??磁致伸縮液位傳感器利用磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng) ,通過測量發(fā)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(zhì)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(fù)性好、可靠性高的優(yōu)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應(yīng)用于石油、化工、輕工、紡織等行業(yè)。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(shù)，形成了系列化產(chǎn)品。雖然我國在該類磁性材料的制備技術(shù)方面已經(jīng)達到水平，但是應(yīng)用研究則明顯落后于西方發(fā)達國家，此類產(chǎn)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(guān)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(nèi)置環(huán)形磁鐵) 、測桿、電子倉、阻尼裝置等構(gòu)成 。

??脈沖發(fā)生裝置以固定頻率給波導絲發(fā)送激勵電流脈沖 ,由安培環(huán)路定理 ,在波導絲周圍感應(yīng)出環(huán)形磁場 ,浮球中的環(huán)形磁鐵也形成一個固定的軸向磁場。根據(jù) Widemanm 效應(yīng),在這兩個磁場的正交作用下 ,形成一個扭轉(zhuǎn)彈性波 ,分別向波導絲兩邊傳播。磁致扭轉(zhuǎn)彈性波的波速在恒溫下為固定值當扭轉(zhuǎn)彈性波傳到波檢測器一端時 ,由于磁致伸縮逆效應(yīng) (Villari 效應(yīng)) ,使波導絲的長度發(fā)生微小變化 ,檢測線圈中的磁通量發(fā)生變化 ,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 ,通過檢測發(fā)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(yīng)線圈之間的距離 ,再由時間2電壓或者時間2電流轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)信號輸出 ;扭轉(zhuǎn)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(xiàn)

??在周期脈沖發(fā)生模塊中 ,由晶振和計數(shù)器調(diào)節(jié)控制時鐘頻率 ,向波導絲發(fā)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(zhuǎn)波信號為差模信號 ,因此經(jīng)信號的濾波和差模放大后 ,進行零位或峰值檢波 ,確定扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彈性波在波導絲中的傳播時間 ;在每一個周期內(nèi)對電壓比較電路處理后的脈沖信號積分 ,經(jīng)過過壓保護電路和放大電路后調(diào)整到合適的輸出電壓 ,將位置信息以符合 HAR T 協(xié)議的標準電流信號形式輸出 。

??該處理電路中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有 :

??①需要產(chǎn)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(yīng)出周期脈沖環(huán)形磁場 ,需要足夠大的電流強度。

??②扭轉(zhuǎn)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(diào)制技術(shù) ( PWM) ,實現(xiàn)電壓峰值或零位比較檢波 ,通過發(fā)射電流脈沖到接收到回波信號確定扭轉(zhuǎn)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(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換輸出。

??磁致伸縮位移傳感器

??2.1、周期脈沖電流產(chǎn)生模塊

??試驗做一個量程為 2 m 的液位傳感器 ,扭轉(zhuǎn)波波速根據(jù)波導絲材料成分的不同而相差較大 ,大概為 3 000 m/ s ,遠處扭轉(zhuǎn)彈性波傳到波檢測器處的時間為 0. 667 ms ,對于晶振發(fā)出的時鐘信號進行分頻處理 ,選取的脈沖周期應(yīng)該大于扭轉(zhuǎn)彈性波在波導絲中的傳播時間。由于發(fā)射的電流脈沖信號對于檢測到優(yōu)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(guān)而產(chǎn)生反沖電壓 ,從而產(chǎn)生需要的脈沖電流 。

??2.2、回波接收模塊

??扭轉(zhuǎn)彈性波信號的檢測拾取、濾波是設(shè)計傳感器回波接收模塊的關(guān)鍵技術(shù) ,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(wěn)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(zhuǎn)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(xù)的處理電路得到了較好的信號。

??2.3、脈寬調(diào)制電路

??電壓比較電路是工業(yè)控制中經(jīng)常遇到的信號處理方法 ,主要作用是根據(jù)電路性能的需要 ,預(yù)先設(shè)定好一個門限電壓 ,實現(xiàn)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(chǎn)生一個PWM 信號 ,脈沖寬度與發(fā)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(jīng)過 PWM 的脈沖信號積分后得到電壓平均值 ,通過調(diào)整電路參數(shù)將電壓值轉(zhuǎn)換到合適的電壓范圍 ,從而轉(zhuǎn)換成工業(yè)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(wěn)定的電壓均值 ,將傳感器的位置信號轉(zhuǎn)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(shù)字電壓或電流信號 ,因此測量誤差表現(xiàn)在系統(tǒng)誤差上 ,主要取決于波導絲材料性能的穩(wěn)定性 ,波導絲表面光滑度 ,材料缺陷的多少 ,電路系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和抗干擾能力 ,特別是環(huán)境溫度變化使液體密度變化產(chǎn)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(nèi) ,移動浮球 ,每隔 20 cm 記一組數(shù)據(jù) ,測量 50 組數(shù)據(jù)。輸出電流對應(yīng)的位移與浮球?qū)嶋H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(nèi)來回移動 ,測量范圍為 0～2 m ,數(shù)據(jù)如圖 8 所示 ,每隔 20 cm 測一個數(shù)據(jù)。

??3.3、穩(wěn)定性

??把浮球放在測桿的同一位置處 ,環(huán)境溫度穩(wěn)定在 20 ℃,每隔 1 h 記錄一次數(shù)據(jù) ;改變環(huán)境溫度 ,使傳感器處于 0～40 ℃之間，可以得出 :傳感器在恒定室溫下的時漂穩(wěn)定性誤差為 0. 075 mm ,恒溫下傳感器的穩(wěn)定性能良好。

??在 0～40 ℃之間的溫漂穩(wěn)定性誤差為 1. 125 mm ,因此可見溫度對于傳感器的穩(wěn)定性有較大影響 ,主要由于材料性能隨著溫度的變化而發(fā)生變化 ,引起扭轉(zhuǎn)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(tǒng)誤差。

??4、結(jié)論

??磁致伸縮位移傳感器經(jīng)實驗測試 ,性能穩(wěn)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(fā)電路設(shè)計出來后用 multisim 模擬后效果理想 ,與實際電路中的結(jié)果一致。傳感器拾取到的回波信號經(jīng)過濾波 ,差模放大 ,電壓比較后實現(xiàn)脈寬調(diào)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(fù)性以及穩(wěn)定性均達到了工業(yè)產(chǎn)品標準 ,為該類傳感器的研究和生產(chǎn)應(yīng)用給出了實際依據(jù)。