一種磁致伸縮位移傳感器的優(yōu)化設(shè)計方法

李叢珊,姜印平

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(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)計方法

李叢珊,姜印平*

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,天津 300072)

介紹了磁致伸縮直線位移傳感器的測量原理,對傳感器中的關(guān)鍵電路進行了優(yōu)化。在激勵脈沖發(fā)生裝置的設(shè)計中,提出了一種低成本、低功耗且兼顧脈沖質(zhì)量的實現(xiàn)方案。在回波信號拾取裝置的設(shè)計中,確定了其中關(guān)鍵參數(shù)。在計時裝置的設(shè)計中,提出了一種簡單同時滿足精度要求的計時方案。經(jīng)過優(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。

磁致伸縮;位移傳感器;激勵脈沖;檢測線圈

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)實現(xiàn)位移測量的一種非接觸式絕對位移傳感器。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、成本適中等眾多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、航空等行業(yè)的各種罐儲的液位測量系統(tǒng)中。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[1]。我國在磁致伸縮位移傳感器的研究方面與西方國家還有較大差距,但也正在進行積極的探索,并取得了一定進展[2]。本文對磁致伸縮位移傳感器的關(guān)鍵電路進行了優(yōu)化設(shè)計,并對優(yōu)化后傳感器的性能進行了分析。

1 磁致伸縮位移傳感器測量原理

圖1是磁致伸縮位移傳感器的測量原理圖。

圖1 磁致伸縮位移傳感器測量原理示意圖

在磁致伸縮液位傳感器波導(dǎo)絲的一端施加一個激勵脈沖,脈沖沿波導(dǎo)絲向前傳播時,有一個環(huán)形磁場H伴隨著激勵脈沖以光速向前傳播。當環(huán)形磁場遇到浮子中的永磁體產(chǎn)生的縱向磁場時,將會使波導(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發(fā)生變化,從而接受線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過調(diào)理電路濾波放大處理,將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換為計時器可以識別的電脈沖,計數(shù)器通過計算發(fā)生激勵脈沖和接受脈沖之間的時間差t來計算浮子的位置,從而得到當前被測體的液位[5-6]。

2 磁致伸縮位移傳感器的電路設(shè)計

圖2是磁致伸縮位移傳感器系統(tǒng)原理框圖。由單片機(MCU)主控制器控制脈沖發(fā)生電路發(fā)生激勵脈沖,同時計時電路開始工作,當激勵脈沖信號遇見活動浮子(永磁體)時,會在波導(dǎo)絲上面發(fā)生磁致伸縮效應(yīng),產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。當扭轉(zhuǎn)波返回到接受裝置時,根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng),接受裝置將扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)化為電信號即將感應(yīng)出感生電動勢,經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理得到較好的脈沖信號發(fā)送給計時電路和單片機(MCU),此時計時電路停止計時并把數(shù)值傳給MCU。MCU通過計算得到被測液體的準確液位,并通過LCD顯示出來、通過4 mA～20 mA和其他通訊方式傳送給上位機或者其他設(shè)備[7-8]。

圖2 磁致伸縮位移傳感器系統(tǒng)原理框圖

2.1 激勵脈沖電路設(shè)計

激勵脈沖電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 激勵脈沖電路圖

圖3中MIC4425為MOSFET管IRF2807專用的驅(qū)動芯片。電容C31、C32連接升壓電路的輸出端,當MOSFET管IRF2807不導(dǎo)通的時候,電容C31,C32充電,儲存電能。當MOSFET管IRF2807導(dǎo)通的時候,電容C31,C32放電,電能通過MOSFET管IRF2807,線圈S-和線圈S+到電容C31,C32的另一端。圖4為S+點的信號圖,可以看到S+的脈沖信號的脈寬約為2 μs,幅值約為-60 V,頻率為100 kHz。采用單片機處理器產(chǎn)生最原始的激勵脈沖信號,這樣電路既簡單又容易控制。選擇電容-晶體二級管升壓電路來提高幅值,并增加級聯(lián)使電壓幅值達到60 V,大大提高了激勵脈沖信號的質(zhì)量,同時擁有經(jīng)濟、不會浪費很多電能(低功耗)等多種優(yōu)點。

圖4 激勵脈沖信號

2.2 回波信號拾取裝置電路設(shè)計

回波信號拾取裝置的關(guān)鍵技術(shù)是信號調(diào)理電路系統(tǒng)。由于檢測線圈接收到的信號十分微弱,并且有很多復(fù)雜的噪聲,因此計時裝置若想識別,必須將信號通過信號調(diào)理電路才能輸送給計時裝置。因此本文設(shè)計了如下回波信號拾取裝置:對原始的線圈檢測電信號,首先進行一級放大,再通過頻率特性進行濾波,再進行二級放大,最后通過比較電路將信號進行整形?；夭ㄐ盘柺叭⊙b置電路系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 回波信號拾取裝置電路系統(tǒng)框圖

2.2.1 一次放大和簡單帶通濾波電路設(shè)計

由于線圈中檢測的電信號較微弱,且為交流信號,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)等指標都滿足信號放大的要求。

