基于磁致伸縮原理的汽車油量儀的設(shè)計(jì)

付永慶，楊佳彬

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

基于磁致伸縮原理的汽車油量儀的設(shè)計(jì)

付永慶，楊佳彬

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

為提高汽車油量測量精度，設(shè)計(jì)了一種基于磁致伸縮原理的新型數(shù)字化汽車油量儀。具體介紹了脈沖功率放大、回波信號放大與整形、高精度時間測量以及CAN輸出接口等電路模塊。討論了環(huán)境溫度測量誤差和液位測量波動誤差的分析與校正，從而大大提高了油量儀的測量精度及環(huán)境適應(yīng)能力。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)滿足高精度汽車油量測量的要求，為油量儀的產(chǎn)品化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

磁致伸縮;液位測量;傳感器;時間測量;溫度補(bǔ)償

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150730.0847.001.html

目前油量測量的方法有很多，比如超聲波式、雷達(dá)式、電容式、光電式、液壓式、熱學(xué)式，但大部分汽車油量測量依然使用比較傳統(tǒng)的浮子式電位計(jì)測量法，這種測量手段存在精度低、故障率高等弊端［1］。為了解決這一難題，本文提出一種基于磁致伸縮原理的汽車油量測量系統(tǒng)，它利用材料的磁致伸縮效應(yīng)對油箱油位進(jìn)行非接觸式測量，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)。特別適合高精度汽車油量儀的應(yīng)用場合。

1　磁致伸縮液位傳感器的測量原理及結(jié)構(gòu)

1.1磁致伸縮原理

磁致伸縮液位傳感器的測量機(jī)理源于材料的磁致伸縮特性。鐵磁材料在外磁場作用下，材料內(nèi)部方向任意的磁疇將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至與外磁場方向一致，使其長度或體積發(fā)生微小變化，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)［2］。當(dāng)然也存在磁致伸縮逆效應(yīng)，即當(dāng)材料受到壓力或拉力作用時，材料內(nèi)部的磁化狀態(tài)也隨之改變。但磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)有多種表現(xiàn)形式，磁致伸縮液位傳感器主要應(yīng)用其中的維德曼效應(yīng)及其逆效應(yīng)取得傳感器信號。維德曼效應(yīng)是指當(dāng)磁致伸縮材料同時受到軸向磁場和縱向磁場磁化時發(fā)生扭轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的現(xiàn)象，這是測量信號的激發(fā)基礎(chǔ);維德曼逆效應(yīng)，也稱維拉里效應(yīng)，是指磁致伸縮材料由于扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致周圍磁場變化的現(xiàn)象，這是信號接收的基礎(chǔ)［3］。磁致伸縮原理并不復(fù)雜，但由于磁致伸縮量特別微小，一般的鐵鎳合金只有30×10－6，即使應(yīng)用新型超稀土材料，磁致伸縮量也不過1 000×10－6，所以對硬件接收電路具有很高的要求。

1.2油量傳感器測量原理及結(jié)構(gòu)

磁致伸縮液位傳感器是綜合應(yīng)用磁致伸縮效應(yīng)、浮力原理、電磁感應(yīng)理論和電子技術(shù)等綜合技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品［4］。它主要由波導(dǎo)管、非接觸磁環(huán)、應(yīng)變脈沖拾取器和電子電路所組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)

工作時，由電子電路向磁致伸縮波導(dǎo)絲發(fā)送一起始脈沖，與此同時將在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生與波導(dǎo)絲垂直的環(huán)形磁場，二者沿著波導(dǎo)絲以光速向尾端傳播。不銹鋼外管上套有內(nèi)置永久磁鐵的浮子隨液面上下浮動，同時產(chǎn)生一軸向磁場。當(dāng)兩磁場相交時，產(chǎn)生一螺旋磁場，根據(jù)維德曼原理，螺旋磁場在此處激發(fā)一扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波以超聲波速沿著波導(dǎo)絲向兩端傳播。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲尾部時被阻尼元件吸收，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播回頂部時，被磁致伸縮換能器接收，轉(zhuǎn)換為傳感器的終止脈沖。由于波導(dǎo)絲的材質(zhì)是一定的，所以扭轉(zhuǎn)波的傳播速度也是一定的［5］。因此通過測量起始脈沖與終止脈沖的時間差t，再乘以扭轉(zhuǎn)波速v就可得到被測液面的高度d，即

