李叢珊,姜印平

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072)

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一種磁致伸縮位移傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

李叢珊,姜印平*

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072)

介紹了磁致伸縮直線位移傳感器的測(cè)量原理,對(duì)傳感器中的關(guān)鍵電路進(jìn)行了優(yōu)化。在激勵(lì)脈沖發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)中,提出了一種低成本、低功耗且兼顧脈沖質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)方案。在回波信號(hào)拾取裝置的設(shè)計(jì)中,確定了其中關(guān)鍵參數(shù)。在計(jì)時(shí)裝置的設(shè)計(jì)中,提出了一種簡(jiǎn)單同時(shí)滿足精度要求的計(jì)時(shí)方案。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的傳感器具有很好的靜態(tài)特性,且具有低成本、低功耗、多接口等優(yōu)點(diǎn)。

磁致伸縮;位移傳感器;激勵(lì)脈沖;檢測(cè)線圈

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(yīng)及其逆效應(yīng)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的一種非接觸式絕對(duì)位移傳感器。它有非接觸、精度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定性可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、成本適中等眾多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、航空等行業(yè)的各種罐儲(chǔ)的液位測(cè)量系統(tǒng)中。國(guó)外量程高達(dá)18 m的磁致伸縮液位傳感器準(zhǔn)確度可達(dá)到0.025% FS或0.508 mm,并且可以同時(shí)測(cè)量液位、界面和溫度等多個(gè)參數(shù),形成了系列化產(chǎn)品[1]。我國(guó)在磁致伸縮位移傳感器的研究方面與西方國(guó)家還有較大差距,但也正在進(jìn)行積極的探索,并取得了一定進(jìn)展[2]。本文對(duì)磁致伸縮位移傳感器的關(guān)鍵電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)優(yōu)化后傳感器的性能進(jìn)行了分析。

1 磁致伸縮位移傳感器測(cè)量原理

圖1是磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量原理圖。

圖1 磁致伸縮位移傳感器測(cè)量原理示意圖

在磁致伸縮液位傳感器波導(dǎo)絲的一端施加一個(gè)激勵(lì)脈沖,脈沖沿波導(dǎo)絲向前傳播時(shí),有一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)H伴隨著激勵(lì)脈沖以光速向前傳播。當(dāng)環(huán)形磁場(chǎng)遇到浮子中的永磁體產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)時(shí),將會(huì)使波導(dǎo)絲發(fā)生扭變并產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波[3]。該扭轉(zhuǎn)波以恒定的速率沿著波導(dǎo)絲向兩端傳播,繼續(xù)向前傳播的扭轉(zhuǎn)波被波導(dǎo)絲一端的阻尼原件吸收,向回傳播的扭轉(zhuǎn)波會(huì)傳到接受帶材上[4]。根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng),纏繞帶材的接受線圈中的磁通量會(huì)發(fā)生變化,從而接受線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)調(diào)理電路濾波放大處理,將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為計(jì)時(shí)器可以識(shí)別的電脈沖,計(jì)數(shù)器通過(guò)計(jì)算發(fā)生激勵(lì)脈沖和接受脈沖之間的時(shí)間差t來(lái)計(jì)算浮子的位置,從而得到當(dāng)前被測(cè)體的液位[5-6]。

2 磁致伸縮位移傳感器的電路設(shè)計(jì)

圖2是磁致伸縮位移傳感器系統(tǒng)原理框圖。由單片機(jī)(MCU)主控制器控制脈沖發(fā)生電路發(fā)生激勵(lì)脈沖,同時(shí)計(jì)時(shí)電路開(kāi)始工作,當(dāng)激勵(lì)脈沖信號(hào)遇見(jiàn)活動(dòng)浮子(永磁體)時(shí),會(huì)在波導(dǎo)絲上面發(fā)生磁致伸縮效應(yīng),產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波返回到接受裝置時(shí),根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng),接受裝置將扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)即將感應(yīng)出感生電動(dòng)勢(shì),經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的處理得到較好的脈沖信號(hào)發(fā)送給計(jì)時(shí)電路和單片機(jī)(MCU),此時(shí)計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)并把數(shù)值傳給MCU。MCU通過(guò)計(jì)算得到被測(cè)液體的準(zhǔn)確液位,并通過(guò)LCD顯示出來(lái)、通過(guò)4 mA～20 mA和其他通訊方式傳送給上位機(jī)或者其他設(shè)備[7-8]。

