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    磁致伸縮液位傳感器的電路設計及性能分析

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-03-26 16:17

      

           磁致伸縮液位傳感器利用磁性材料的磁致伸縮效應和磁致伸縮逆效應 ,通過測量發射電流脈沖和接收到回波信號之間的時間間隔來確定具體的位置信息。由于傳感器敏感元件與測量介質之間不直接接觸 ,該類傳感器具有測量精度高、測量位移大、使用壽命長、線性度高、遲滯特性和重復性好、可靠性高的優點 ,這些特點是其他同類測量儀表所無法比擬的 ,因此這種傳感器在國外廣泛應用于石油、化工、輕工、紡織等行業。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。雖然我國在該類磁性材料的制備技術方面已經達到國際先進水平 ,但是應用研究則明顯落后于西方發達國家 ,此類產品目前還處于研究階段。本文就磁致伸縮液位傳感器的電路機理及相關性能做出了討論。
    1  磁致伸縮傳感器原理
           磁致伸縮液位傳感器主要由波導絲、回波接收器、信號處理電路、浮球 (內置環形磁鐵) 、測桿、電子倉、阻尼裝置等構成 。
           脈沖發生裝置以固定頻率給波導絲發送激勵電流脈沖 ,由安培環路定理 ,在波導絲周圍感應出環形磁場 ,浮球中的環形磁鐵也形成一個固定的軸向磁場。根據 Widemanm 效應,在這兩個磁場的正交作用下 ,形成一個扭轉彈性波 ,分別向波導絲兩邊傳播。磁致扭轉彈性波的波速在恒溫下為固定值當扭轉彈性波傳到波檢測器一端時 ,由于磁致伸縮逆效應 (Villari 效應) ,使波導絲的長度發生微小變化 ,檢測線圈中的磁通量發生變化 ,產生感應電動勢 ,通過檢測發射激勵電流脈沖到接收到回波電壓脈沖信號之間的時間差就可以確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離 ,也即液面和感應線圈之間的距離 ,再由時間2電壓或者時間2電流轉換模塊實現信號輸出 ;扭轉彈性波傳到末端時被阻尼裝置減弱吸收 ,以免對測量精度造成干擾。
    2  磁致伸縮液位傳感器的電路模塊實現
           在周期脈沖發生模塊中 ,由晶振和計數器調節控制時鐘頻率 ,向波導絲發送激勵電流脈沖信號 ;信號拾取模塊中 ,檢測線圈感知接收回波信號 ,噪聲信號為共模信號 ,而扭轉波信號為差模信號 ,因此經信號的濾波和差模放大后 ,進行零位或峰值檢波 ,確定扭轉彈性波信號從浮球處傳到檢測線圈的時間 ,以脈沖寬度反映扭轉彈性波在波導絲中的傳播時間 ;在每一個周期內對電壓比較電路處理后的脈沖信號積分 ,經過過壓保護電路和放大電路后調整到合適的輸出電壓 ,將位置信息以符合 HAR T 協議的標準電流信號形式輸出 。
    該處理電路中涉及的關鍵技術有 :
    ①需要產生一個足夠能量的周期激勵脈沖電流信號 ,該脈沖信號在波導絲周圍感應出周期脈沖環形磁場 ,需要足夠大的電流強度。
    ②扭轉彈性波信號的拾取、濾波和末端彈性波的吸收以及電壓比較處理 ,決定了傳感器性能的好壞。
    ③利用脈寬調制技術 ( PWM) ,實現電壓峰值或零位比較檢波 ,通過發射電流脈沖到接收到回波信號確定扭轉彈性波在波導絲中的傳播時間。
    ④對周期脈沖電壓信號積分 ,實現電壓到電流的轉換輸出。
    磁致伸縮位移傳感器
    2. 1  周期脈沖電流產生模塊
           試驗做一個量程為 2 m 的液位傳感器 ,扭轉波波速根據波導絲材料成分的不同而相差較大 ,大概為 3 000 m/ s ,最遠處扭轉彈性波傳到波檢測器處的時間為 0. 667 ms ,對于晶振發出的時鐘信號進行分頻處理 ,選取的脈沖周期應該大于扭轉彈性波在波導絲中的最長傳播時間。由于發射的電流脈沖信號對于檢測到優化的信號來說起著重要的作用 ,而信噪比取決于電流脈沖周期和脈沖幅度。Q2 的基極輸入時鐘脈沖信號 ,在2 處由于 Q1 的開和關而產生反沖電壓 ,從而產生需要的脈沖電流 。
