王 展，周新志，雷印杰

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都610065)

0 引 言

磁致伸縮位移傳感器利用了磁致伸縮材料的維德曼效應(yīng)和維拉里效應(yīng)［1］，具有高精度、大范圍、強(qiáng)抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)［2］，是一種非接觸式的絕對(duì)位移測(cè)量傳感器，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到油庫(kù)液位測(cè)量、水位監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域中［3］。傳統(tǒng)的磁致伸縮位移傳感器使用的材料受飽和磁致伸縮系數(shù)限制，其所產(chǎn)生的超聲波在傳播時(shí)衰減嚴(yán)重，無(wú)法被可靠地檢測(cè)到，長(zhǎng)距離應(yīng)用受到了限制。

為了突破量程的局限，本文采用了一種具有更高磁致伸縮系數(shù)的Fe83Ga17合金，F(xiàn)e83Ga17飽和磁致伸縮系數(shù)的增加不會(huì)以增加飽和磁場(chǎng)為代價(jià)［4］。傳統(tǒng)的磁致伸縮信號(hào)處理基于硬件，而過(guò)多硬件電路會(huì)產(chǎn)生干擾，放大器的零點(diǎn)漂移和溫度漂移也會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)一定影響［5］。相對(duì)于單片機(jī)，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)體積和功耗更小，減少了系統(tǒng)硬件電路數(shù)量，其高速數(shù)據(jù)處理能力減少了A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間，大大提高了轉(zhuǎn)換精度。同時(shí)，本文針對(duì)溫度對(duì)扭轉(zhuǎn)波速的影響，設(shè)計(jì)了一種溫度補(bǔ)償方法，減小了誤差，提高了測(cè)量精度。

1 磁致伸縮位移傳感器原理

1.1 磁致伸縮位移測(cè)量原理

磁致伸縮位移傳感器由磁致伸縮波導(dǎo)絲、接收線圈、激勵(lì)電路、信號(hào)處理電路等組成，原理圖如圖1 所示。

波導(dǎo)絲加上脈沖電流Ip時(shí)，附近產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)Фi，固定磁鐵產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)Фm，Фi和Фm合成磁場(chǎng)Ф［6］。根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，Ф 附近產(chǎn)生一個(gè)形變，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)彈性波，以固定速度v 向波導(dǎo)絲兩端傳播。當(dāng)彈性波到達(dá)波導(dǎo)絲末端的接收線圈時(shí)，磁通量密度B 發(fā)生變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，設(shè)接收線圈匝數(shù)為N，磁致伸縮線橫截面積為S，接收線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓e 表示為［7，8］

圖1 磁致伸縮位移傳感器測(cè)量原理圖Fig 1 Principle diagram of magnetostrictive displacement sensor

如果彈性波的傳播速度為v，從固定磁鐵到接收線圈的傳播時(shí)間為t，那么固定磁鐵和線圈的位移L 可以表示為［9］

式中 v 為扭轉(zhuǎn)彈性波的速度，G 為波導(dǎo)管的剪切彈性模量，ρ 為波導(dǎo)管密度，G 與ρ 在溫度固定時(shí)恒定，因此，扭轉(zhuǎn)彈性波的傳播速度也是固定的。

1.2 Fe83Ga17材料特性

在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H 的磁場(chǎng)中對(duì)Fe83Ga17進(jìn)行磁化，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 不是關(guān)于H 的單值函數(shù)。隨著H 增加，B 最終達(dá)到飽和，H 逐步減小時(shí)，B 的變化滯后于H，偏離了起始磁化曲線。當(dāng)H 減小至零時(shí)，B 等于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。為使B 減小到零，需要施加一個(gè)稱為矯頑力Hc的反向磁場(chǎng)。磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系是一條閉合線，稱為磁滯回線［5］。Fe83Ga17磁致伸縮波導(dǎo)絲相關(guān)參數(shù):直徑為1 mm;剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為0.007 T;飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm為1.472 T;矯頑力Hc為1.4 kA/m。

