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    一種磁致伸縮位移傳感器的優化設計方法

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-01-08 08:33

      

           磁致伸縮直線位移傳感器是利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應及其逆效應實現位移測量的一種非接觸式絕對位移傳感器。它有非接觸、精度高、重復性好、穩定性可靠、環境適應能力強、成本適中等眾多優點,被廣泛應用于石油、化工、水利、航空等行業的各種罐儲的液位測量系統中。國外量程高達 18 m 的磁致伸縮液位傳感器準確度可達到 0. 025% FS或 0.508 mm,并且可以同時測量液位、界面和溫度等多個參數,形成了系列化產品。我國在磁致伸縮位移傳感器的研究方面與西方國家還有較大差距,但也正在進行積極的探索,并取得了一定進展。本文對磁致伸縮位移傳感器的關鍵電路進行了優化設計,并對優化后傳感器的性能進行了分析。
    1 磁致伸縮位移傳感器測量原理
            在磁致伸縮液位傳感器波導絲的一端施加一個激勵脈沖,脈沖沿波導絲向前傳播時,有一個環形磁場 H 伴隨著激勵脈沖以光速向前傳播。當環形磁場遇到浮子中的永磁體產生的縱向磁場時,將會使波導絲發生扭變并產生扭轉波。該扭轉波以恒定的速率沿著波導絲向兩端傳播,繼續向前傳播的扭轉波被波導絲一端的阻尼原件吸收,向回傳播的扭轉波會傳到接受帶材上。根據磁致伸縮逆效應,纏繞帶材的接受線圈中的磁通量會發生變化,從而接受線圈中會產生感應電動勢。通過調理電路濾波放大處理,將產生感應電動勢轉換為計時器可以識別的電脈沖,計數器通過計算發生激勵脈沖和接受脈沖之間的時間差 t 來計算浮子的位置,從而得到當前被測體的液位。
    2 磁致伸縮位移傳感器的電路設計
           磁致伸縮位移傳感器系統原理是由單片機( MCU) 主控制器控制脈沖發生電路發生激勵脈沖,同時計時電路開始工作,當激勵脈沖信號遇見活動浮子( 永磁體) 時,會在波導絲上面發生磁致伸縮效應,產生扭轉波。當扭轉波返回到接受裝置時,根據磁致伸縮逆效應,接受裝置將扭轉波轉化為電信號即將感應出感生電動勢,經過信號調理電路的處理得到較好的脈沖信號發送給計時電路和單片機( MCU) ,此時計時電路停止計時并把數值傳給MCU。MCU 通過計算得到被測液體的準確液位,并通過 LCD 顯示出來、通過 4 mA ~ 20 mA 和其他通訊方式傳送給上位機或者其他設備。
    2.1激勵脈沖電路設計
            MIC4425 為 MOSFET 管 IRF2807 專用的驅動芯片。電容 C31、C32 連接升壓電路的輸出端,當 MOSFET 管 IRF2807 不導通的時候,電容C31,C32 充電,儲存電能。當 MOSFET 管 IRF2807導通的時候,電容 C31,C32 放電,電能通過 MOSFET管 IRF2807,線圈 S-和線圈 S+到電容 C31,C32 的另一端。圖 4 為 S+點的信號圖,可以看到 S+的脈沖信號的脈寬約為 2 μs,幅 值 約 為 - 60 V,頻 率為 100 kHz。采用單片機處理器產生最原始的激勵脈沖信號,這樣電路既簡單又容易控制。選擇電容-晶體二級管升壓電路來提高幅值,并增加級聯使電壓幅值達到 60 V,大大提高了激勵脈沖信號的質量,同時擁有經濟、不會浪費很多電能( 低功耗) 等多種優點。
    磁致伸縮直線位移傳感器
    2.2回波信號拾取裝置電路設計
           回波信號拾取裝置的關鍵技術是信號調理電路系統。由于檢測線圈接收到的信號十分微弱,并且有很多復雜的噪聲,因此計時裝置若想識別,必須將信號通過信號調理電路才能輸送給計時裝置。因此本文設計了如下回波信號拾取裝置: 對原始的線圈檢測電信號,首先進行一級放大,再通過頻率特性進行濾波,再進行二級放大,最后通過比較電路將信號進行整形。
