一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法

李丛珊,姜印平

(天津大学电气与自动化工程学院,天津 300072)



一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法

李丛珊,姜印平*

(天津大学电气与自动化工程学院,天津 300072)

介绍了磁致伸缩直线位移传感器的测量原理,对传感器中的关键电路进行了优化。在激励脉冲发生装置的设计中,提出了一种低成本、低功耗且兼顾脉冲质量的实现方案。在回波信号拾取装置的设计中,确定了其中关键参数。在计时装置的设计中,提出了一种简单同时满足精度要求的计时方案。经过优化的传感器具有很好的静态特性,且具有低成本、低功耗、多接口等优点。

磁致伸缩;位移传感器;激励脉冲;检测线圈

磁致伸缩直线位移传感器是利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现位移测量的一种非接触式绝对位移传感器。它有非接触、精度高、重复性好、稳定性可靠、环境适应能力强、成本适中等众多优点,被广泛应用于石油、化工、水利、航空等行业的各种罐储的液位测量系统中。国外量程高达18 m的磁致伸缩液位传感器准确度可达到0.025% FS或0.508 mm,并且可以同时测量液位、界面和温度等多个参数,形成了系列化产品[1]。我国在磁致伸缩位移传感器的研究方面与西方国家还有较大差距,但也正在进行积极的探索,并取得了一定进展[2]。本文对磁致伸缩位移传感器的关键电路进行了优化设计,并对优化后传感器的性能进行了分析。

1 磁致伸缩位移传感器测量原理

图1是磁致伸缩位移传感器的测量原理图。

图1 磁致伸缩位移传感器测量原理示意图

在磁致伸缩液位传感器波导丝的一端施加一个激励脉冲,脉冲沿波导丝向前传播时,有一个环形磁场H伴随着激励脉冲以光速向前传播。当环形磁场遇到浮子中的永磁体产生的纵向磁场时,将会使波导丝发生扭变并产生扭转波[3]。该扭转波以恒定的速率沿着波导丝向两端传播,继续向前传播的扭转波被波导丝一端的阻尼原件吸收,向回传播的扭转波会传到接受带材上[4]。根据磁致伸缩逆效应,缠绕带材的接受线圈中的磁通量会发生变化,从而接受线圈中会产生感应电动势。通过调理电路滤波放大处理,将产生感应电动势转换为计时器可以识别的电脉冲,计数器通过计算发生激励脉冲和接受脉冲之间的时间差t来计算浮子的位置,从而得到当前被测体的液位[5-6]。

2 磁致伸缩位移传感器的电路设计

图2是磁致伸缩位移传感器系统原理框图。由单片机(MCU)主控制器控制脉冲发生电路发生激励脉冲,同时计时电路开始工作,当激励脉冲信号遇见活动浮子(永磁体)时,会在波导丝上面发生磁致伸缩效应,产生扭转波。当扭转波返回到接受装置时,根据磁致伸缩逆效应,接受装置将扭转波转化为电信号即将感应出感生电动势,经过信号调理电路的处理得到较好的脉冲信号发送给计时电路和单片机(MCU),此时计时电路停止计时并把数值传给MCU。MCU通过计算得到被测液体的准确液位,并通过LCD显示出来、通过4 mA～20 mA和其他通讯方式传送给上位机或者其他设备[7-8]。

图2 磁致伸缩位移传感器系统原理框图

2.1 激励脉冲电路设计

激励脉冲电路设计如图3所示。

图3 激励脉冲电路图

图3中MIC4425为MOSFET管IRF2807专用的驱动芯片。电容C31、C32连接升压电路的输出端,当MOSFET管IRF2807不导通的时候,电容C31,C32充电,储存电能。当MOSFET管IRF2807导通的时候,电容C31,C32放电,电能通过MOSFET管IRF2807,线圈S-和线圈S+到电容C31,C32的另一端。图4为S+点的信号图,可以看到S+的脉冲信号的脉宽约为2 μs,幅值约为-60 V,频率为100 kHz。采用单片机处理器产生最原始的激励脉冲信号,这样电路既简单又容易控制。选择电容-晶体二级管升压电路来提高幅值,并增加级联使电压幅值达到60 V,大大提高了激励脉冲信号的质量,同时拥有经济、不会浪费很多电能(低功耗)等多种优点。

图4 激励脉冲信号

2.2 回波信号拾取装置电路设计

回波信号拾取装置的关键技术是信号调理电路系统。由于检测线圈接收到的信号十分微弱,并且有很多复杂的噪声,因此计时装置若想识别,必须将信号通过信号调理电路才能输送给计时装置。因此本文设计了如下回波信号拾取装置:对原始的线圈检测电信号,首先进行一级放大,再通过频率特性进行滤波,再进行二级放大,最后通过比较电路将信号进行整形。回波信号拾取装置电路系统框图如图5所示。

图5 回波信号拾取装置电路系统框图

2.2.1 一次放大和简单带通滤波电路设计

由于线圈中检测的电信号较微弱,且为交流信号,频率很高,所以要求放大器的增益不应小于10 MHz,且有良好的放大特性。这里我们选用MAX4452作为放大器,其带宽(200 MHz 3 dB Bandwidth)、增益平稳度(30 MHz 0.1 dB Gain Flatness)、速率(95 V/μs Slew Rate)等指标都满足信号放大的要求。

图6 一次放大和简单带通滤波电路图

从图6可以看出,放大器MAX4452只对输入的交流信号有放大作用,其放大增益为

(1)

