濾波效果可以看到,回波信號噪聲在一定程度上得到了有效的抑制,信號更加清晰,并且易于辨認。但是,仍然有少許雜波存在,并且有些地方存在磁滯現象和剩磁現象,使波形并不平整,仍然存在優化和改善的余地。
           波導絲是由磁性材料制成的,磁性材料在磁場中會被磁化,繼而出現剩磁現象,即施于材料的磁場可引起材料極化強度改變或電場可引起材料磁化強度變化的現象。而磁致伸縮位移傳感器的活動位置磁鐵內部是一塊永磁鐵,只要是位置磁鐵經過的地方,波導絲就可能被磁化,磁化處就存在一磁場,但是這個磁場和位置磁鐵產生的磁場相比是很弱的。
           實驗中,將環繞波導絲的位置磁鐵在波導絲上來回移動,并觀察波形出現的變化。上面的回波信號為初始狀態并且沒有位置磁鐵時的回波波形; 下面則是位置磁鐵滑過或者停留后的回波波形,可以看出: 位置磁鐵在波導絲上移動或者停留后的位置存在一些幅度原先為 0 幅值的地方在位置磁鐵取下后幅值并沒有降回 0 值,成為一些較小幅值的干擾信號。
    4. 2 帶通濾波器的設計
           MAX275 是美國 MAXIM 公司生產的通用型有源濾波器。它內含 2 個獨立的二階有源濾波電路,可分別同時進行低通和帶通濾波,也可通過級聯實現四階有源濾波,中心頻率 /截止頻率可達 300 kHz。運用 MAX275 可實現 Bu-tterworth,Besssel 和 Chebyshev 三種特性的濾波電路??傊C波失真( THD) 優于典型的 - 86 dB,電源可以由 + 5 V 單電源或 ± 5 V 雙電源提供。
           根據實驗實際檢測,電路單元所接收到的返回信號頻率為 19 kHz。為獲得阻帶內的最大衰減,提高 Q 值,采用四階濾波器設計,可通過將 MAX275 內部的 2 個二階濾波器級聯實現,即 B 部分地輸入接 A 部分的輸出。此時,信號的信噪比達到 13. 9 dB??梢钥闯? 回波信號經過MAX275 濾波放大后,使波形更加整潔,并且易于后期 DSP 采樣處理,有效地抑制了周圍環境因素和信號傳輸過程中產生的噪聲信號,在一定程度上減少了剩磁現象對波形的干擾,相比于巴特沃斯二階低通濾波器提高了系統的信噪比,從而也便于后期信號的采集和數字化處理。
     5 結束語
           通過對磁致伸縮位移傳感器信號的檢測和分析,根據信號的頻率、噪聲來源等特點合理地設計濾波器。實驗中,使用了具有代表性的 NE5532 運算放大器設計制作了二階低通巴特沃斯濾波器,有效地抑制了噪聲信號,提高了信噪比,但是仍然存在較為明顯的剩磁現象,并且濾波效果還有進一步提高的余地; 選擇 MAX275 通過級聯實現四階帶通濾波器作為電路的濾波單元,實驗結果表明: MAX275 有效地抑制了回波信號中的噪聲和干擾,在一定程度上有效減弱了剩磁現象對回波信號產生的干擾,通過與普通低通濾波器的濾波效果相比較,體現出了 MAX275 在磁致伸縮位移傳感器回波信號濾波上的優勢,實現了 MAX275 在純 Ni波導絲材料的磁致伸縮位移傳感器電路信號濾波上的高效、低噪、減弱剩磁現象干擾等優點。


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