    2.2.1 一次放大和簡單帶通濾波電路設計
           由于線圈中檢測的電信號較微弱,且為交流信號,頻率很高,所以要求放大器的增益不應小于10 MHz,且有良好的放大特性。這里我們選用 MAX4452 作為放大器,其帶寬( 200 MHz 3 dB Bandwidth) 、增益平穩度( 30 MHz 0.1 dB Gain Flatness) 、速率( 95 V/μs SlewRate) 等指標都滿足信號放大的要求。
    2.2.2帶通濾波電路設計
           濾波器分為有源濾波器和無源濾波器。無源 RLC 濾波器設計電路實現,可以使電路成本很低,但無源濾波器卻不容易調整帶通的參數,且對元器件的品質因數要求高。信號經過無源濾波器后,經常會有很大的幅值衰減,所以綜上選擇有源濾波器進行設計。
            本設計采用專用的集成濾波芯片來實現。采用這種方案的優點是元器件容易選擇,濾波器的各項參數容易調節。經過比較選擇 AX275 來設計有源濾波放大電路。 MAX275 組成的濾波電路,回波檢測信號的頻率大約為 200 kHz 左右,MAX275組成的濾波電路可以防止 150 kHz 以下的噪聲信號通過,提高信號的質量。
    2.2.3比較整形電路設計
           為了使計時裝置更好的采集信號,我們在調理電路后端加上比較整形電路,使信號成為脈沖方波信號。這樣計時裝置就可以有效地采集到信號的上升沿或者下降沿。本文選擇和一級放大中同樣型號的放大器。
    2.3計時裝置電路設計
            采用 8 位單片機和 RLC 振蕩計時電路設計該裝置,采用 PIC16F 系列單片機來完成計時操作和傳感器系統控制邏輯處理。
            S_BACK 點信號采集圖,下降沿為激勵脈沖信號起始時間,上升沿為回波信號接受時間; 圖 12 中曲線 b 是 RC0 /TIME 點的信號采集圖,激勵脈沖和回波信號之間發生 RLC 振蕩,用來給單片機計時裝置提供計數基準; 圖 12 中曲線 c 是 RLC 振蕩周期放大采集圖,從圖中可以看出振蕩周期在 50 ns 左右,這樣計時器影響的直接測量誤差為 150 μm。
            經過對 3 種計時裝置的比較,最后選擇了第 3 種方案,采用 RLC 振蕩作為計時裝置的基準時鐘,只要調節合理的 RLC 參數,就可以得到不同頻率的基準時鐘。
    3、實驗結果
            為了獲得磁致伸縮位移傳感器的性能指標如線性度、遲滯性、重復性等,對磁致伸縮位移傳感器進行標定系統實驗。通過 LABVIEW 完成測量標定實驗上位機 PC 程序設計開發。通過采集可以記錄該位移點的位移值和傳感器計數器的值,并對數據進行曲線擬合。
            在 0 ~ 100 cm 量程范圍內,平均設定 9 個點進行記錄,根據實驗數據繪出曲線如圖 14 所示。從實驗數據看出,磁致伸縮位移傳感器在線性度、遲滯性、重復性方面都有很好的表現。
    4、結束語
            在激勵脈沖發生裝置的設計中,提出了一種低成本、低功耗同時又兼顧脈沖質量的實現方案,特別是把脈沖的幅值提高到了 60 V。在回波信號拾取裝置的設計中,分析了影響拾取信號的因素,實驗確定了其中關鍵的參數。在計時裝置的設計中,提出了一種簡單同時又滿足精度要求的計時方案。實驗分析結果表明傳感器的靜態特性均能達到了設計的要求,同時又有設計中低成本、低功耗、多接口等優點。實驗分析結果得到傳感器的線性度為±0. 002184%,遲滯為 0. 0014875%,重復性為±0. 003%,這些靜態指標均能達到設計的要求。
     


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