圖6 一次放大和簡單帶通濾波電路圖

從圖6可以看出,放大器MAX4452只對輸入的交流信號有放大作用,其放大增益為

(1)

MDS-F/L為檢測線圈,電容C3為線圈信號的儲能元件。當扭轉(zhuǎn)波沒有到來時,即線圈中沒有檢測到交流信號時,放大器MAX4452的1腳輸出電壓只有直流分量

(2)

當線圈中檢測到交流信號時,其信號首先通過R4和C4的簡單濾波,然后在通過放大器MAX4452放大輸出。這時放大器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

濾波器分為有源濾波器和無源濾波器[9]。無源RLC濾波器設(shè)計電路實現(xiàn),可以使電路成本很低,但無源濾波器卻不容易調(diào)整帶通的參數(shù),且對元器件的品質(zhì)因數(shù)要求高。信號經(jīng)過無源濾波器后,經(jīng)常會有很大的幅值衰減,所以綜上選擇有源濾波器進行設(shè)計。

圖7 MAX275組成的濾波電路

圖8 經(jīng)過濾波放大后的信號采集圖

本設(shè)計采用專用的集成濾波芯片來實現(xiàn)。采用這種方案的優(yōu)點是元器件容易選擇,濾波器的各項參數(shù)容易調(diào)節(jié)。經(jīng)過比較選擇MAX275來設(shè)計有源濾波放大電路。圖7為MAX275組成的濾波電路,回波檢測信號的頻率大約為200 kHz左右,MAX275組成的濾波電路可以防止150 kHz以下的噪聲信號通過,提高信號的質(zhì)量。圖8為濾波放大后的信號圖。

2.2.3 比較整形電路設(shè)計

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

圖9 比較整形電路

圖10 比較整形后信號采集圖

2.3 計時裝置電路設(shè)計

采用8位單片機和RLC振蕩計時電路設(shè)計該裝置,采用PIC16F系列單片機來完成計時操作和傳感器系統(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點信號采集圖,下降沿為激勵脈沖信號起始時間,上升沿為回波信號接受時間;圖12中曲線b是RC0/TIME點的信號采集圖,激勵脈沖和回波信號之間發(fā)生RLC振蕩,用來給單片機計時裝置提供計數(shù)基準;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,這樣計時器影響的直接測量誤差為150 μm。

經(jīng)過對3種計時裝置的比較,最后選擇了第3種方案,采用RLC振蕩作為計時裝置的基準時鐘,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時鐘。

圖12 計時信號采集圖

3 實驗結(jié)果

為了獲得磁致伸縮位移傳感器的性能指標如線性度、遲滯性、重復(fù)性等,對磁致伸縮位移傳感器進行標定系統(tǒng)實驗。通過LABVIEW完成測量標定實驗上位機PC程序設(shè)計開發(fā),如圖13所示。通過采集可以記錄該位移點的位移值和傳感器計數(shù)器的值,并對數(shù)據(jù)進行曲線擬合。

圖13 PC機數(shù)據(jù)采集操作界面

圖14 標定實驗擬合曲線

在0～100 cm量程范圍內(nèi),平均設(shè)定9個點進行記錄,根據(jù)實驗數(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為計數(shù)器的值,y為傳感器的位移值。

①線性度。在標準條件下,傳感器的擬合直線與校準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為擬合直線與校準曲線間的最大偏差,YF·S為傳感器滿量程輸出。計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量點處的偏差如表1所示。

表1 偏差統(tǒng)計表

(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量范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性,數(shù)值上表示為各測量值正反行程標準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為標準差。用貝賽爾公式計算標準差有

(10)

表2 誤差統(tǒng)計表

計算可得

(11)

從實驗數(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

在激勵脈沖發(fā)生裝置的設(shè)計中,提出了一種低成本、低功耗同時又兼顧脈沖質(zhì)量的實現(xiàn)方案,特別是把脈沖的幅值提高到了60 V。在回波信號拾取裝置的設(shè)計中,分析了影響拾取信號的因素,實驗確定了其中關(guān)鍵的參數(shù)。在計時裝置的設(shè)計中,提出了一種簡單同時又滿足精度要求的計時方案。實驗分析結(jié)果表明傳感器的靜態(tài)特性均能達到了設(shè)計的要求,同時又有設(shè)計中低成本、低功耗、多接口等優(yōu)點。實驗分析結(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)指標均能達到設(shè)計的要求。

[1] 王衛(wèi)東. 磁致伸縮式液面計[J]. 煉油化工自動化,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. 長線磁致伸縮位移傳感器的磁極化強度模型[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,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)計及性能分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,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證[J]. 測控技術(shù),2004(4):19-20.

李叢珊(1990-),女,碩士研究生,主要研究方向為檢測技術(shù)及自動化裝置,13752080970@163.com;

姜印平(1954-),男,高級工程師,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為檢測技術(shù)及自動化裝置;各種智能儀器儀表;自動化設(shè)備;制冷專業(yè)、機械專業(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