隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，新的傳感器技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，基于磁致伸縮位移測(cè)量傳感器技術(shù)的傳感器也應(yīng)運(yùn)而生，該類型的傳感器技術(shù)較為新穎，在位移測(cè)量方面有著巨大的發(fā)揮前景。它適用于高強(qiáng)度，高危險(xiǎn)的極度惡劣的工作環(huán)境，在油庫(kù)的液位測(cè)量，有毒化學(xué)品液位測(cè)量方面廣泛的被采用。相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，它使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，測(cè)量精度高，安全性好。由于國(guó)內(nèi)尚無(wú) 5 ～ 10 m 的大位移的磁致伸縮位移傳感器，為了達(dá)到對(duì)磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量技術(shù)的優(yōu)化，達(dá)到大位移的測(cè)量，文中對(duì)它回波信號(hào)進(jìn)行做了深入的分析和
研究。
1 總體的工作原理
根據(jù)磁致材料的伸縮特性，設(shè)計(jì)出磁致伸縮位移 6 傳感器，將檢測(cè)裝置檢測(cè)到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，用 DSP Tms320F2812 根據(jù)算法計(jì)算出實(shí)際的被測(cè)液體的位移，7 再通過(guò) AD421 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，PROFIBUS － DP 總線接口單元等設(shè)計(jì)出不同的工業(yè)儀表接口，將該位移信號(hào)送往工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表并顯示。
DSP 控制脈沖發(fā)生電路激發(fā)出激勵(lì)脈沖，該激勵(lì)脈沖進(jìn)入磁致伸縮位移傳感器的 Fe － Ni 波導(dǎo)絲，激勵(lì)脈沖在波導(dǎo)絲上感應(yīng)出一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在環(huán)形磁鐵形成的縱向磁場(chǎng)相遇，根據(jù) Widemanm 效應(yīng)，在兩個(gè)磁場(chǎng)相遇處產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈性波，該扭轉(zhuǎn)彈性波以固定的波速向波導(dǎo)絲兩邊傳輸。接收端經(jīng)過(guò)接收裝置接收該回波信號(hào)。在信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，通過(guò)高速 A /D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入 DSP，然后通過(guò)時(shí)間算法，最終求得該傳感器測(cè)得的位移。
2 磁致伸縮材料的分析與選擇
用 ANSYS 軟件對(duì)純 Fe，純 Ni，F(xiàn)e － Ni 以及國(guó)內(nèi)外研究的熱門材料 Fe － Ga 進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn) Fe － Ni 的磁致伸縮系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于純 Fe，純 Ni，而 Fe － Ga 材料經(jīng)過(guò)分析研究，證明它的磁致伸縮系數(shù)比 Fe － Ni 材料更好。但是在制造 Fe － Ga 時(shí)遇到了很多問(wèn)題，比如很難購(gòu)買純度達(dá) 99. 99% 的純 Ga; 而且在 Fe － Ga 材料的熔煉上，為了保證合成的 Fe － Ga 材料的純度，必須要盡量使二者熔煉時(shí)不與坩堝發(fā)生反應(yīng)，而要做到這一點(diǎn)又有難度; 再者，F(xiàn)e 的熔點(diǎn)是 1 535 ℃，而 Ga 的熔點(diǎn)是29% 8 ℃，F(xiàn)e 與 Ga 材料的熔點(diǎn)相差很大，而通常上采用熔煉凝固法制備的 Fe － Ga 合金由于晶粒取向雜亂，沒(méi)有形成{ 100} 織構(gòu)，導(dǎo)致磁致伸縮系數(shù)不夠理想［2］。而從 Fe 與 Ga 的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析得知，生成的 Fe － Ga 合金材料很難制成試驗(yàn)要求的絲狀材料或空心圓筒形材料。
綜上所述，在早期的研究中，首先確定了以 Fe － Ni 材料作為研究的早期試驗(yàn)性磁致伸縮材料，經(jīng)過(guò)分析采用 Fe50 Ni50 管做實(shí)驗(yàn)。那么同時(shí)對(duì) Fe － Ga 合金材料的研制也在同時(shí)進(jìn)行。
3 磁致伸縮位移傳感器的結(jié)構(gòu)模型和工作原理
