引言

        隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，使得磁致伸縮液位傳感器應(yīng)運(yùn)而生。該類型傳感器技術(shù)新穎，相較于其它傳感器減少了人工參與帶來(lái)的隨機(jī)誤差，廣泛應(yīng)用于非接觸、高精度、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣的場(chǎng)合［１－３］。感應(yīng)信號(hào)是磁致伸縮液位傳感器實(shí)現(xiàn)物位精確測(cè)量的根本，通常磁致伸縮液位傳感器工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾噪聲較大，該噪聲在波導(dǎo)絲上反射，被超聲換能器拾取，在上位機(jī)上表現(xiàn)為測(cè)量數(shù)據(jù)失真或跳變。目前，針對(duì)該情況的解決方案是采用鍺二極管限幅來(lái)濾除干擾雜波，然而對(duì)于感應(yīng)信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性的優(yōu)化等方面尚無(wú)探索。本文以量程小于２ｍ微型磁致伸縮液位傳感器感應(yīng)信號(hào)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了二階有源帶通選頻放大電路。

 

１磁致伸縮液位傳感器原理

        磁致伸縮液位傳感器由金屬電子倉(cāng)、Ｆｅ－Ｎｉ合金波導(dǎo)絲、探測(cè)桿、衰減阻尼等組成（如圖１所示）。液位傳感器工作時(shí)，由脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)脈沖的作用下，周圍空間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于波導(dǎo)絲的環(huán)向磁場(chǎng)，環(huán)向磁場(chǎng)與活動(dòng)磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)相遇時(shí)互相疊加產(chǎn)生螺旋形磁場(chǎng)。根據(jù)魏德曼效應(yīng)［４－７］，該螺旋形磁場(chǎng)使波導(dǎo)絲在活動(dòng)永磁體處發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變，形成彈性機(jī)械波沿波導(dǎo)絲向兩端傳播，到達(dá)液位傳感器底部的彈性機(jī)械波被衰減阻尼吸收，到達(dá)頂端的彈性機(jī)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(huì)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(chǎng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量物位的目的。

２磁致伸縮液位傳感器感應(yīng)信號(hào)分析

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

3、二階有源帶通選頻電路設(shè)計(jì)

        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。

        式（３）為二階帶通選頻電路傳遞函數(shù)的表達(dá)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(dāng)ω＝ω０時(shí)，圖４所示電路具有最大電壓增益。Ｑ值越大，則通頻帶越窄，即選擇性越好。一般將｜Ａ（ｊω）｜下降至Ａ０／槡２時(shí)所包含的頻率范圍定義為通帶寬度，有：Ｂ＝（３－ＡＶＦ）ω０（５）

        由上述分析可知，磁致伸縮感應(yīng)信號(hào)為交流信號(hào)，其中心頻率為５０ｋＨｚ。試驗(yàn)中選用ＯＰ３７Ａ集成運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)處理，其帶寬增益為６０ＭＨｚ，并具有優(yōu)于一般運(yùn)放的低噪聲特點(diǎn)。設(shè)計(jì)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(jì)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。

        

        選頻電路的閉環(huán)增益應(yīng)滿足：

４放大電路設(shè)計(jì)

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

        （１）技術(shù)參數(shù)：信號(hào)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(jì)負(fù)反饋放大電路：電源電壓是１５Ｖ，所以選擇集電極－基極間最大額定值ＶＣＢＯ與集電極－基極間最大額定值ＶＣＥＯ在１５Ｖ以上的晶體管。本文選用常規(guī)通用小信號(hào)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)射極上所加的電壓為２Ｖ（若不在１Ｖ以上，則發(fā)射極電流的溫度穩(wěn)定性變差）。忽略晶體管的基極電流，則ＩＥ１＝ＩＣ１。令ＩＥ１＝ＩＣ１＝１ｍＡ，則有：

        Ｒ８的取值越大，Ｑ１的共發(fā)射極電路的增益就越大，然而Ｑ２的基極是直接連接到Ｑ１的集電極上的，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集電極電流ＩＣ２為３ｍＡ，由ＩＣ２≈ＩＥ２，得：

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

 

５仿真分析

        本文采用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０進(jìn)行仿真，在繪圖編輯器中選擇信號(hào)源ＸＦＧ２、直流電源ＶＣＣ等［１５－１６］。其中，波特儀ＸＢＰ１用來(lái)分析感應(yīng)信號(hào)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(hào)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(hào)的波形。仿真電路模型如圖６所示。將信號(hào)源設(shè)置為１０～１９０ｋＨｚ，步長(zhǎng)為２０ｋＨｚ，幅值為０．０１Ｖ。啟動(dòng)Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　１０，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)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(dá)到最大，和式（４）中的分析結(jié)論一致，滿足了設(shè)計(jì)要求。將波特儀的輸入端接在信號(hào)源ＸＦＧ２的正端，輸出端接在選頻電路的輸出端，負(fù)端共地。設(shè)置信號(hào)源工作頻率為５０ｋＨｚ，計(jì)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(shí)測(cè)結(jié)果

        為驗(yàn)證磁致伸縮位移傳感器感應(yīng)信號(hào)的調(diào)理方法，參照上面所述的測(cè)量結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)的感應(yīng)信號(hào)選頻電路和放大電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件：波導(dǎo)絲長(zhǎng)度為２ｍ，單個(gè)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(cè)平臺(tái)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(hào)并提高信噪比，減少對(duì)信號(hào)整形計(jì)數(shù)的影響。

７結(jié)語(yǔ)

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

 

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