基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计

基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计

曲义宏，付永庆

 

 

 

 

       在工农业生产和贸易结算中液位是应用非常广泛的一个重要参数。其测量原理是通过检测液位传感元件所感知的液位高度变化量，并通过完备的信号处理方法将液位转化为直观的、准确的反映液位信息的信号读取出来。液位传感器就是根据这一需求研究制造出来的。目前常用的液位传感器包括人工检尺、绳索式、电容式、电阻式、超声波式和振动式等[1]。其中人工检尺、绳索式、电容式、电阻式等液位传感器的存在精度不高、使用不便等缺点；而振动式液位传感器虽然测量精度高，但安装复杂、故障率高。在这种情况下，磁致伸缩液位传感器因其具有大量程、高精度、

易维护、免定标、长寿命和强适应性等特点，被广泛应用于机械、矿山、轻工业等行业以及火力电站、锅炉等工况恶劣的场合，应用前景十分广阔[2]。

       从 20世纪 60年代起，磁致伸缩液位传感器便在美国和日本等发达国家得到了研究与发展。 1960年，Jack Tellerman在美国首先申请了磁致伸缩位移传感器的专利；而到 1975年，磁致伸缩位移传感器进入市场[3]。到 80年代，美国 MTS公司首先将磁致伸缩原理应用到油管液位测量上，拓展了该传感器在工业领域的应用 [4]。目前美国MTS公司和德国 ASM公司在磁致伸缩技术的理论研究和实际应用方面都取得了很多的成果，是该领域上的领头企业，占据了绝大部分的市场份额。从 90年代开始，我国的很多科研机构、企业和院校的专家教授都开始对磁致伸缩液位传感器展开积极的研究和试制，但规模都较小。 1997年，广东康宇测控仪器仪表公司从 Schaevitz公司引进了全套生产线及相关技术，弥补了国内在这方面的空白[5]。2003年，中国航天科技集团总公司第七 Ο四研究所建成一条可年产 10 000套磁致伸缩液位传感器产品的中型生产线，这标志着我国在磁致伸缩液位传感器生产与应用领域迈进了一个新纪元。

1    磁致伸缩液位传感器工作原理

1.1    磁致伸缩效应

       铁磁材料在外磁场的作用下，在磁场变化时其体积或长度会发生微小变化，这种现象被称为磁致伸缩效应[6]。其形变有纵向、横向、体积这3种表现形式，其中应用最广泛的是纵向磁致伸缩。同时，还存在逆磁致伸缩效应：在恒定磁场中，磁化了的磁致伸缩材料受到外力作用时，其磁化状态会发生改变，即压磁效应，也叫维拉里效应。

1.2    磁致伸缩液位传感器工作原理

       当传感器工作时，电子仓内的驱动脉冲电路将一个周期性的大电流窄脉冲加载到波导丝上，该脉冲会以电磁波速沿波导丝向前传播，由电磁场理论可知，此驱动电流会激发一个与之一起传播的环形磁场。2块永磁体被安置在浮子上以形成一轴向恒稳磁场。当 2种磁场相遇时，会互相叠加产生螺旋磁场，根据磁致伸缩原理，波导丝此时将产生一个扭转形变，形成扭转波，并以超声波速 V沿波导丝向两端传播。当扭转波传播到波导丝底端时，被末端阻尼器吸收；当扭转波传播到波导丝顶端时，被磁致伸缩换能器接收，并转化为感应电脉冲，此脉冲在电子仓被整形放大，最后得到一终止脉冲。

2.硬件电路设计

2.1致伸缩液位器总体电路设计

       本设计的核心电路主要由微控制器、功率放大电路、回波检测电路、高精度时间测量电路、 CAN输出接口电路组成，辅助电路有电源电路和温度测量电路。

2.2    核心控制电路

        控制电路是整个系统的核心电路，主要负责激励电流脉冲的发射，接收高精度计时芯片送来的时间数据并对其进行后期处理，最后将数据发送出去。控制电路的核心——微控制器的选择对于控制电路的设计来说至关重要。MSP430系列单片机具有超低功耗、处理能力强大、片上外设丰富、开发环境方便灵活等优点，符合设计的要求[8]。最终选用此系列的 MSP430F149型单片机。它具有高、低速 2个时钟，为单片机提供工作所需的时钟频率以及精准定时； 12位的模数转换器ADC12用于模拟量到数字量的转换；还具有丰富的 I/O端口用于与外部模块通信，包括 2路 SPI