圖2 磁致伸縮位移傳感器系統(tǒng)原理框圖

2.1 激勵(lì)脈沖電路設(shè)計(jì)

激勵(lì)脈沖電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 激勵(lì)脈沖電路圖

圖3中MIC4425為MOSFET管IRF2807專用的驅(qū)動(dòng)芯片。電容C31、C32連接升壓電路的輸出端,當(dāng)MOSFET管IRF2807不導(dǎo)通的時(shí)候,電容C31,C32充電,儲(chǔ)存電能。當(dāng)MOSFET管IRF2807導(dǎo)通的時(shí)候,電容C31,C32放電,電能通過(guò)MOSFET管IRF2807,線圈S-和線圈S+到電容C31,C32的另一端。圖4為S+點(diǎn)的信號(hào)圖,可以看到S+的脈沖信號(hào)的脈寬約為2 μs,幅值約為-60 V,頻率為100 kHz。采用單片機(jī)處理器產(chǎn)生最原始的激勵(lì)脈沖信號(hào),這樣電路既簡(jiǎn)單又容易控制。選擇電容-晶體二級(jí)管升壓電路來(lái)提高幅值,并增加級(jí)聯(lián)使電壓幅值達(dá)到60 V,大大提高了激勵(lì)脈沖信號(hào)的質(zhì)量,同時(shí)擁有經(jīng)濟(jì)、不會(huì)浪費(fèi)很多電能(低功耗)等多種優(yōu)點(diǎn)。

圖4 激勵(lì)脈沖信號(hào)

2.2 回波信號(hào)拾取裝置電路設(shè)計(jì)

回波信號(hào)拾取裝置的關(guān)鍵技術(shù)是信號(hào)調(diào)理電路系統(tǒng)。由于檢測(cè)線圈接收到的信號(hào)十分微弱,并且有很多復(fù)雜的噪聲,因此計(jì)時(shí)裝置若想識(shí)別,必須將信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路才能輸送給計(jì)時(shí)裝置。因此本文設(shè)計(jì)了如下回波信號(hào)拾取裝置:對(duì)原始的線圈檢測(cè)電信號(hào),首先進(jìn)行一級(jí)放大,再通過(guò)頻率特性進(jìn)行濾波,再進(jìn)行二級(jí)放大,最后通過(guò)比較電路將信號(hào)進(jìn)行整形?；夭ㄐ盘?hào)拾取裝置電路系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 回波信號(hào)拾取裝置電路系統(tǒng)框圖

2.2.1 一次放大和簡(jiǎn)單帶通濾波電路設(shè)計(jì)

由于線圈中檢測(cè)的電信號(hào)較微弱,且為交流信號(hào),頻率很高,所以要求放大器的增益不應(yīng)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(wěn)度(30 MHz 0.1 dB Gain Flatness)、速率(95 V/μs Slew Rate)等指標(biāo)都滿足信號(hào)放大的要求。

圖6 一次放大和簡(jiǎn)單帶通濾波電路圖

從圖6可以看出,放大器MAX4452只對(duì)輸入的交流信號(hào)有放大作用,其放大增益為

(1)

MDS-F/L為檢測(cè)線圈,電容C3為線圈信號(hào)的儲(chǔ)能元件。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波沒(méi)有到來(lái)時(shí),即線圈中沒(méi)有檢測(cè)到交流信號(hào)時(shí),放大器MAX4452的1腳輸出電壓只有直流分量

(2)

當(dāng)線圈中檢測(cè)到交流信號(hào)時(shí),其信號(hào)首先通過(guò)R4和C4的簡(jiǎn)單濾波,然后在通過(guò)放大器MAX4452放大輸出。這時(shí)放大器MAX4452的1腳輸出為直流分量和交流分量之和

VS_OUT=VZ+VJ

(3)

2.2.2 帶通濾波電路設(shè)計(jì)

濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器[9]。無(wú)源RLC濾波器設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn),可以使電路成本很低,但無(wú)源濾波器卻不容易調(diào)整帶通的參數(shù),且對(duì)元器件的品質(zhì)因數(shù)要求高。信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波器后,經(jīng)常會(huì)有很大的幅值衰減,所以綜上選擇有源濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 MAX275組成的濾波電路

