磁致伸縮液位傳感器是綜合利用磁致伸縮效應、浮力原理、電磁感應、電子技術等多種技術研制而成的液位測量儀表。利用了稀土超磁材料的維德曼效應、維拉里效應及超聲效應 , 利用了時間量容易被高精度測量的特點 ,通過將液位信息轉變成時間量 ,以及對時間量的測量 ,來實現對液位、界位的高精度測量。目前 ,國內外有關磁致伸縮技術應用于傳感測量的研究很多。雖還不是很完善 ,但已初步顯示出磁致伸縮技術的作用和巨大潛力 。
1.磁致伸縮液位傳感器工作原理
磁致伸縮液位傳感器由傳感器頭、波導管、磁致伸縮波導絲以及內含磁鐵的浮子組成。傳感器主要利用磁致伸縮效應工作 。
移動的磁浮子在波導管中產生軸向磁場 ,脈沖發生電路產生脈沖 ,沿著銅絲傳播 ,當遇到磁浮子的軸向磁場時形成螺旋型磁場 ,導致波導絲產生扭曲形變 ,從而激發扭轉彈性波 ,彈性波以恒定的超聲波速向波導管兩端傳播 ,超聲波被固定在波導管上的回波接收裝置接收轉化為電脈沖 ,該脈沖經放大送到主要由計數器組成的電路中。因為超聲波在波導管中是以恒速傳播的 ,所以只要測出脈沖發射與脈沖接收之間的時間間隔 , 乘以波速(約為 3 km/ s) ,即可得到磁鐵的位置 ,實現位置測量。這個過程是連續不斷的 ,所以 ,每當磁鐵移動時 ,新的位置就會被測出來。由于測量單元可探測到由同一詢問脈沖產生的連續返回脈沖 ,所以可以在同一傳感器上配上多個活動磁浮子 ,同時進行液位、界位多參數測量。
2.磁致伸縮液位傳感器的硬件測量電路設計
2.1.1 激勵脈沖發生器
磁致伸縮液位傳感器的測量電路由脈沖超聲波激發電路和接收電路組成。激發電路包括多諧振蕩電路、場效應管驅動電路及充放電電路;接收電路包括輸入保護電路、放大電路和濾波電路。激發電路的功能是在外接的磁致伸縮式超聲傳感器上施加高壓脈沖 ,產生脈沖磁場 ,進而在磁致伸縮絲中激發脈沖超聲波;接收電路的主要功能是對磁致伸縮式傳感器輸出的微弱感應電動勢進行調理輸出 ,并抑制激發時施加于傳感器的高壓激發脈沖 ,保護放大電路。
在磁致伸縮傳感器中 ,需要對波導絲施加高壓瞬間脈沖 ,激發脈沖超聲波 。利用電容瞬間放電的方法實現 , 電路由N溝道絕緣柵場效應管、旁路電阻、能量儲存電容和二極管組成。如圖 3 所示 ,在場效應管 Q 的柵極輸入控制脈沖 ,當 Q 的柵極為低電位時 ,柵 - 源極電壓差為零 ,Q 關斷 ,能量儲存電容 C 通過旁路電阻 R9 和二極管D1 充電 ,充電時間由時間常數決定 ,時間常數還決定了脈源電壓為正電壓。若 Q 導通 , C 存儲的能量通過Q 、及 D2 向波導絲放電 ,在波導絲中激發出超聲波。R10用于調節激發能量 ,改變激發超聲波幅值的大小。
綜合考慮到電路實現過程中可能存在的諸多干擾 ,以及所選用器件需要承受大電流 ,將關鍵器件場效應管選為 IRF840 型 ,可以承受 8A電流。
驅動功率絕緣柵場效應管相當于驅動帶容性負載的網絡 ,在高頻工作時 ,絕緣場效應管電容的充、放電造成的損耗十分顯著 ,結電容越小 ,充、放電引起的損耗越小。在產生驅動絕緣柵場效應管的門脈沖時 , 會產生達幾 A 的門電流 ,這超出了 TTL 芯片的驅動能力。為提高脈沖幅值 ,需增強絕緣柵場效應管的開關特性 ,可以采用雙極性三極管對管驅動電路。
