磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量機(jī)理是基于威德曼效應(yīng)( Wiedeman Effect) , 給磁致伸縮波導(dǎo)絲同時(shí)施加縱向磁場(chǎng)( 由浮子內(nèi)的永磁鐵產(chǎn)生,測(cè)量時(shí)浮子在保護(hù)套管上運(yùn)動(dòng)) 和環(huán)向磁場(chǎng)( 即通以縱向激勵(lì)電流) 時(shí),波導(dǎo)絲除長(zhǎng)度發(fā)生變化外, 還會(huì)產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象。這種扭曲以固體中超聲波的速度向兩端傳播, 形成扭力波。通過(guò)測(cè)量發(fā)出的激勵(lì)脈沖與接收到的扭力波信號(hào)之間的時(shí)間差, 再根據(jù)其傳播速度可獲得準(zhǔn)確的測(cè)量位置值, 進(jìn)而把位置的測(cè)量轉(zhuǎn)換為時(shí)間的測(cè)量。它具有測(cè)量精度高、使用壽命長(zhǎng)、耐腐蝕等一系列特點(diǎn), 已在行程測(cè)量和液位測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。但在測(cè)量過(guò)程中通常會(huì)因引入多種噪聲而影響其測(cè)量精度, 為提高測(cè)量精度, 必須對(duì)噪聲進(jìn)行處理。
1 傳感器檢測(cè)信號(hào)特點(diǎn)
磁致伸縮位移傳感器工作時(shí)有兩種信號(hào), 發(fā)出的激勵(lì)脈沖信號(hào)和檢測(cè)到的回波信號(hào)。傳感器的浮子( 產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)的磁鐵) 與測(cè)桿相對(duì)靜止時(shí),輸出信號(hào)中仍存在相對(duì)于其測(cè)量精度影響很大的擾動(dòng), 這是由于波導(dǎo)絲內(nèi)激勵(lì)脈沖電流對(duì)扭力波的影響( 有時(shí)強(qiáng)度可達(dá)到滿量程的 0.2%) [ 1] , 以及整個(gè)電子系統(tǒng)的電磁噪聲的影響。在浮子移動(dòng)過(guò)程中影響更大。這些因素在高精度測(cè)量系統(tǒng)中是必須處理的。我們?cè)诜治隽舜胖律炜s位移傳感器工作機(jī)理的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理理論對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波。
經(jīng)過(guò)對(duì)傳感器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣分析, 可知回波信號(hào)受到了較大的干擾。目前測(cè)量電路大都是通過(guò)一個(gè)預(yù)先設(shè)置了門限電平的比較器檢測(cè)收到回波的時(shí)間, 這樣的測(cè)量在噪聲的干擾下, 會(huì)導(dǎo)致比較點(diǎn)的前移或推后 , 若前移或推后 1 μs 將會(huì)帶來(lái) 2.838 mm( 波速 2.838 mm/μs) 的誤差。
2 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)
為了提高測(cè)量精度 , 我們對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣、數(shù)字處理、特征值( 波峰以及過(guò)零等) 提取, 進(jìn)而求取位置值。在數(shù)字濾波器中主要有兩大類: 無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)( IIR) 濾波器和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)( FIR) 濾波器[ 5] 。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中如圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ螖y帶信息的傳遞系統(tǒng), 都廣泛使用 FIR 濾波器
2.1 設(shè)計(jì)方法
一般來(lái)說(shuō), 這樣得到的理想單位脈沖響應(yīng)序列 h(d n) 往往都是無(wú)限長(zhǎng)序列, 而且是非因果的。這樣一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)序列怎樣用一個(gè)有限長(zhǎng)序列近似它呢? 的辦法就是直接截取它的一段來(lái)代替, 但是為保證所得到的是線性相位濾波器, 必須滿足 h( n) 的偶對(duì)稱性。這種直接截取的辦法可以形象地想象為 h( n) 好比是通過(guò)一個(gè)窗口所看到的一段 h(d n)。顯然, 對(duì)實(shí)際 FIR 濾波器的幅頻特性 H( ω) 有影響的只是窗函數(shù)的幅頻特性 W(R ω) 。實(shí)際 FIR 濾波器的幅頻特性是理想濾波器的幅頻特性與窗函數(shù)的幅頻特性的復(fù)卷積。
2.2 窗口函數(shù)的選擇
由上面討論可知, 窗函數(shù)不僅起截?cái)嘧饔? 還能起平滑作用。因此,設(shè)計(jì)一個(gè)特性良好的窗口函數(shù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
一般希望窗口函數(shù)滿足兩項(xiàng)要求:
(1)窗譜主瓣盡可能的窄, 以獲取較陡的過(guò)渡帶。