根據(jù)磁致伸縮原理，可將傳統(tǒng)的浮子接觸式液位測量轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙佑|式液位測量。而現(xiàn)在影響測量精度的主要因素是扭轉(zhuǎn)波的傳播速度和計(jì)時精度。

2　傳感器電路設(shè)計(jì)

磁致伸縮液位傳感器電路原理如圖2所示，微控制器通過端口產(chǎn)生起始脈沖，經(jīng)功率放大電路驅(qū)動波導(dǎo)絲，換能器用于接收到磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的微弱回波信號，信號強(qiáng)度一般在2 mV左右，因此需通過放大和整形電路處理才能形成終止脈沖。高精度計(jì)時電路用于計(jì)算起始脈沖與終止脈沖之間的時間差，微處理器負(fù)責(zé)按式(1)接觸液位的高度［6］。由于測量過程是連續(xù)的，所以磁浮子的位置信息能被實(shí)時地檢測出來，并且輸出端數(shù)據(jù)能以各種便利的接口形式給出，例如以CAN數(shù)據(jù)的形式輸出［7］。

圖2　磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)

2.1脈沖功率放大電路

根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，對施加于波導(dǎo)絲的激勵脈沖有嚴(yán)格的要求。首先為了保證磁致伸縮效應(yīng)顯著，就必須要有足夠強(qiáng)的環(huán)形磁場，因此激勵脈沖電流一定要大，因?yàn)椴▽?dǎo)絲的低阻特性，應(yīng)對起始脈沖進(jìn)行功率放大;其次為了獲得較好的回波信號，脈沖寬度亦不能太大，應(yīng)保證在微秒級，同時脈沖要有較好的矩形系數(shù)，即上升時間和下降時間要盡量短;最后還要根據(jù)傳感器的量程以及扭轉(zhuǎn)波速對脈沖設(shè)置合適的周期，以保證其扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中有最長的傳播時間，但周期也不宜過長，否則會影響傳感器的刷新時間。

本設(shè)計(jì)利用微處理器一根端口線產(chǎn)生一周期為10 ms、脈寬為5 μs的起始脈沖，其上升和下降時間均為100 ns左右。由于微控制器的驅(qū)動能力有限，必須對其進(jìn)行功率放大?？紤]到激勵脈沖的電流要求，本文采用IRF840場效應(yīng)管對起始脈沖進(jìn)行功率放大，IRF840最大耐壓值為500 V最大電流值為8 A。通過功率放大得到一幅值為7.5 V，電壓脈沖信號，將其加載到長為500 mm的波導(dǎo)絲(阻值約為2.8 Ω左右)的發(fā)射端。波導(dǎo)絲中傳播的激勵脈沖電流強(qiáng)度超過2.5 A，完全滿足上述激勵脈沖要求。

2.2信號整形電路

信號檢測裝置模型如圖1中應(yīng)變脈沖拾取器，磁致伸縮應(yīng)變片與波導(dǎo)絲材質(zhì)相同，二者剛性連接，并在應(yīng)變片上纏繞線圈，根據(jù)維拉利效應(yīng)與法拉第電磁感應(yīng)原理來檢測回波信號。由于感應(yīng)波信號大約只有2 mV，并且還含有雜波干擾，所以必須進(jìn)行濾波，放大處理，考慮到感應(yīng)波的特點(diǎn)，本文采用AD620儀表放大器對其進(jìn)行放大，AD620不但擁有較高共模抑制比及增益帶寬積而且放大倍數(shù)大，完全有能力將信號放大到2 V左右甚至更高［8］

圖3是起始脈沖與經(jīng)放大處理后的回波信號的對比圖，前一脈沖為感應(yīng)到的激勵脈沖，中間為有用的回波。由圖可以看出，經(jīng)放大處理后的波形幅值已經(jīng)達(dá)到2 V左右，切回波信號干擾噪聲較少，完全滿足后繼電路處理要求。