驅動電路由起緩沖作用的電壓跟隨器 UC3140 、電阻及一對小功率開關三極管組成。當控制信號為低電平時 ,UC3140 輸出低電平 ,切效應管Q 截止;當控制信號為高電平時 ,應管Q 導通。R7 的作用是與功率三極管基極相連 , 在基極回路中形成電流。這樣通過三極管對管和場效應對管驅動 ,可以提高帶容性負載的能力 ,具有較大的峰值電流 ,且可以提高開關速度。
2.1.2 傳感器輸出信號接收/ 處理電路
由于傳感器輸出端信號的幅度只有 15 mV 左右 ,不便測量 ,需要增設放大電路 ,以便更準確地測得回波信號。采用 LM318 精密高速運算放大器可以滿足要求 ,LM318 具有 15 MHz 小信號帶寬 ,保證50 V/μs的轉換速度 ,在將信號放大 100 倍后 ,仍然可以保證約 100 kHz的帶寬。
為了消除雜波干擾 ,還需要在放大電路后面增加濾波電路。激發出的超聲波頻率一般為幾十～幾百 kHz. 采用有源濾波的形式 ,設計高通和低通濾波器 ,使得頻率為 10～500 kHz 的信號可以通過 ,經過試驗測得電路濾波范圍可以達到 918～468 kHz.
3磁致伸縮液位傳感器的軟件測量電路設計
傳感器通過測量脈沖發射和回波接收之間的時間間隔來確定液位 ,所以時間量的測量決定液位測量的精度。作為高精度智能型數字傳感器 ,要求其核心處理器必須具有速度快、功耗低、運算處理能力強 ,具有較大的 RAM、ROM. 同時由于傳感器的主要工作是高精度時間量計算 ,所以要求 MCU 必須具有良好的信號捕捉功能。TMS320LF2407 具有高達 40MIPS 的執行速度 ,指令周期為 25 ns ,4 級流水線作業 ,16 位可編程的計數器/ 定時器陣列帶 6 個捕獲/ 比較模塊 ,可以滿足高精度測量的需求 ,所以 TMS320LF2407 成為磁致伸縮液位傳感器核心處理器的理想選擇。
利用 TMS320LF2407 進行時間測量原理。首先利用電壓比較器LM393 將信號處理電路輸出的信號與設定的電壓進行比較 ,進而將輸出信號轉變為 TTL 電平的脈沖信號。由于 TMS320LF2407 的 I/ O 電平是 313 V 邏輯電平 ,所以需要在設計接口電路時增加電平轉換器件 74LVC4245 。TMS320LF2407 共有 6 個捕獲單元 ,每個捕獲單元都有 1 個施密特觸發器的捕獲輸入引腳。利用捕獲單元 4 (CAP4) 捕獲發射和回波信號脈沖的上升沿 ,事件管理器 B ( EVB) 的通用定時器 3 對脈沖進行計數 ,用中斷的方式讀取計數值并將定時器的計數值裝入 FIFO 堆棧。此時計數器的計數值與液位儀中磁鐵和傳感器頭之間的距離成正比。這種原理的檢測精度取決于高頻時鐘 ,頻率越高 ,計算精度越高。如果選用比較高的計數頻率或者發射脈沖與回波脈沖之間的時間間隔較長時 ,就可能會超過DSP 的捕獲時間 ,這時需要利用定時器溢出的方法再加上軟件計數來擴大計時范圍。
4.結束語
磁致伸縮液位傳感器測量范圍寬(可達18 m) ,測量精度高(一般為 0102 %～0105 %或 011～015 mm) ,重復性好(一般為 01002 %) ,且溫度系數較低(一般為 01005～0101 ℃) ,同時可以對油位/ 油水界面及多點溫度等多個參量進行測量。由于磁致伸縮液位傳感器采用非接觸傳感元件 ,故具有較高的使用壽命和標定特性 ,再加上其安裝調試方便 ,輸出信號多樣(有模擬量、脈沖信號、數字信號) ,因此 ,磁致伸縮液位將會成為液位測量的主流產品。