根據(jù)Fe83Ga17新型材料磁特性的相關(guān)參數(shù)可知，F(xiàn)e83Ga17材料具有磁導(dǎo)率大、矯頑力小、容易磁化和退磁、磁滯損耗小等特點(diǎn)［5］。

2 硬件比較器測(cè)量方法

傳統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)采用硬件比較器的方式，經(jīng)過(guò)電壓比較器的信號(hào)電壓變?yōu)?/5 V 的TTL 電平。硬件比較器電路圖如圖2 所示。

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是排除了小幅度雜波的干擾，信號(hào)清晰。缺點(diǎn)是當(dāng)干擾信號(hào)的幅度大于比較電平時(shí)，會(huì)將干擾信號(hào)誤判為高電平;當(dāng)磁鐵與檢測(cè)線圈位置過(guò)近，回波信號(hào)進(jìn)入到激勵(lì)信號(hào)震蕩區(qū)域時(shí)，激勵(lì)信號(hào)與回波信號(hào)在幅度上疊加，難以區(qū)分，存在測(cè)量盲區(qū);回波信號(hào)的峰值點(diǎn)與方波信號(hào)上升沿通常不重合，也會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。

圖2 硬件比較器電路圖Fig 2 Circuit diagram of hardware comparator

3 基于DSP 的磁致伸縮位移測(cè)量

3.1 信號(hào)采樣與濾波

實(shí)驗(yàn)中，磁致伸縮位移傳感器電路單元所產(chǎn)生周期電流脈沖的幅度24 V，脈寬28 μs，頻率為1.22 kHz?；贒SP的信號(hào)處理流程圖如圖3 所示。

圖3 基于DSP 的信號(hào)處理流程圖Fig 3 Flowchart of DSP-based signal processing

TMS320F2812 芯片采集接收線圈接收的信號(hào)包含了激勵(lì)信號(hào)、回波信號(hào)以及噪聲信號(hào)。A/D 轉(zhuǎn)換器和事件管理器EVA 是TMS320F2812 的外圍設(shè)備，對(duì)信號(hào)采樣。鎖相環(huán)寄存器提供系統(tǒng)時(shí)鐘，高速外設(shè)時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)寄存器為A/D 轉(zhuǎn)換器和EVA 提供高速外設(shè)時(shí)鐘。EVA 的周期寄存器T1PR 決定了通用定時(shí)器GP1 計(jì)數(shù)周期，設(shè)置GP1 的下溢中斷事件啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換器，從而準(zhǔn)確控制采樣頻率。A/D采樣的流程圖如圖4 所示。

圖4 A/D 采樣原理圖Fig 4 Principle diagram of A/D sampling

波導(dǎo)管的電流脈沖和激勵(lì)脈沖會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定程度的干擾，剩磁現(xiàn)象也會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比，測(cè)量精度和量程將會(huì)受到影響。MAX275 是通用有源濾波器，通過(guò)將MAX275 的兩個(gè)獨(dú)立二階濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階帶通濾波器，能有效抑制回波信號(hào)中的噪聲，也在一定程度上減弱了剩磁現(xiàn)象的干擾［10］。本文采用軟件濾波的方法進(jìn)一步改善信號(hào)質(zhì)量。通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行FFT 分析，信號(hào)頻率主要集中在60 kHz 以下，因此，設(shè)計(jì)了截止頻率為65 kHz 的低通濾波器。

3.2 位移測(cè)量

激勵(lì)信號(hào)峰值點(diǎn)為N1，回波信號(hào)峰值點(diǎn)為N2，激勵(lì)信號(hào)和回波信號(hào)之間的間隔點(diǎn)數(shù)N=N2－N1，如果采樣周期為T(mén)，則磁致伸縮位移傳感器激勵(lì)信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)間差t=NT，位移L 表示為