磁致伸縮位移傳感器由信號(hào)測(cè)量頭( 信號(hào)測(cè)量頭包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)射電路，回波信號(hào)檢測(cè)電路，信號(hào)處理電路組成) ，波導(dǎo)管，環(huán)形磁鐵，阻尼裝置組成。磁致伸縮位移傳感器工作模型。磁致伸縮傳感器工作時(shí)將測(cè)量頭固定在液罐表層，波導(dǎo)管的末端固定在液罐的頂部，為了保證的測(cè)量的精度，要將波導(dǎo)管處于垂直狀態(tài)。在選用環(huán)形磁鐵是要選擇合適的懸浮磁鐵，保證環(huán)形磁鐵要懸浮于北側(cè)液面。
注意: 為了防止回?fù)苄盘?hào)出現(xiàn)的雜波干擾，在波導(dǎo)管的末端應(yīng)該加一個(gè)阻尼裝置，用來(lái)吸收傳播到波導(dǎo)管末端的扭轉(zhuǎn)彈性波，該旋轉(zhuǎn)波以2 800 m /s 的速度向兩邊傳播。
4 對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析和處理
回波信號(hào)的檢測(cè)裝置已做過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)中，激勵(lì)脈沖頻率設(shè)定為 1 kHz，幅度要大于 3 V，通過(guò)分析與研究，試驗(yàn)性地采用了用壓電陶瓷作為回波信號(hào)的檢測(cè)裝置，通過(guò)與檢測(cè)線圈的比較可以得出，壓電陶瓷作為檢測(cè)裝置有點(diǎn)是抗力強(qiáng)，檢測(cè)的信號(hào)較為純凈，但是存在容易老化的缺點(diǎn)。
磁致伸縮位移傳感器測(cè)試過(guò)程中，選擇波導(dǎo)管的 3 個(gè)位置作為測(cè)試點(diǎn)，分別取磁鐵的起始位置，波導(dǎo)管的中間位置，波導(dǎo)管的末端位置。將環(huán)形磁鐵滑到上述的 3 個(gè)位置，通過(guò)示波器記錄各位置的回波信號(hào)的波形圖。當(dāng)環(huán)形磁鐵在波段管上移動(dòng)時(shí)，分別選定磁鐵初始位置、中間位置、末端位置，所檢測(cè)的扭轉(zhuǎn)彈性波波形圖，他的發(fā)送激勵(lì)脈沖信號(hào)和回波信號(hào)較為清晰，通過(guò)放大電路，兩個(gè)信號(hào)的電壓幅度也較大，再通過(guò)一個(gè)高速 A /D 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換值進(jìn)入 DSP，從而可以根據(jù)相應(yīng)的時(shí)間差算法求出兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差，可以計(jì)算出相應(yīng)被測(cè)液體的液位; 雖然該回波信號(hào)帶入了一些干擾信號(hào)，但是對(duì)于整的磁致伸縮液位傳感器的測(cè)量來(lái)說(shuō)，引入的誤差非常小，從而對(duì)傳感器測(cè)量的液位數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，保證了磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量精度和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
4． 1 對(duì)回波信號(hào)的處理
利用回波信號(hào)檢測(cè)裝置接收回波信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)放利用回波信號(hào)檢測(cè)裝置接收回波信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，A /D 轉(zhuǎn)換，再輸入到 DSP，對(duì)采集的信號(hào)的峰值篩選算法，計(jì)算出磁致伸縮位移傳感器測(cè)得的位移值。電路設(shè)計(jì)中，選擇 OPA2354 搭建一個(gè)回波信號(hào)放大電路，經(jīng)示波器觀察回波信號(hào)發(fā)現(xiàn)，回波信號(hào)的幅度在 1 ～ 20 mV 左右，那么放大倍數(shù)設(shè)置為 100 倍，最初經(jīng)放大后的回波信號(hào)被干擾信號(hào)給湮沒(méi)了，經(jīng)分析討論，是由于在對(duì)回波信號(hào)的放大時(shí)，相應(yīng)的干擾信號(hào)也被放大了，因此為了得到純凈的回波信號(hào)，需要加一個(gè)低通濾波器，經(jīng)加上低通濾波器后，得到了試驗(yàn)想要的回波信號(hào)波形( 見圖 4) ，觀察圖 4 波形會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)固定的干擾脈沖，就是示波器上的第三個(gè)固定的脈沖，需要的回波信號(hào)為中間的脈沖，而個(gè)脈沖周期為1 kHz 的激勵(lì)脈沖，在經(jīng)過(guò)環(huán)形磁鐵的滑動(dòng)調(diào)試時(shí)，回波信號(hào)會(huì)隨著環(huán)形磁鐵的移動(dòng)而移動(dòng)，而圖 4 中的第三個(gè)干擾脈沖，位置一直不變，且具有周期性，因此斷定是激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)管傳到管的末端而反射回來(lái)的激勵(lì)信號(hào)。找到原因后，采用一個(gè)吸收這個(gè)反射波的阻尼裝置，在波導(dǎo)管的末端安裝上這個(gè)阻尼裝置。