圖3　經(jīng)放大得到的回波信號

回波信號送入時間測量電路前，還需要對其進(jìn)行電平比較，得到終止脈沖后才能送入后繼的高精度時間測量電路。

2.3高精度時間測量

由于磁致伸縮油箱液位傳感器是通過檢測起始脈沖與終止脈沖之間的時間差來確定液位高度的，所以高精度時間測量是傳感器測量精度的基礎(chǔ)。由于微處理器的工作頻率只有12 MHz，無法滿足高精度時間測量的要求，所以本設(shè)計(jì)采用高精度計(jì)時芯片TDC-PG2對時間進(jìn)行高精度測量。TDC-GP2是ACAM公司高精度時間測量芯片。其時間分辨率可以達(dá)到50 ps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前磁致伸縮液位傳感器對時間測量精度的要求。TDC-GP2可以進(jìn)行三次采樣，平均電流消耗為15μA，測量范圍為500 ns～4 ms，完全滿足設(shè)計(jì)要求。TDC提供了精準(zhǔn)的脈沖使能窗口，并具有高速脈沖發(fā)生器、溫度測量和時鐘控制功能［9］。

圖4 TDC-GP1時間測量原理

數(shù)字TDC是以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進(jìn)行高精度時間間隔測量的。TDC的高速單元并不測量整個時間間隔，僅僅測量從START或STOP信號到相鄰的基準(zhǔn)時鐘上升沿之間的間隔時間。在兩次精密測量之間，TDC記下基準(zhǔn)時鐘的周期數(shù)。

由圖4可以清晰得出時間測量公式為

式中: CC為基準(zhǔn)時鐘在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)測量而得到的時間，F(xiàn)c1和Fc2為TDC在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)測得的通過門電路的個數(shù)，并記錄在內(nèi)部寄存器中。在測量過程中必須對TDC內(nèi)部進(jìn)行校準(zhǔn)，即記錄在一個和兩個基準(zhǔn)時鐘周期內(nèi)通過的門電路的個數(shù)用Cal1和Cal2表示。Tref為基準(zhǔn)時鐘周期，測量結(jié)果存儲在內(nèi)部的32位寄存器中［10］。

2.4輸出接口電路

為便于車載系統(tǒng)應(yīng)用，本設(shè)計(jì)提供了CAN總線接口用于對外輸出油箱液位信息。設(shè)計(jì)中采用MCP2515作為CAN總線控制器，TJA1050作為CAN總線收發(fā)器，允許通過程序設(shè)置CAN總線波特率，支持以傳統(tǒng)模式或高速模式向外發(fā)送油箱液位測量數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，完全滿足與車載駕控儀表接口的應(yīng)用要求。

3　軟件設(shè)置

3.1信號處理部分軟件設(shè)置

TDC與MCP2515都是通過SPI硬件與微處理器進(jìn)行通信的，并且二者供電電源皆可以選擇3.3 V低電源供電，TDC-GP2程序流程如圖5所示。

圖5 TDC-GP2程序流程

圖5中，系統(tǒng)上電，硬件復(fù)位。首先對芯片軟件復(fù)位，接下來對GP2進(jìn)行配置寄存器設(shè)置以及初始化，確定選擇的測量范圍，Hit次數(shù)，發(fā)送0X70等待起始與終止信號，當(dāng)滿足中斷條件時，GP2產(chǎn)生中斷信號，微處理器通過檢測該信號來判讀是否存在溢出中斷并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并判斷是否為單點(diǎn)測量，如果是多點(diǎn)測量必須要重新向配置寄存器寫入數(shù)據(jù)來讀取其他測量值。

需要說明的是GP2的SPI工作在Model1模式，且需每次讀寫序列之間要保持SSN至少50 ns高電平。每次對TDC-GP2初始化之前都要對其進(jìn)行復(fù)位，首先對其進(jìn)行硬件復(fù)位再進(jìn)行軟件復(fù)位，硬件復(fù)位時間必須大于50 ns。然后根據(jù)測量模式及具體要求對內(nèi)部寄存器Reg0～Reg5進(jìn)行配置，此時要注意關(guān)閉移相單元與噪聲單元，否則將導(dǎo)致測量失敗。不能對寄存器進(jìn)行連續(xù)讀寫操作，每一個寄存器必須單獨(dú)尋址。為此給出部分關(guān)鍵程序代碼如下:

