基于當前國產磁致伸縮材料的前提,結合傳統的設計方法,并且針對本課題前期完成的大量基礎試驗所發現的影響磁致伸縮液位傳感器測量精度的因素,提出了采用數字信號處理技術提高測量精度的設計思路及方法。提高了國內磁致伸縮液位傳感器測量精度,以滿足多種工業液位參數的測量要求,結果表明本設計方法相比傳統的設計方法測量精度有了較大的提高。在工農業生產和貿易結算中液位是應用非常廣泛的一個重要參數。測量方法很多,利用磁致伸縮原理進行液位測量是其中的一種方法,這種方法具有寬量程,高精度,多液位等特點,結合傳統的設計方法,提出了基于TI 公司TMS320F2812 數字信號處理器的全采樣加數字信號處理的設計方案。試驗結果表明,這種設計方法可以部分彌補磁致伸縮材料的不足,提高測量精度。
1 測量原理
磁致伸縮液位傳感器測量原理可結合圖1 說明,工作時,檢測頭中的電子裝置首先在磁致伸縮波導絲上施加一個激勵電脈沖信號,根據電磁場理論,此電脈沖伴隨一個環型磁場,以光速沿磁致伸縮波導絲向下傳遞。當該環形磁場遇到浮子中磁鐵產生的縱向磁場時,將與之進行矢量疊加,形成一個螺旋形的磁場。根據磁致伸縮原理,當磁致伸縮材料所處的磁場發生變化時,磁致伸縮材料本身的物理尺寸也會跟著發生變化,即磁致伸縮效應。因此,當合成磁場發生變化,形成螺旋形磁場時,磁致伸縮波導絲會產生沿螺旋形磁場的伸縮變形,導致波導絲產生扭曲形變,從而激發扭轉波,該扭轉波沿波導絲以超聲波的形式向兩端傳播,向頂部傳播的超聲波將傳到傳感器檢測頭中的逆磁致伸縮效應換能器中,向底端傳播的超聲波對液位測量并不起作用。記下發送激勵脈沖的時間和接收到回波的時間,并計算其時間差t ,在根據超聲波的傳播速度v ,可計算出檢測頭與液面之間的距離L0 = vt ,而傳感器的總長L1已知,即可得出液面高度L = L1 - L0 。最終,我們將時間的測量轉化為液位的測量。
2 硬件設計
傳統的磁致伸縮液位傳感器系統中采用的硬件濾波電路,其存在結構復雜,參數調整不易和系統性能易受環境影響,容易引起電子噪聲等缺點。在本系統中用數字濾波的方法來代替 ,采用的是全采樣法,即DSP 發送激勵脈沖的同時,開始啟動AD采樣,直到所設置的全量程數據采集完畢,然后對所采集的數據進行處理,查找特征值進而求取液位。因此,相比傳統的檢測電路,大大節約了系統的硬件數量,避免了太多硬件電路所造成的電子干擾。下面介紹基于DSP 的磁致伸縮液位傳感器系統的電路原理。本系統的硬件主要構成:1) 激勵脈沖電路; 2) 放大電路; 3) TMS320F2812 信號處理電路; 4) 串口通信電路; 5) 液晶顯示電路等部分組成。
2. 1 激勵脈沖控制電路
激勵脈沖控制電路的產生設計,輸入引腳GXQD 連接DSP 的I/ O 引腳GPIOB0 。在DSP 的程序控制下,使得DSP 的I/ O 引腳GPIOB0變高,則連接的GXQD 為高電平,這時Q1 導通,則場效應管Q2 的柵極G2 變成低電平,場效應管Q2導通。電容C1 通過場效應管Q2 激勵波導絲GX 瞬間產生電流。一般情況下,波導絲的電阻在8 Ω 左右,而電壓為12 V ,這樣激勵脈沖可在傳感器兩端激發1. 5 Α 左右的脈沖電流。在設計電路過程中,綜合考慮了電路實現過程中可能存在的諸多干擾,整個電路在ORCAD 軟件上模擬調試,所選用參數達到設計要求,運行結果較理想。
2. 2 輸出電流信號放大電路
當有激勵脈沖時,波導絲在受到變化磁場作用的地方產生扭轉波,扭轉波沿著波導絲傳播到檢測線圈時,就會在線圈兩端產生一個電信號,因為該信號的幅值太小,需要對該信號進行放大,放大電路。波導絲一端接入J 2 的引腳1 ,波導絲的另一端通過J2 的引腳2 接地,而J 2 的引腳3 、4 為檢測線圈上的輸出信號,該輸出信號經過放大電路,可以得到放大1 000 倍的輸出信號FDXH。其中,電容C5 主要是濾除檢測線圈上拾回來的高頻雜波,而電容C7 主要是電源平滑濾波。
2. 3 TMS320F2812 信號處理電路
經過放大電路后的輸出信號FDXH 由于其靜態工作點在2. 5 V 左右,與TMS320F2812 的要求不匹配。這里通過電容C1 隔直,然后再通過電阻R1 和R3 分壓,使得其靜態工作點在1. 6 V 左右,滿足要求。然后連接到TMS320F2812 的AD 輸入引腳AD2CINA0 ,供信號采集。在TMS320F2812 中AD 輸入
口共有16 路,這里只取一路進行采集信號處理。
2. 4 串行通信接口
串行通信接口SCI 是一種雙線的異步串口,一般看作是UART。TMS320F2812 的SCI 和以往的DSP 的SCI 相比具有兩個特點:一是傳送、接收都具有獨立的FIFO ;二是波特率可自動檢測。通過該接口可將測量信號傳輸到二次儀表或計算機等。
2. 5 液晶顯示電路
為了把處理好的數據通過液晶顯示器輸出,本系統選用MG212232 液晶顯示器。液晶顯示電路的工作原理為: 由TMS320F2812 通過A12 口觸發74LVC4245 電平轉換,然后通過A02A7 口向液晶顯示器的數據線DB 口輸出顯示數據和控制指令,通過A82A11口向液晶顯示器輸出對端口A0 、R/ W、E2 、E1 的控制字。液晶顯示器的端口A0 、R/ W、E2 、E1 信號分別為寄存器選擇信號、讀/ 寫選擇信號、從工作方式IC 使能信號及主工作方式IC 使能信號。
3 TMS320F2812 的軟件設計
本系統的軟件設計全部用C 語言編寫,結構性很好。根據系統設計的目的,整個軟件系統包括幾個子模塊:初始化模塊、看門狗模塊、定時器模塊、采集程序模塊、FIR 濾波程序模塊、液位測量模塊、串口通信模塊和液晶顯示模塊。由于篇幅所限軟件部分不能詳細介紹。
4 結論
實驗結果表明本設計可靠,電路參數選擇合適,運行安全穩定。同時表明全采樣法輔以數字濾波可以部分彌補磁致伸縮材料的不足,提高測量精度。
