PDF《基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计》

? DOI:?10.

11991/yykj.201809002 网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20181220.1128.004.html 基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计 曲义宏,付永庆 哈尔滨工程大学?信息与通信工程学院,黑龙江?哈尔滨?150001 摘????要:针对传统的液位测量技术在实际应用中的不足,提出了一种新型的液位传感器设计方案.该方案利用磁致伸缩原 理,将液位信息的测量转化为对信号脉冲的精准计时.通过对磁致伸缩液位传感器的结构和工作原理的分析,对系统的构 建、硬件电路设计和软件编程做了详细描述,尤其对磁致伸缩换能器与高精度时间测量方案给出了实现的基本框架和步 骤.实验证明,这种基于磁致伸缩原理的液位传感器具有运行稳定、测量精度高、数字化等优点,具有一定的实用价值. 关键词:液位测量;

磁致伸缩;

高精度;

数字化;

磁致伸缩换能器;

时间测量;

信号脉冲;

稳定性 中图分类号:TP212.12?文献标志码:A?文章编号:1009?671X(2019)02?0059?06 Design of liquid level sensor based on magnetostrictive principle QU?Yihong,?FU?Yongqing College?of?Information?and?Communication?Engineering,?Harbin?Engineering?University,?Harbin?150001,?China Abstract:?Aiming?at?the?deficiency?of?traditional?liquid?level?measurement?technology?in?practical?application,?a?new design ?scheme ?of ?liquid ?level ?sensor ?is ?proposed. ?The ?scheme ?uses ?magnetostrictive ?principle ?to ?transform ?the measurement?of?liquid?level?information?into?accurate?timing?of?signal?pulse.?By?analyzing?the?structure?and?working principle?of?magnetostrictive?liquid?level?sensor,?this?paper?describes?the?system?construction,?hardware?circuit?design and?software?programming?in?detail,?and?especially,?gives?the?basic?frame?and?steps?of?magnetostrictive?transducer?and high ?precision ?time ?measurement ?scheme. ?Experiments ?show ?that ?the ?liquid ?level ?sensor ?based ?on ?magnetostrictive principle?has?the?advantages?of?stable?operation,?high?measurement?accuracy?and?digitization,?and?has?certain?practical value. Keywords:?liquid?level?measurement;

?magnetostriction;

?high?precision;

?digitization;

?magnetostrictive?transducer;

?time measurement;

?signal?impulse;

?stability 在工农业生产和贸易结算中液位是应用非常 广泛的一个重要参数.其测量原理是通过检测液 位传感元件所感知的液位高度变化量,并通过完 备的信号处理方法将液位转化为直观的、准确的 反映液位信息的信号读取出来.液位传感器就是 根据这一需求研究制造出来的.目前常用的液位 传感器包括人工检尺、绳索式、电容式、电阻式、 超声波式和振动式等 [1] .其中人工检尺、绳索式、 电容式、电阻式等液位传感器的存在精度不高、 使用不便等缺点;

而振动式液位传感器虽然测量 精度高,但安装复杂、故障率高.在这种情况下, 磁致伸缩液位传感器因其具有大量程、高精度、 易维护、免定标、长寿命和强适应性等特点,被 广泛应用于机械、矿山、轻工业等行业以及火力 电站、锅炉等工况恶劣的场合,应用前景十分 广阔 [2] . 从20 世纪

60 年代起,磁致伸缩液位传感器 便在美国和日本等发达国家得到了研究与发展.

1960 年,Jack?Tellerman 在美国首先申请了磁致伸 缩位移传感器的专利;

而到

1975 年,磁致伸缩位 移传感器进入市场 [3] .到80 年代,美国 MTS 公司 首先将磁致伸缩原理应用到油管液位测量上,拓 展了该传感器在工业领域的应用 [4] .目前美国 MTS 公司和德国 ASM 公司在磁致伸缩技术的理 论研究和实际应用方面都取得了很多的成果,是 该领域上的领头企业,占据了绝大部分的市场份 额.从90 年代开始,我国的很多科研机构、企业 和院校的专家教授都开始对磁致伸缩液位传感器 收稿日期:2018?09?04.网络出版日期:2018?12?20. 作者简介:曲义宏,男,硕士研究生;

付永庆,男,教授,博士生导师. 通信作者:曲义宏,E-mail:[email protected]. 第?46?卷第?2?期应?用?科?技Vol.46?No.2 2019?年?3?月Applied??Science??and??Technology Mar.?2019 展开积极的研究和试制,但规模都较小.1997 年,广东康宇测控仪器仪表公司从 Schaevitz 公司 引进了全套生产线及相关技术,弥补了国内在这 方面的空白 [5] .2003 年,中国航天科技集团总公 司第七 Ο 四研究所建成一条可年产 10?000 套磁 致伸缩液位传感器产品的中型生产线,这标志着 我国在磁致伸缩液位传感器生产与应用领域迈进 了一个新纪元. 1????磁致伸缩液位传感器工作原理 1.1????磁致伸缩效应 铁磁材料在外磁场的作用下,在磁场变化时 其体积或长度会发生微小变化,这种现象被称为 磁致伸缩效应 [6] .其形变有纵向、横向、体积这

3 种表现形式,其中应用最广泛的是纵向磁致伸 缩.同时,还存在逆磁致伸缩效应:在恒定磁场 中,磁化了的磁致伸缩材料受到外力作用时,其 磁化状态会发生改变,即压磁效应,也叫维拉里 效应. 1.2????磁致伸缩液位传感器工作原理 磁致伸缩液位传感器的工作原理可结合图