MDS-F/L为检测线圈,电容C3为线圈信号的储能元件。当扭转波没有到来时,即线圈中没有检测到交流信号时,放大器MAX4452的1脚输出电压只有直流分量

(2)

当线圈中检测到交流信号时,其信号首先通过R4和C4的简单滤波,然后在通过放大器MAX4452放大输出。这时放大器MAX4452的1脚输出为直流分量和交流分量之和

VS_OUT=VZ+VJ

(3)

2.2.2 带通滤波电路设计

滤波器分为有源滤波器和无源滤波器[9]。无源RLC滤波器设计电路实现,可以使电路成本很低,但无源滤波器却不容易调整带通的参数,且对元器件的品质因数要求高。信号经过无源滤波器后,经常会有很大的幅值衰减,所以综上选择有源滤波器进行设计。

图7 MAX275组成的滤波电路

图8 经过滤波放大后的信号采集图

本设计采用专用的集成滤波芯片来实现。采用这种方案的优点是元器件容易选择,滤波器的各项参数容易调节。经过比较选择MAX275来设计有源滤波放大电路。图7为MAX275组成的滤波电路,回波检测信号的频率大约为200 kHz左右,MAX275组成的滤波电路可以防止150 kHz以下的噪声信号通过,提高信号的质量。图8为滤波放大后的信号图。

2.2.3 比较整形电路设计

为了使计时装置更好的采集信号,我们在调理电路后端加上比较整形电路,使信号成为脉冲方波信号。这样计时装置就可以有效地采集到信号的上升沿或者下降沿。本文选择和一级放大中同样型号的放大器,如图9所示。图10为整形后的信号采集图。

图9 比较整形电路

图10 比较整形后信号采集图

2.3 计时装置电路设计

采用8位单片机和RLC振荡计时电路设计该装置,采用PIC16F系列单片机来完成计时操作和传感器系统控制逻辑处理,如图11所示。

图11 RLC振荡电路

图12中曲线a为图11中S_BACK点信号采集图,下降沿为激励脉冲信号起始时间,上升沿为回波信号接受时间;图12中曲线b是RC0/TIME点的信号采集图,激励脉冲和回波信号之间发生RLC振荡,用来给单片机计时装置提供计数基准;图12中曲线c是RLC振荡周期放大采集图,从图中可以看出振荡周期在50 ns左右,这样计时器影响的直接测量误差为150 μm。

经过对3种计时装置的比较,最后选择了第3种方案,采用RLC振荡作为计时装置的基准时钟,只要调节合理的RLC参数,就可以得到不同频率的基准时钟。

图12 计时信号采集图

3 实验结果

为了获得磁致伸缩位移传感器的性能指标如线性度、迟滞性、重复性等,对磁致伸缩位移传感器进行标定系统实验。通过LABVIEW完成测量标定实验上位机PC程序设计开发,如图13所示。通过采集可以记录该位移点的位移值和传感器计数器的值,并对数据进行曲线拟合。

图13 PC机数据采集操作界面

图14 标定实验拟合曲线

在0～100 cm量程范围内,平均设定9个点进行记录,根据实验数据绘出曲线如图14所示。

由图可以看出正行程和反行程重合在一起,线性度较高。由最小二乘法拟合直线可得

y=-30x+3237

(4)

式中,x为计数器的值,y为传感器的位移值。

①线性度。在标准条件下,传感器的拟合直线与校准曲线间的最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度δL[10],有

(5)

式中,ΔYmax为拟合直线与校准曲线间的最大偏差,YF·S为传感器满量程输出。计算得传感器的线性度为

(6)

②迟滞。迟滞是指在相同的工作条件下,对应同一输入量的正行程和反行程其输出值的最大偏差[11]。其数值表示为最大偏差的一半与满量程的输出比,即

(7)

式中,ΔHmax为输出值在正行程和反行程最大偏差,δH为传感器的迟滞。正行程和反行程在不同测量点处的偏差如表1所示。

表1 偏差统计表

(8)

③重复性。重复性是指在相同的工作条件下,输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性,数值上表示为各测量值正反行程标准差最大值的两至三倍与满量程的百分比[12],即

(9)

式中,δK为重复性,σ为标准差。用贝赛尔公式计算标准差有

(10)

表2 误差统计表

计算可得

(11)

从实验数据看出,磁致伸缩位移传感器在线性度、迟滞性、重复性方面都有很好的表现。

4 结束语

在激励脉冲发生装置的设计中,提出了一种低成本、低功耗同时又兼顾脉冲质量的实现方案,特别是把脉冲的幅值提高到了60 V。在回波信号拾取装置的设计中,分析了影响拾取信号的因素,实验确定了其中关键的参数。在计时装置的设计中,提出了一种简单同时又满足精度要求的计时方案。实验分析结果表明传感器的静态特性均能达到了设计的要求,同时又有设计中低成本、低功耗、多接口等优点。实验分析结果得到传感器的线性度为±0.002184%,迟滞为0.0014875%,重复性为±0.003%,这些静态指标均能达到设计的要求。

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李丛珊(1990-),女,硕士研究生,主要研究方向为检测技术及自动化装置,13752080970@163.com;

姜印平(1954-),男,高级工程师,硕士生导师。主要研究方向为检测技术及自动化装置;各种智能仪器仪表;自动化设备;制冷专业、机械专业等相关领域,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