通信口线、计时芯片的中断输入、起始和终止使能、软件复位端以及作为脉冲发射端提供起始脉冲。
2.3    脉冲驱动电路

       脉冲驱动电路的主要功能是接收单片机发送来的起始脉冲并对其进行功率放大，形成电流值为 3 A左右的激励电流脉冲来驱动波导丝。考虑到开关管的承受电流能力与转换速度，实验选用IRF 840D作为功率放大管。单片机从 P2.0~P2.3引脚产生的起始脉冲经过光耦，加到三极管 Q1的基级，这时 Q1导通；场效应管 Q2的栅极变成低电平，Q2导通；大电容C1通 过 场 效 应 管 Q2产 生 大 电 流 。 电 路 中的 P4.0和 P4.1端口是 2个安全检测端，正常情况下为低电平，当场效应管短路、断路或者波导丝断路时将变高 ， 此时单片机通过 P4.5和P4.6来控制继电器动作，切断供电电源，以保护电路。

2.4    回波检测电路

       回波检测电路的主要功能是将磁致伸缩换能器检测到的感应信号进行放大和整形处理，输出标准电平以便送入高精度计时电路作为终止脉冲。

       电路主要由放大电路、电压比较电路和整形电路组成。由于检测到的感应脉冲十分微弱，且伴有噪声，所以设计中选用 TI公司的仪表放大器芯片 INA118，具有高精度、高增益、高共模抑制比等优点。通过在 1和 8脚之间接入一个精密电阻R以实现不同增益的放大，放大范围为1~10 000。

实验中换能器检测到的回波信号幅值大约为2 mV，因此芯片的增益设置为 1 000，即可得到2 V 左右的输出信号。经过放大后的波形送入由LM393组成的电压比较电路，最后通过由SN74121芯片构成的整形电路，最终得到标准的终止方波脉冲信号。

2.5    高精度计时电路

       磁致伸缩传感器的分辨率要达到微米级，则其时间间隔测量必须精确到纳秒级。若采用传统的计时方式，测量晶振的频率就要达到 GHz级，这给设计带来了困难。本文利用高精度计时芯片TDC−GP2有效解决了这一问题。

TDC−GP2是以信号通过内部门电路的传播  延迟来进行高精度时间间隔测量的，时间分辨率可达 50 ps，远远超过目前磁致伸缩液位传感器对时间测量精度的要求，通过硬件四线 SPI与单片机通信，最高 1 MHz数据输出[9]。高精度时间测量电路如图 6所示，芯片 8脚为中断引脚， 9~12脚为 SPI通信接口， 13脚为软件初始化端口。32和 26脚分别为开始与终止使能端。同时，TDC−GP2工作时还需外接4 MHz和32 768 Hz的晶振。

2.6    CAN输出电路

       为了使传感器具有更广阔的应用范围，输出接口选择了汽车通用的 CAN总线输出方式。由于 MSP430F149本身不具备 CAN 处理与收发能力，所以需要外接CAN控制器与收发器进行CAN通信。CAN控制器采用Microchip公司的MCP2515；收发器采用TI公司的SN65HVD234。CAN总线输出接口电路如图 7示。MCP2515的13~16引脚为SPI数据线，与单片机的P5.0~P5.3相连接进行通信。单片机将数据送入 MCP2515，经过处理后，其发送报文给 SN56HVD234，由其发送出去[11]。

3    系统软件设计

        系统软件部分采用 IAR Embedded Workbench IDE，用C 语言进行编写。IAR Embedded Workbench IDE是 IAR Systems公司开发的带有 C/C++编译器和调试器的集成开发环境，同时具有工程管理、程序编写编译、在线调试等所有功能[12]。