1 说明. ? ? 图1????磁致伸缩液位器结构 ? 当传感器工作时,电子仓内的驱动脉冲电路 将一个周期性的大电流窄脉冲加载到波导丝上, 该脉冲会以电磁波速沿波导丝向前传播,由电磁 场理论可知,此驱动电流会激发一个与之一起传 播的环形磁场.2 块永磁体被安置在浮子上以形 成一轴向恒稳磁场.当2种磁场相遇时,会互相 叠加产生螺旋磁场,根据磁致伸缩原理,波导丝 此时将产生一个扭转形变,形成扭转波,并以超 声波速 V 沿波导丝向两端传播.当扭转波传播到 波导丝底端时,被末端阻尼器吸收;

当扭转波传 播到波导丝顶端时,被磁致伸缩换能器接收,并 转化为感应电脉冲,此脉冲在电子仓被整形放 大,最后得到一终止脉冲.通过电子仓内的高精 度计时模块计算驱动脉冲与终止脉冲之间的时间 差T,通过核心控制器计算得到液位高度 H 式中扭转波以恒定速度 V 在波导丝中传播: 式中:G 为波导丝的剪切弹性模量;

r 为波导丝的质 量密度.当波导丝材料确定后,在一定温度下,G 和r都是确定的,故V也确定.在20?℃ 时,V=2?850?m/s [7] . 2????硬件电路设计 2.1????磁致伸缩液位器总体电路设计 根据传感器的测量机理与整体系统的设计要求, 磁致伸缩液位传感器的总体电路设计如图

2 所示. ? ? 图2????系统硬件结构 ? 本设计的核心电路主要由微控制器、功率放 大电路、回波检测电路、高精度时间测量电路、 CAN 输出接口电路组成,辅助电路有电源电路和 温度测量电路. 2.2????核心控制电路 控制电路是整个系统的核心电路,主要负责 激励电流脉冲的发射,接收高精度计时芯片送来 的时间数据并对其进行后期处理,最后将数据发 送出去.控制电路的核心――微控制器的选择对 于控制电路的设计来说至关重要.MSP430 系列 单片机具有超低功耗、处理能力强大、片上外设 丰富、开发环境方便灵活等优点,符合设计的要 求[8] .最终选用此系列的 MSP430F149 型单片机. 它具有高、低速

2 个时钟,为单片机提供工作所需 的时钟频率以及精准定时;

12 位的模数转换器 ADC12 用于模拟量到数字量的转换;

还具有丰富 的I/O 端口用于与外部模块通信,包括

2 路SPI 通信口线、计时芯片的中断输入、起始和终止使能、 软件复位端以及作为脉冲发射端提供起始脉冲. 2.3????脉冲驱动电路 脉冲驱动电路的主要功能是接收单片机发送 来的起始脉冲并对其进行功率放大,形成电流值 为3?A 左右的激励电流脉冲来驱动波导丝.考虑 到开关管的承受电流能力与转换速度,实验选用 IRF 840D 作为功率放大管.脉冲驱动电路如图

3 所示. ・60・ 应?用?科?技第?46?卷?图3????脉冲驱动电路 ? 单片机从P2.0~P2.3 引脚产生的起始脉冲经过光耦,加到三极管 Q1 的基级,这时 Q1 导通;

场效应管 Q2 的栅极变成低电平,Q2 导通;

大电容 C1 通过场效应管Q2 产生大电流.电路中的P4.0 和P4.1 端口是

2 个安全检测端,正常情 况下为低电平,当场效应管短路、断路或者波 导丝断路时将变高,此时单片机通过P4.5 和P4.6 来控制继电器动作,切断供电电源,以保护 电路. 2.4????回波检测电路 回波检测电路的主要功能是将磁致伸缩换能 器检测到的感应信号进行放大和整形处理,输出 标准电平以便送入高精度计时电路作为终止脉 冲.其电路如图

4 所示. ? ? 图4????回波检测电路 第?2?期 曲义宏,等:基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计 ・61・ 电路主要由放大电路、电压比较电路和整形 电路组成.由于检测到的感应脉冲十分微弱,且 伴有噪声,所以设计中选用 TI 公司的仪表放大器 芯片 INA118,具有高精度、高增益、高共模抑制 比等优点.通过在

1 和8脚之间接入一个精密电 阻R以实现不同增益的放大,放大范围为 1~10?000. 实验中换能器检测到的回波信号幅值大约为2?mV,因此芯片的增益设置为 1?000,即可得到 2?V 左右的输出信号.经过放大后的波形送入由 LM393 组成的电压比较电路,最后通过由 SN74121 芯片构成的整形电路,最终得到标准的终止方波 脉冲信号,如图

5 所示. 2.5????高精度计时电路 磁致伸缩传感器的分辨率要达到微米级,则 其时间间隔测量必须精确到纳秒级.若采用传统 的计时方式,测量晶振的频率就要达到 GHz 级, 这给设计带来了困难.本文利用高精度计时芯 片TDC?GP2 有效解决了这一问题. TDC?GP2 是以信号通过内部门电路的传播 延迟来进行高精度时间间隔测量的,时间分辨率 可达 50?ps,远远超过目前磁致伸缩液位传感器 对时间测量精度的要求,通过硬件四线SPI 与 单片机通信,最高 1?MHz 数据输出 [9] .高精度时 间测量电路如图

6 所示,芯片

8 脚为中断引脚, 9~12 脚为 SPI 通信接口,13 脚为软件初始化端 口.32 和26 脚分别为开始与终止使能端.同时,TDC?GP2 工作时还需外接 4?MHz 和32?768?Hz 的晶振 [10] . ? ? 图5????终止脉冲波形 ? 2.6????CAN 输出电路 为了使传感器具有更广阔的应用范围,输出 接口选择了汽车通用的 CAN 总线输出方式.由于MSP430F149 本身不具备 CAN 处理与收发能 力,所以需要外接 CAN 控制........