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磁致伸縮液位計信號調理電路設計與仿真分析

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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, 由脈沖發生電路產生一個周期性的大電流窄脈沖加載到波導絲上。由楞次定律可知, 在驅動脈沖的作用下, 周圍空間會產生一個垂直于波導絲的環向磁場, 環向磁場與活動磁鐵產生的軸向磁場相遇時互相疊加產生螺旋形磁場。根據魏德曼效應[4-7], 該螺旋形磁場使波導絲在活動永磁體處發生扭轉形變, 形成彈性機械波沿波導絲向兩端傳播, 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[8-10]可知, 波導絲形變會讓磁致伸縮材料的磁導率發生改變。根據法拉第電磁感應定律, 超聲換能器可拾取變化的磁場產生的電壓信號從而實現測量物位的目的。


 

2、磁致伸縮液位傳感器感應信號分析:

  本文采用Tektronix公司生產的型號為TCS 2024C的示波器, 其帶寬為200MHz, 采樣率高達2GS/s, 采樣頻率為100MHz, 采樣點數為10000個。觀察超聲換能器拾取信號經放大后的時域波形 (如圖2所示) , 發現感應信號混雜著干擾信號。經分析, 可知感應信號是混頻信號, 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, 在示波器上表現為時域波形上的毛刺。這些噪聲對感應信號的數字整形影響較大, 嚴重影響了液位傳感器測量的準確度和穩定性。


 

3、二階有源帶通選頻電路設計:

  二階有源帶通選頻電路如圖3所示。設R2=2R, R3=R可導出該電路的傳遞函數為:


 

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


 

文獻[11]中, 參數規律為:


 

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, 并具有優于一般運放的低噪聲特點。設計方案如下。

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

(2) 設計選頻電路:OP37A開環增益大于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:


 

得R=R3=32Ω, R2=64Ω;C1=C2=100nF。根據經驗取R4=50kΩ, R5=1kΩ。

4、放大電路設計:

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

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


 

(2) 設計負反饋放大電路: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) 參數確定:設Q1發射上所加的電壓為2V (若不在1V以上, 則發射電流的溫度穩定性變差) 。忽略晶體管的基電流, 則IE1=IC1。令IE1=IC1=1mA, 則有:


 

R8的取值越大, Q1的共發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Q2集電電流IC2為3mA, 由IC2≈IE2, 得:


 

為了使Q2發射電流為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, 將采集的數據進行多項式擬合, 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) 中的分析結論一致, 滿足了設計要求。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 實測結果

為驗證磁致伸縮位移傳感器感應信號的調理方法, 參照上面所述的測量結構, 根據設計的感應信號選頻電路和放大電路進行測試。測試條件:波導絲長度為2m, 單個永磁體位移浮球, 環境溫度為25℃, 采用12V直流穩壓電源供電。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的影響。


 

7 結語

本文針對磁致伸縮液位傳感器在復雜工況下環境噪聲對感應回波信號產生的干擾問題, 提出了相應的傳感器感應信號調理方案, 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理方案能提升信號的信噪比及系統的穩定性。同時, 該放大電路采用晶體管搭建, 避免了運算放大器級聯造成的噪聲放大, 簡化了選頻放大器的設計, 并提高了選頻放大器的性能, 節約了生產成本, 在實際運用中取得了良好效果。


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