3.2.1 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

由于波導(dǎo)管材料本身的熱彈性系數(shù)，波導(dǎo)管剪切彈性模量G 隨著溫度的升高而減小，從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)波傳播速度v 改變，若不針對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，會(huì)使傳感器位移測(cè)量值產(chǎn)生較大的誤差，因此，實(shí)際測(cè)量中要對(duì)結(jié)果實(shí)時(shí)修正。Fe－Ga 合金中扭轉(zhuǎn)波速與溫度的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 Fe-Ga 合金扭轉(zhuǎn)波速與溫度的關(guān)系曲線Fig 5 Relationship curve of velocity of elastic wave and temperature of Fe-Ga alloys

實(shí)驗(yàn)中，利用兩個(gè)位置磁鐵實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，基于硬件比較器的雙磁鐵溫度補(bǔ)償方法如圖6 所示。在傳感器前端某一固定位置處安放磁鐵，精確位置為L(zhǎng)1，產(chǎn)生回波信號(hào)1，回波信號(hào)2 由實(shí)際測(cè)量位移處磁鐵產(chǎn)生，位移為L(zhǎng)2，回波信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)之間的時(shí)間差分別為T(mén)1和T2。同一溫度下扭轉(zhuǎn)波速相同，得到

圖6 采用溫度補(bǔ)償?shù)男盘?hào)Fig 6 Signals with temperature compensation

磁致伸縮信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP 采樣和濾波后，兩個(gè)回波信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)之間的間隔點(diǎn)數(shù)分別為N1'和N2'，可以得到

3.2.2 基于DSP 的雙磁鐵峰值檢測(cè)

基于DSP 的雙磁鐵峰值檢測(cè)流程圖如圖7。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7 基于DSP 的雙磁鐵峰值檢測(cè)流程圖Fig 7 Flowchart of peak detection with double-magnet based on DSP

實(shí)驗(yàn)中，GP1 的計(jì)數(shù)頻率F=18.75 MHz，計(jì)數(shù)周期TD=14，采樣頻率f=F/(TD+1)=1.25 MHz，采樣周期T=1/f=0.8 μs。

實(shí)驗(yàn)中，固定磁鐵與實(shí)際測(cè)量磁鐵的位移精確值L1和L2由毫米尺測(cè)量得到，同時(shí)用硬件比較器法與峰值比較法分別計(jì)算測(cè)量磁鐵位移，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 和圖9 所示，固定磁鐵精確值為12.06 cm，圖8 的實(shí)際值為34.88 cm，硬件比較器法的測(cè)量誤差較大，平均為0.56 cm，峰值檢測(cè)法測(cè)量中，N1'=50，N2'=145，L=L1(N2'/N1')=34.97 cm，測(cè)量值基本在實(shí)際值附近，平均誤差為0.09 cm。

圖8 位置1 的位移測(cè)量結(jié)果Fig 8 Displacement measurement results in position 1

圖9 實(shí)際測(cè)量值為69.1 cm，硬件比較器法平均誤差為1.38 cm，峰值檢測(cè)法的平均誤差為0.12 cm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:通過(guò)溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，峰值檢測(cè)法能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。

圖9 位置2 的位移測(cè)量結(jié)果Fig 9 Displacement measurement results in position 2

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)采用Fe83Ga17新型材料替代Fe－Ni 材料，改進(jìn)磁致伸縮位移傳感器，提高了傳感器的測(cè)量量程，保證了穩(wěn)定性。討論了基于DSP(TMS320F2812)的磁致伸縮位移傳感器信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)，利用DSP 實(shí)現(xiàn)磁致伸縮信號(hào)采樣，設(shè)計(jì)了FIR 低通濾波器改善信號(hào)的質(zhì)量。比較了硬件比較器法和峰值檢測(cè)法的測(cè)量結(jié)果，并利用雙磁鐵實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，從而獲取精確可靠的數(shù)據(jù)。若要進(jìn)一步提高分辨率，可以提高采樣頻率。

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