    2. 2  回波接收模塊
           扭轉彈性波信號的檢測拾取、濾波是設計傳感器回波接收模塊的關鍵技術 ,因此回波信號的耦合和濾波放大電路顯得尤其重要 ,它決定了能否采集到穩定的回波信號。由于線圈接收到的傳感器振動、熱噪聲等干擾信號為共模信號 ,扭轉波信號為差模信號 ,采用差模放大 ,提高共模抑制比的方法增強回波信號可信度 ?;夭ú钅7糯箅娐?,U1和 U2 對檢測到的信號濾波放大后 ,由 U3 對這兩個信號差模放大 ,為后續的處理電路得到了較好的信號。
    2. 3  脈寬調制電路
           電壓比較電路是工業控制中經常遇到的信號處理方法 ,主要作用是根據電路性能的需要 ,預先設定好一個門限電壓 ,實現輸入信號電壓與門限電壓的比較 ,從而輸出高、低電平。利用差模放大后的電壓信號與門限電壓比較 , 產生一個PWM 信號 ,脈沖寬度與發射激勵電流脈沖和接收到電壓脈沖的時間間隔成線性比例。
    2. 4  積分放大電路
           積分電路將經過 PWM 的脈沖信號積分后得到電壓平均值 ,通過調整電路參數將電壓值轉換到合適的電壓范圍 ,從而轉換成工業標準的 1~5 V 電壓信號或 4~20 mA 電流信號。將 PWM信號積分放大后得到一個穩定的電壓均值 ,將傳感器的位置信號轉換成了電壓均值 ,電壓幅度隨著浮球位置的改變呈線性變化。
    3  傳感器性能測試及分析
           磁致伸縮液位傳感器的輸出為數字電壓或電流信號 ,因此測量誤差表現在系統誤差上 ,主要取決于波導絲材料性能的穩定性 ,波導絲表面光滑度 ,材料缺陷的多少 ,電路系統性能的穩定性和抗干擾能力 ,特別是環境溫度變化使液體密度變化產生的誤差以及由于溫度變化使扭波波速變化引起的誤差。
    3. 1  線性度
           在傳感器測量的 0~2 m 范圍內 ,移動浮球 ,每隔 20 cm 記一組數據 ,測量 50 組數據。輸出電流對應的位移與浮球實際位移曲線擬合得很好 ,線性度高。
    3. 2  遲滯特性
           將浮球在測桿的正反兩個方向量程內來回移動 ,測量范圍為 0~2 m ,數據如圖 8 所示 ,每隔 20 cm 測一個數據。
    3.3穩定性
           把浮球放在測桿的同一位置處 ,環境溫度穩定在 20 ℃,每隔 1 h 記錄一次數據 ;改變環境溫度 ,使傳感器處于 0~40 ℃之間 ,記錄的數據表 2 所示 :由表 1 可以得出 :傳感器在恒定室溫下的時漂穩定性誤差為 0. 075 mm ,恒溫下傳感器的穩定性能良好。
    在 0~40 ℃之間的溫漂穩定性誤差為 1. 125 mm ,因此可見溫度對于傳感器的穩定性有較大影響 ,主要由于材料性能隨著溫度的變化而發生變化 ,引起扭轉波速的變化 ,此外溫度變化對電子元器件的影響也是造成較大誤差的原因 ,可以考慮加入溫度補償電路來減小由于溫度變化造成的系統誤差。
    4  結論
           磁致伸縮位移傳感器經實驗測試 ,性能穩定 ,位置磁鐵在測桿的不同位置處均能被準確地反映出來 ,脈沖激發電路設計出來后用 multisim 模擬后效果理想 ,與實際電路中的結果一致。傳感器拾取到的回波信號經過濾波 ,差模放大 ,電壓比較后實現脈寬調制 ,電壓積分 ,限壓保護等一系列處理電路后示波器波形明顯。傳感器的線性度 ,遲滯特性 ,重復性以及穩定性均達到了工業產品標準 ,為該類傳感器的研究和生產應用給出了一定的實際依據。


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