圖8 經(jīng)過(guò)濾波放大后的信號(hào)采集圖

本設(shè)計(jì)采用專用的集成濾波芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是元器件容易選擇,濾波器的各項(xiàng)參數(shù)容易調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)比較選擇MAX275來(lái)設(shè)計(jì)有源濾波放大電路。圖7為MAX275組成的濾波電路,回波檢測(cè)信號(hào)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(hào)通過(guò),提高信號(hào)的質(zhì)量。圖8為濾波放大后的信號(hào)圖。

2.2.3 比較整形電路設(shè)計(jì)

為了使計(jì)時(shí)裝置更好的采集信號(hào),我們?cè)谡{(diào)理電路后端加上比較整形電路,使信號(hào)成為脈沖方波信號(hào)。這樣計(jì)時(shí)裝置就可以有效地采集到信號(hào)的上升沿或者下降沿。本文選擇和一級(jí)放大中同樣型號(hào)的放大器,如圖9所示。圖10為整形后的信號(hào)采集圖。

圖9 比較整形電路

圖10 比較整形后信號(hào)采集圖

2.3 計(jì)時(shí)裝置電路設(shè)計(jì)

采用8位單片機(jī)和RLC振蕩計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)該裝置,采用PIC16F系列單片機(jī)來(lái)完成計(jì)時(shí)操作和傳感器系統(tǒng)控制邏輯處理,如圖11所示。

圖11 RLC振蕩電路

圖12中曲線a為圖11中S_BACK點(diǎn)信號(hào)采集圖,下降沿為激勵(lì)脈沖信號(hào)起始時(shí)間,上升沿為回波信號(hào)接受時(shí)間;圖12中曲線b是RC0/TIME點(diǎn)的信號(hào)采集圖,激勵(lì)脈沖和回波信號(hào)之間發(fā)生RLC振蕩,用來(lái)給單片機(jī)計(jì)時(shí)裝置提供計(jì)數(shù)基準(zhǔn);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(jì)時(shí)器影響的直接測(cè)量誤差為150 μm。

經(jīng)過(guò)對(duì)3種計(jì)時(shí)裝置的比較,最后選擇了第3種方案,采用RLC振蕩作為計(jì)時(shí)裝置的基準(zhǔn)時(shí)鐘,只要調(diào)節(jié)合理的RLC參數(shù),就可以得到不同頻率的基準(zhǔn)時(shí)鐘。

圖12 計(jì)時(shí)信號(hào)采集圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了獲得磁致伸縮位移傳感器的性能指標(biāo)如線性度、遲滯性、重復(fù)性等,對(duì)磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)LABVIEW完成測(cè)量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)上位機(jī)PC程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),如圖13所示。通過(guò)采集可以記錄該位移點(diǎn)的位移值和傳感器計(jì)數(shù)器的值,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。

圖13 PC機(jī)數(shù)據(jù)采集操作界面

圖14 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)擬合曲線

在0～100 cm量程范圍內(nèi),平均設(shè)定9個(gè)點(diǎn)進(jìn)行記錄,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出曲線如圖14所示。

由圖可以看出正行程和反行程重合在一起,線性度較高。由最小二乘法擬合直線可得

y=-30x+3237

(4)

式中,x為計(jì)數(shù)器的值,y為傳感器的位移值。

①線性度。在標(biāo)準(zhǔn)條件下,傳感器的擬合直線與校準(zhǔn)曲線間的最大偏差與滿量程(F·S)輸出值的百分比稱為線性度δL[10],有

(5)

式中,ΔYmax為擬合直線與校準(zhǔn)曲線間的最大偏差,YF·S為傳感器滿量程輸出。計(jì)算得傳感器的線性度為

(6)

②遲滯。遲滯是指在相同的工作條件下,對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值的最大偏差[11]。其數(shù)值表示為最大偏差的一半與滿量程的輸出比,即

(7)

式中,ΔHmax為輸出值在正行程和反行程最大偏差,δH為傳感器的遲滯。正行程和反行程在不同測(cè)量點(diǎn)處的偏差如表1所示。

表1 偏差統(tǒng)計(jì)表

(8)

③重復(fù)性。重復(fù)性是指在相同的工作條件下,輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性,數(shù)值上表示為各測(cè)量值正反行程標(biāo)準(zhǔn)差最大值的兩至三倍與滿量程的百分比[12],即

(9)