由于目前試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置未加上阻尼裝置，故看不到經(jīng)阻尼裝置吸收的信號(hào)波形。但是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試驗(yàn)裝置的改進(jìn)，在后續(xù)的論文中，會(huì)給出試驗(yàn)裝置改進(jìn)的波形圖。若將該信號(hào)送往工業(yè)儀表顯示，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，通過(guò) DAC 轉(zhuǎn)換器和信號(hào)轉(zhuǎn)化電路，將計(jì)算得出的傳感器距離信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口 4 ～ 20 mA 信號(hào)或送往 PROFIBUS 總線接口單元。
4． 2 測(cè)量位移的 DSP 實(shí)現(xiàn)
在 DSP 的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，文中主要通過(guò)全采樣實(shí)現(xiàn)時(shí)間的測(cè)量，DSP 控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生激勵(lì)脈沖后，同時(shí)通過(guò) DSP 開啟外部高速 A /D 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)開啟 DSP 的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，對(duì)高速A /D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在得到回波信號(hào)的峰值的轉(zhuǎn)換值后，停止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。計(jì)算出從激勵(lì)脈沖發(fā)出到接收到回波信號(hào)的中間時(shí)間 t，t = 計(jì)數(shù)值 × t0，最后計(jì)算測(cè)量的位移值。S = 超聲波波速 × t; 最后得到了磁致伸縮位移傳感器的位移測(cè)量值。在回波信號(hào)中，摻雜了一些未知的干擾信號(hào)。如激勵(lì)產(chǎn)生的回波信號(hào)傳到測(cè)量桿的末端，而末端的阻尼裝置又未吸收該信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)反射的回波信號(hào)，這樣對(duì)需要的回波信號(hào)產(chǎn)生量干擾，進(jìn)而會(huì)影響實(shí)際的測(cè)量位移的準(zhǔn)確度; 除此之外在回波信號(hào)的傳送過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生散射波; 因此，對(duì)進(jìn)入 DSP的 A /D 轉(zhuǎn)換值需要進(jìn)行必要的干擾波的處理算法。捕獲信號(hào)的個(gè)特征點(diǎn)( 選取峰值點(diǎn)) 很關(guān)鍵。DSP 時(shí)間測(cè)量程序流程。
兩個(gè)激勵(lì)脈沖發(fā)送的時(shí)間間隔 T0 很重要，因?yàn)榻邮盏降幕夭ㄐ盘?hào)必須在該時(shí)間間隔之內(nèi)，所以在這個(gè)值的選擇上需要通過(guò)試驗(yàn)得出。位移測(cè)量算法過(guò)程: DSP 設(shè)置一個(gè)定時(shí)時(shí)間 T( T 要稍微小于 T0 ) ，利用 DSP 的定時(shí)器 0 進(jìn)行定時(shí)，同時(shí) DSP 控制外部的告訴 A /D 開始轉(zhuǎn)換，DSP 將每個(gè)采樣點(diǎn)的值放在一個(gè) num_ta-ble里面，當(dāng)定時(shí)器 0 定時(shí)時(shí)間到，DSP 控制 A /D 停止轉(zhuǎn)換，此時(shí)延時(shí) 500 μs，同時(shí)調(diào)用峰值查找程序 find_peak( ) ，找到相應(yīng)回波信號(hào)的峰值，也找到了相應(yīng)峰值點(diǎn)處已采樣的點(diǎn)數(shù) num _to_peak，就可以求出回波信號(hào)與發(fā)送激勵(lì)脈沖的時(shí)間間隔，進(jìn)而求出磁致伸縮位移傳感器測(cè)量的位移值。
5 結(jié)束語(yǔ)
磁致伸縮位移傳感器在測(cè)量精度和準(zhǔn)確度方面具有優(yōu)勢(shì)，并且它可以工作在非常惡劣或危險(xiǎn)的工作環(huán)境，發(fā)揮其測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。試驗(yàn)中用的傳感器材料選擇的是 Fe － Ni 合成材料，純 Fe和純 Ni; 設(shè)計(jì)的磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量范圍為 0 ～ 5 m，在目前的研究中，正致力于對(duì)超導(dǎo)材料的研究，如 Fe － Ga 合金材料，研究重點(diǎn)是比較分析出各種磁滯材料的性能，最后確定一種的磁致伸縮材料，以實(shí)現(xiàn) 5 ～ 10 m 的大位移的測(cè)量。
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