3.2數(shù)字濾波算法

由于環(huán)境干擾對TDC-GP2和其他電子部件的影響以及汽車行駛過程中油面晃動對測量讀數(shù)的影響，會造成液位測量讀數(shù)波動，故本設(shè)計(jì)采用數(shù)字濾波法來提高液位傳感器的穩(wěn)定性。經(jīng)過與其他數(shù)字濾波法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，本文采用的改進(jìn)的平均濾波法，具有穩(wěn)定性高，反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，完全適用于汽車油位測量。

數(shù)字濾波算法流程如圖6所示。

圖6　數(shù)字濾波程序流程

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境干擾產(chǎn)生的錯誤時間的發(fā)生概率小于10%，而且錯誤多為檢測到了錯誤的感應(yīng)脈沖，這樣造成的測量錯誤最多為140 μs，所以每次開始都先取10次的測量結(jié)果的平均值為一門限，如果這10次測量中沒有錯誤則得到的為正確結(jié)果，如果里面出現(xiàn)了2次錯誤結(jié)果，經(jīng)過平均以后結(jié)果也只比準(zhǔn)確結(jié)果大28 μs左右。接下來的測量結(jié)果一次與此門限進(jìn)行對比，如果二者差的絕對值大于40 μs則認(rèn)為由于干擾產(chǎn)生了錯誤;如果小于40 μs則認(rèn)為檢測到了正確的結(jié)果。最后完成所有測量并對其做平均算法得到最終結(jié)果。這種算法不但可以有效抑制由于干擾引起的錯誤，而且對汽車行駛時油面晃動也可以起到積極作用，大大消弱了輸出讀數(shù)的波動。

4　溫度對測量精度的影響及補(bǔ)償方法

由于燃油密度會隨著環(huán)境溫度變化而改變，而浮子在燃油中浸沒高度又會隨著密度的變化而變化，這就必定給測量結(jié)果帶來一定影響，必須加以修正［11］。

設(shè)浮子浸入燃油的高度為h，浮子浸入燃油高度變化為Δh，燃油密度為ρ，燃油密度變化為Δρ，利用阿基米德原理得知:

式中:負(fù)號表示浮子進(jìn)入燃油的高度隨密度增加而減小。

通常采用溫度補(bǔ)償算法來修正此誤差，定義環(huán)境溫度為20℃時的燃油密度為標(biāo)準(zhǔn)密度，用d20表示，溫度為t時密度用dt表示。二者關(guān)系如下

式中α為修正系數(shù)。在無法直接測量燃油密度的情況下，通過測量燃油溫度來估算出燃油密度，用程序按照式(2)求出浮子在燃油中進(jìn)入的高度，從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。此外，盡量減小浮子重量也可以減小溫度對測量精度的影響［12］。

5　結(jié)束語

本設(shè)計(jì)將磁致伸縮技術(shù)應(yīng)用到汽車油量測量中，提供了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對知，其油位測量精度可達(dá)到微米級，且本設(shè)計(jì)成本低廉。因其具有高精度測量和低故障率的特性，將其用于汽車油位測量領(lǐng)域具有絕對技術(shù)優(yōu)勢及廣闊的市場應(yīng)用前景。

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Design of auto oil measuring instrument based on the magnetostrictive principle

FU Yongqing，YANG Jiabin

College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

In order to improve the precision of auto oil measurement，a new digital automobile oil measuring instrument based on the magnetostrictive principle is designed.It includes power amplifier circuit，signal amplification and shaping circuit，high-precision time measuring circuit and CAN bus interface circuit.The measuring error caused by environmental temperature change is analyzed and corrected to improve the precision，which greatly improves the measuring accuracy and environment adaptability of the instrument.The signal waveform and measurement data of each module test show that this scheme can meet the requirements of high precision auto oil measurement，laying the foundation for the production of the oil measuring instrument.

magnetostrictive principle; liquid level measurement; sensor; time measuring; temperature compensation

TH816

A

1009-671X(2015) 04-048-05

10.3969/j.issn.1009-671X.201411013

2014-11-21.網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-30.

付永慶(1956-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

楊佳彬，E-mail: yang04508214@163.com.