式中,δK為重復(fù)性,σ為標(biāo)準(zhǔn)差。用貝賽爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差有

(10)

表2 誤差統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算可得

(11)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,磁致伸縮位移傳感器在線性度、遲滯性、重復(fù)性方面都有很好的表現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在激勵(lì)脈沖發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)中,提出了一種低成本、低功耗同時(shí)又兼顧脈沖質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)方案,特別是把脈沖的幅值提高到了60 V。在回波信號(hào)拾取裝置的設(shè)計(jì)中,分析了影響拾取信號(hào)的因素,實(shí)驗(yàn)確定了其中關(guān)鍵的參數(shù)。在計(jì)時(shí)裝置的設(shè)計(jì)中,提出了一種簡(jiǎn)單同時(shí)又滿足精度要求的計(jì)時(shí)方案。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明傳感器的靜態(tài)特性均能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,同時(shí)又有設(shè)計(jì)中低成本、低功耗、多接口等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果得到傳感器的線性度為±0.002184%,遲滯為0.0014875%,重復(fù)性為±0.003%,這些靜態(tài)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

[1] 王衛(wèi)東. 磁致伸縮式液面計(jì)[J]. 煉油化工自動(dòng)化,1997(6):60-63.

[2]Jia Zhenyuan,Liu Huifang,Wang Fuji. Advances in the Growth and Characterization of Magnetic,Ferroelectric,and Multiferroic Oxide Thin Films[J]. Journal of Alloys and Compounds,2011,509(2):1760-1767.

[3]樊長(zhǎng)在,楊慶新,楊文榮. 基于磁致伸縮逆效應(yīng)的超磁致伸縮力傳感器[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2007(4):5-7.

[4]Martin L W,Chu Y H,Ramesh R. Advances in the Growth and Characterization of Magnetic,Ferroelectric,and Multiferroic Oxide Thin Films[J]. Materials Science and Engineering R,2010,68(4):89-133.

[5]王崢,常曉明,脇若弘之. 長(zhǎng)線磁致伸縮位移傳感器的磁極化強(qiáng)度模型[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(8):1075-1078.

[6]Marauska S,Jahns R,Kirchhof. Highly Sensitive Wafer-Level Packaged MEMS Magnetic Field Sensor Based on Magnetoelectric Composites[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2013,189(15):321-327.

[7]Pang Pengfei,Zhang Yanli,Ge Shutian. Determination of Glucose Using Bienzyme Layered Assembly Magnetoelastic Sensing Device[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2009,136(2):310-314.

[8]Fernando Seco,José Miguel Martín,Antonio Ramón Jiménez. A High Accuracy Magnetostrictive Linear Position Sensor[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2005,123(23):216-223.

[9]Hristoforou E,Dimitropoulos P D,Petrou J. A New Position Sensor Based on the MDL Technique[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2006,132(1):112-121.

[10]Dong Xufeng,Qi Min,Guan Xinchun. Magnetostrictive Properties of Titanate Coupling Agent Treated Terfenol-D Composites[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2012,6(324):1205-1208.

[11]顏慶偉,趙玉龍,蔣莊德. 磁致伸縮液位傳感器的電路設(shè)計(jì)及性能分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(5):777-780.

[12]鄭濤,石秀華,許暉. 數(shù)字濾波新方法嘗試與驗(yàn)證[J]. 測(cè)控技術(shù),2004(4):19-20.

李叢珊(1990-),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置,13752080970@163.com;

姜印平(1954-),男,高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置;各種智能儀器儀表;自動(dòng)化設(shè)備;制冷專業(yè)、機(jī)械專業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域,13821574962@163.com。

AnOptimizationDesignMethodofMagnetostrictiveDisplacementSensor

LICongshan,JIANGYinping*

(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

The measurement principle of magnetostriction linear displacement sensor is introduced,on the key circuit of the sensor is optimized. In the design of excitation pulse generator,this paper proposes a low-cost,low-power and pulse quality implementation scheme. In the design of the echo signal pick-up device,analyzes the factors that affect pick up the signal,further identified the key parameters. In the design of timing device,this paper proposes a simple and at the same time meet the accuracy requirement of timing plan. The optimized sensors have good static characteristics and the advantages of low cost,low power consumption and multi-interface and so on.

magnetostrictive;displacement sensor;pulsed excitation;detection coil

201-05-30修改日期:2014-07-28

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.010

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)09-1202-06