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  应用科技  2019, Vol. 46 Issue (2): 59-64  DOI: 10.11991/yykj.201809002
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引用本文  

曲义宏, 付永庆. 基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计[J]. 应用科技, 2019, 46(2), 59-64. DOI: 10.11991/yykj.201809002.
QU Yihong, FU Yongqing. Design of liquid level sensor based on magnetostrictive principle[J]. Applied Science and Technology, 2019, 46(2), 59-64. DOI: 10.11991/yykj.201809002.

通信作者

曲义宏,E-mail: qyh75123@sina.com

作者简介

曲义宏,男,硕士研究生;
付永庆,男,教授,博士生导师

文章历史

收稿日期:2018-09-04
网络出版日期:2018-12-20
基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计
曲义宏, 付永庆    
哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001
摘要:针对传统的液位测量技术在实际应用中的不足,提出了一种新型的液位传感器设计方案。该方案利用磁致伸缩原理,将液位信息的测量转化为对信号脉冲的精准计时。通过对磁致伸缩液位传感器的结构和工作原理的分析,对系统的构建、硬件电路设计和软件编程做了详细描述,尤其对磁致伸缩换能器与高精度时间测量方案给出了实现的基本框架和步骤。实验证明,这种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、数字化等优点,具有一定的实用价值。
关键词液位测量    磁致伸缩    高精度    数字化    磁致伸缩换能器    时间测量    信号脉冲    稳定性    
Design of liquid level sensor based on magnetostrictive principle
QU Yihong, FU Yongqing    
College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: Aiming at the deficiency of traditional liquid level measurement technology in practical application, a new design scheme of liquid level sensor is proposed. The scheme uses magnetostrictive principle to transform the measurement of liquid level information into accurate timing of signal pulse. By analyzing the structure and working principle of magnetostrictive liquid level sensor, this paper describes the system construction, hardware circuit design and software programming in detail, and especially, gives the basic frame and steps of magnetostrictive transducer and high precision time measurement scheme. Experiments show that the liquid level sensor based on magnetostrictive principle has the advantages of stable operation, high measurement accuracy and digitization, and has certain practical value.
Keywords: liquid level measurement    magnetostriction    high precision    digitization    magnetostrictive transducer    time measurement    signal impulse    stability    

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

磁致伸缩液位传感器的工作原理可结合图1说明。

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图 1 磁致伸缩液位器结构

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。通过电子仓内的高精度计时模块计算驱动脉冲与终止脉冲之间的时间差T,通过核心控制器计算得到液位高度H

$H = VT$

式中扭转波以恒定速度V在波导丝中传播:

$V = \sqrt {G/{{r}}} $

式中:G为波导丝的剪切弹性模量;r为波导丝的质量密度。当波导丝材料确定后,在一定温度下,Gr都是确定的,故V也确定。在20 ℃时,V=2 850 m/s[7]

2 硬件电路设计 2.1 磁致伸缩液位器总体电路设计

根据传感器的测量机理与整体系统的设计要求,磁致伸缩液位传感器的总体电路设计如图2所示。

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图 2 系统硬件结构

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IRF840D作为功率放大管。脉冲驱动电路如图3所示。

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图 3 脉冲驱动电路

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。其电路如图4所示。

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图 4 回波检测电路

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,如图5所示。

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图 5 终止脉冲波形
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[10]

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图 6 高精度计时电路
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]

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图 7 CAN总线输出接口电路
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。主程序流程如图8所示。

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图 8 主程序流程

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。

参考文献
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