3.1    系统程序设计

3.1.1   主程序设计及初始化设置

        主程序由若干个子程序组成，各子程序相互独立，并通过相互协同工作来完成系统运作。系统上电之后首先对各芯片进行初始化，包括单片机的看门狗、时钟系统、端口、定时器等内部资源，TDC−GP2计时芯片以及 CAN控制器芯片 MCP2515。系统上电后首先要对 MSP430及其外部设备进行初始化，主要包括时钟系统初始化、中断初始化 (配置中断类型、中断向量表、中断控制寄存器等)、IO 口初始化 (配置 IO 口类型)、定时器初始化 (设置定时器处置、配置定时器控制寄存器 )、 SPI初始化 (设置工作模式和参数等)。初始化后再对脉冲驱动电路进行安全检测，若检测到异常，则控制继电器切断场效应管的供电，系统报错；若无异常，则进行一次温度测量，然后定时器开始计时，等待定时中断，根据标识位 Flag是否置 1判断是否进行温度测量。时间测量不仅包括 TDC-GP2芯片的测量还包括对检测结果的数字滤波算法，最后通过 CAN总线将数据发送，用串口调试助手进行接收显示。

3.1.2   TDC−GP2程序设计

        TDC−GP2程序的设计须遵循芯片的时间测量流程，首先要对单片机端口和 SPI工作方式初始 化 ， 包 括 输 出 和 中 断 输 入 端 口 的 初 始 化 。 SPI为 Mode1工作方式 ， 在每次读写序列之间SSN 至少保持50 ns高电平。此外，每次对TDC−GP2初始化之前要对其进行复位，且先进性硬件复位，再进行软件复位。硬件复位持续时间必须大于 50 ns，软件复位包括一些寄存器的配置，如测量范围选择、参考时钟选择、hit 数设置、终端设置等[10]。TDC−GP2的复位及寄存器配置的部分

程序如下：

P3OUT|=BIT4; //START使能

P3OUT|=BIT5; //STOP使能

ConfigGP2(0X80000568); //启动自动校准

_NOP();

ConfigGP2(0X81214200); //STOP预置数为2 _NOP();

ConfigGP2(0X82e02D00); //开中断

_NOP();

ConfigGP2(0X83180000); //设置4.096ms溢出_NOP();

3.2    数字滤波算法

        为减少外部环境对测量结果精度的影响，采用数字滤波算法来提高传感器的稳定性。本设计通过对数据进行分析可知，数据的干扰大部分为随机干扰，液面的晃动也属于随机晃动，所以本设计采用算术平均值滤波法。考虑到当数据中存在一个偏离均值很大的采样值时会导致总体均值的波动，对算术均值滤波法进行了改进：每次开始测量时先取 10次测量结果的平均值作为门限，之后的每次测量都将与此门限作比较，若两者的绝对值大于 40 μs，则认为此数据由于干扰产生了错误，便丢弃此数据；若小于 40 μs，则认为数据有效，最后对所有测得的有效数据求算术平均值。这样既能抑制随机干扰，也能防止较大脉冲波动对测量结果带来的影响，从而提高了磁致伸缩液位传感器的稳定性和精确性。

4    结论

        本文主要研究一种基于磁致伸缩原理的液位传感器，并详细阐述了硬件与软件设计。从以上的研究可以得到如下结论：

1）由系统的实际运行测试数据可知，本文设计的基于磁致伸缩原理的液位传感器具有运行稳定、测量精度高、故障率低的优点；

2）TDC−GP2具有高精度、低功耗和封装小等特点，适合于高精度位移测量领域，尤其在适合于低成本的磁致伸缩传感器领域，具有广泛的发展前景；

3）本文的研究成果可望应用于汽车上的油量检测领域，实现一种更加精确、稳定、安全地获取汽车油量信息的方法；

4）不同的波导丝材料以及波导丝紧固时受力情况对测量精度的影响应给予深入研究。