(2)盡量減少窗譜的旁瓣的相對(duì)幅度, 也就是能量盡量集中于主瓣, 這樣使肩峰和波紋減小, 就可增大阻帶的衰減。
目前業(yè)已采用的窗口函數(shù)包括矩形窗、三角窗、漢寧( Hanning) 窗、海明( Hamming) 窗、布拉克曼( Blackman) 窗。由于篇幅所限, 本文只討論海明窗( 又稱改進(jìn)的升余弦窗) 。這三部分之和, 使旁瓣互相抵消 , 能量更集中在主瓣 , 海明窗可將99.963%的能量集中在窗譜的主瓣內(nèi), 它的旁瓣值比主瓣值約低 41 dB。
2.3 FIR 濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
FIR 濾波器的特點(diǎn)是它的單位脈沖響應(yīng) h( n) 是一個(gè)有限長(zhǎng)序列, 設(shè)FIR 數(shù)字濾波器的 h( n) 的長(zhǎng)度為 N。FIR 濾波器的結(jié)構(gòu), 稱之為橫截型結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)利用輸入信號(hào) (x n) 和濾波器單位脈沖響應(yīng) h( n) 的線性卷積來(lái)描述輸出信號(hào) y( n) , 所以 FIR 濾波器的橫截型結(jié)構(gòu)又稱為卷積型結(jié)構(gòu), 有時(shí)也稱為直接型結(jié)構(gòu)。
為了看清楚濾波效果, 將濾波結(jié)果向下平移 1 個(gè)單位。從濾波前后比較可以看出, 本濾波器很好地濾掉了系統(tǒng)所帶來(lái)的干擾成分, 從噪聲中提取了有用的特征信號(hào), 為我們進(jìn)行高精度液位測(cè)量提供了重要的理論基礎(chǔ)。
基于磁致伸縮傳感器的基本機(jī)理, 結(jié)合 FIR 濾波器的特性,我們提出一種新的磁致伸縮傳感器檢測(cè)液位方法———全波采樣法。系統(tǒng)在發(fā)出激勵(lì)脈沖的同時(shí)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換, 將 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存, 然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波, 接著尋找波形的特征點(diǎn)( 如谷點(diǎn)、零點(diǎn)、峰點(diǎn)) , A/D 轉(zhuǎn)換速率是已知的, 進(jìn)而能求得特征點(diǎn)處的時(shí)間 t, 乘以波速 v 即得液位 L。
通過(guò)尋找回波信號(hào)的特征點(diǎn)求取液位的方法有以下優(yōu)點(diǎn): 第 0.085一, 由于波導(dǎo)絲本身的不連續(xù)性, 超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生幅 0.000值上的衰減, 采用比較器檢測(cè)的方式, 比較器的門限電平是預(yù)先 0.000設(shè)定的, 這無(wú)疑會(huì)使翻轉(zhuǎn)時(shí)間推后, 從而造成較大的測(cè)量誤差。采 0.085用提取特征點(diǎn)的方法( 如波峰) 可以有效避免這方面的干擾。第 0.000二, 便于進(jìn)行數(shù)字濾波, 充分發(fā)揮數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)。第三, 可以消 0.085除放大器零點(diǎn)漂移帶來(lái)的影響。 0.000從上面幾組數(shù)據(jù)的測(cè)量可以看出, 采用 FIR 濾波算法前同一位置10 次測(cè)量的值與最小值之差為 3.41 mm, 測(cè)量的誤差為- 2.55 mm, 采用 FIR 濾波算法后 10 次測(cè)量的值與最小值之差為 0.85 mm,測(cè)量的誤差為- 0.86 mm, 濾波后分辨率已經(jīng)達(dá)到采樣頻率值。
下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)加以說(shuō)明, 表 1～表 4 是 FIR 濾波前后的測(cè)量 0.000值及誤差。實(shí)驗(yàn)中采樣周期 T=0.3 μs, 波速 v=2.838 mm/μs, 波速 0.000是通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的。由采樣周期所限, 測(cè)量值只能精確到 0.851 4 0.085 mm。真實(shí)值以精度為 1 mm 的鋼板尺作為測(cè)量工具。采用回波信
號(hào)的波峰來(lái)測(cè)量液位, FIR 濾波前、后分別做多次測(cè)量。以一組數(shù)據(jù)為例, 取 10 個(gè)位置, 每個(gè)位置做 10 次測(cè)量。以每輪測(cè)量的值與最小值之差以及測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差作為系統(tǒng)的衡量指標(biāo)。表頭中次數(shù)即為測(cè)量次數(shù), 差值即為 10 次測(cè)量的值與最小值之差。
3 結(jié)論
試驗(yàn)結(jié)果表明, 本文提出的 FIR 數(shù)字濾波方法, 具有動(dòng)態(tài)特性好、測(cè)量精度高的特點(diǎn), 很好地解決了磁致伸縮傳感器檢測(cè)信號(hào)的濾波問(wèn)題。這為使用專門的 DSP 芯片構(gòu)建高精度磁致伸縮測(cè)量系統(tǒng)提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
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