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一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法

李丛珊;姜印平

【摘要】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。%Themeasurementprincipleofmagnetostrictionlineardisplacementsensorisintroduced,onthekeycircuitofthesensorisoptimized.Inthedesignofexcitationpulsegenerator,thispaperproposesalow-cost,low-powerandpulsequalityimplementationscheme.Inthedesignoftheechosignalpick-updevice,analyzesthefactorsthataffectpickupthesignal,furtheridentifiedthekeyparameters.Inthedesignoftimingdevice,thispaperproposesasimpleandatthesametimemeettheaccuracyrequirementoftimingplan.Theoptimizedsensorshavegoodstaticcharac-teristicsandtheadvantagesoflowcost,lowpowerconsumptionandmulti-interfaceandsoon.

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2014(000)009

【总页数】6页(P1202-1207)

【关键词】磁致伸缩;位移传感器;激励脉冲;检测线圈

【作者】李丛珊;姜印平

【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院，天津300072;天津大学电气与自动化工程学院，天津300072

【正文语种】中文

【中图分类】TP212.1

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18m的磁致伸缩液位传感器准确度可达到0.025%FS或0.508mm,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。

图1是磁致伸缩位移传感器的测量原理图。

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]。

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4mA～20mA和其他通讯方式传送给上位机或者其他设备[7-8]。

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中MIC4425为MOSFET管IRF2807专用的驱动芯片。电容C3