1、磁致伸縮液位計傳感器原理：

  磁致伸縮液位傳感器由金屬電子倉、Fe-Ni合金波導(dǎo)絲、探測桿、衰減阻尼等組成 (如圖1所示) 。液位傳感器工作時, 由脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生一個周期性的大電流窄脈沖加載到波導(dǎo)絲上。由楞次定律可知, 在驅(qū)動脈沖的作用下, 周圍空間會產(chǎn)生一個垂直于波導(dǎo)絲的環(huán)向磁場, 環(huán)向磁場與活動磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場相遇時互相疊加產(chǎn)生螺旋形磁場。根據(jù)魏德曼效應(yīng)[4-7], 該螺旋形磁場使波導(dǎo)絲在活動永磁體處發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變, 形成彈性機械波沿波導(dǎo)絲向兩端傳播, 到達液位傳感器底部的彈性機械波被衰減阻尼吸收, 到達頂端的彈性機械波被超聲換能器拾取。由維拉利效應(yīng)[8-10]可知, 波導(dǎo)絲形變會讓磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率發(fā)生改變。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律, 超聲換能器可拾取變化的磁場產(chǎn)生的電壓信號從而實現(xiàn)測量物位的目的。

2、磁致伸縮液位傳感器感應(yīng)信號分析：

  本文采用Tektronix公司生產(chǎn)的型號為TCS 2024C的示波器, 其帶寬為200MHz, 采樣率高達2GS/s, 采樣頻率為100MHz, 采樣點數(shù)為10000個。觀察超聲換能器拾取信號經(jīng)放大后的時域波形 (如圖2所示) , 發(fā)現(xiàn)感應(yīng)信號混雜著干擾信號。經(jīng)分析, 可知感應(yīng)信號是混頻信號, 目標信號主要集中在150kHz以下, 50kHz附近達到峰值, 同時還有一些高頻干擾的成分, 在示波器上表現(xiàn)為時域波形上的毛刺。這些噪聲對感應(yīng)信號的數(shù)字整形影響較大, 嚴重影響了液位傳感器測量的準確度和穩(wěn)定性。

3、二階有源帶通選頻電路設(shè)計：

  二階有源帶通選頻電路如圖3所示。設(shè)R2=2R, R3=R可導(dǎo)出該電路的傳遞函數(shù)為:

式中, AVF為同相比例放大電路的電壓增益。為了使電路穩(wěn)定工作, 要求AVF<3。

文獻[11]中, 參數(shù)規(guī)律為:

將式 (2) 代入式 (1) 中, 則有:

式 (3) 為二階帶通選頻電路傳遞函數(shù)的表達式, 其中ω0既是特征角頻率, 也是該帶通選頻電路的中心角頻率。令s=jω, 則有:

由式 (4) 可知, 當ω=ω0時, 圖4所示電路具有大電壓增益。Q值越大, 則通頻帶越窄, 即選擇性越好。一般將|A (jω) |下降至 時所包含的頻率范圍定義為通帶寬度, 有:

由上述分析可知, 磁致伸縮感應(yīng)信號為交流信號, 其中心頻率為50kHz。試驗中選用OP37A集成運算放大器進行信號處理, 其帶寬增益為60MHz, 并具有優(yōu)于一般運放的低噪聲特點。設(shè)計方案如下。

(1) 技術(shù)參數(shù):工作頻率ω0為50kHz;-3dB頻帶寬不大于100kHz。

(2) 設(shè)計選頻電路:OP37A開環(huán)增益大于120dB, 輸入阻抗ri為3GΩ, 輸出阻抗ro為70Ω。由于該電路工作于50kHz的固定頻率附近, 因此采用具有良好選頻濾波效果的二階帶通選頻電路, 如圖4所示。

由文獻[12-13]可知, 二階有源帶通選頻電路電阻滿足R2=2R, R3=R。取C=100nF, 根據(jù):

得R=R3=32Ω, R2=64Ω;C1=C2=100nF。根據(jù)經(jīng)驗取R4=50kΩ, R5=1kΩ。

4、放大電路設(shè)計：

  本文采用晶體管搭建負反饋放大電路, 該電路將NPN晶體管的共發(fā)射放大電路與PNP晶體管的共發(fā)射放大電路串聯(lián), 用電阻將反饋從電路的輸出加到初級NPN晶體管的發(fā)射[14]。設(shè)計方案如下:

(1) 技術(shù)參數(shù):信號經(jīng)選頻電路后, 幅值保持不變, 輸入10mV, 輸出大于2V。

(2) 設(shè)計負反饋放大電路:電源電壓是15V, 所以選擇集電-基間大額定值VCBO與集電-基間大額定值VCEO在15V以上的晶體管。本文選用常規(guī)通用小信號晶體管2SC2240 (東芝) 和2SA1020 (東芝) ) 。放大電路模型如圖5所示。

(3) 參數(shù)確定:設(shè)Q1發(fā)射上所加的電壓為2V (若不在1V以上, 則發(fā)射電流的溫度穩(wěn)定性變差) 。忽略晶體管的基電流, 則IE1=IC1。令I(lǐng)E1=IC1=1mA, 則有:

R8的取值越大, Q1的共發(fā)射電路的增益就越大, 然而Q2的基是直接連接到Q1的集電上的, R8增大, 其上的壓降也變大, 因此取R8上的壓降IC1×R2=5V, 則:

令VBE=0.6V, 則加在R4上的電壓為4.5V。設(shè)Q2集電電流IC2為3mA, 由IC2≈IE2, 得:

為了使Q2發(fā)射電流為1mA, 由R9+R10=2kΩ得R10=2kΩ-100Ω≈2kΩ。

5、仿真分析：

  本文采用Multisim10進行仿真, 在繪圖編輯器中選擇信號源XFG2、直流電源VCC等[15-16]。其中, 波特儀XBP1用來分析感應(yīng)信號的中心頻率和-3dB的通帶寬度;XSC2為四通道示波器, CH1通道接入信號發(fā)生器, CH2通道接入選頻電路輸出端, CH3接入放大電路輸出端, 以觀察輸入輸出信號的波形。仿真電路模型如圖6所示。

  將信號源設(shè)置為10~190kHz, 步長為20kHz, 幅值為0.01V。啟動Multisim 10, 點擊運行按鈕, 將采集的數(shù)據(jù)進行多項式擬合, 二階有源帶通選頻放大電路輸出電壓幅值隨頻率變化如圖7所示。

由圖7可知, 二階帶通選頻放大電路中心頻率為50kHz, 輸出電壓幅值達到大, 和式 (4) 中的分析結(jié)論一致, 滿足了設(shè)計要求。將波特儀的輸入端接在信號源XFG2的正端, 輸出端接在選頻電路的輸出端, 負端共地。設(shè)置信號源工作頻率為50kHz, 計算該二階有源選頻放大電路-3dB通帶寬度為B=73.813-21.911≈52kHz, 與理論分析相符。

6 實測結(jié)果

為驗證磁致伸縮位移傳感器感應(yīng)信號的調(diào)理方法, 參照上面所述的測量結(jié)構(gòu), 根據(jù)設(shè)計的感應(yīng)信號選頻電路和放大電路進行測試。測試條件:波導(dǎo)絲長度為2m, 單個永磁體位移浮球, 環(huán)境溫度為25℃, 采用12V直流穩(wěn)壓電源供電。磁致伸縮位移檢測平臺如圖8所示。

由選頻放大電路放大后的效果圖 (如圖9所示) 可知, 二階有源帶通選頻放大電路能有效平滑信號并提高信噪比, 減少對信號整形計數(shù)的影響。

7 結(jié)語

本文針對磁致伸縮液位傳感器在復(fù)雜工況下環(huán)境噪聲對感應(yīng)回波信號產(chǎn)生的干擾問題, 提出了相應(yīng)的傳感器感應(yīng)信號調(diào)理方案, 包括抗干擾的二階有源帶通選頻濾波和目標信號放大處理, 并分別通過試驗驗證了該調(diào)理方案能提升信號的信噪比及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時, 該放大電路采用晶體管搭建, 避免了運算放大器級聯(lián)造成的噪聲放大, 簡化了選頻放大器的設(shè)計, 并提高了選頻放大器的性能, 節(jié)約了生產(chǎn)成本, 在實際運用中取得了良好效果。