康端剛，馬孝義,，趙 龍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水量在整個(gè)用水行業(yè)中占據(jù)相當(dāng)大的部分，而我國(guó)現(xiàn)在的灌區(qū)水利用效率整體較低，自動(dòng)化的量水設(shè)施比較落后，為了實(shí)現(xiàn)高效節(jié)約用水，對(duì)灌區(qū)明渠水位的測(cè)量就顯得尤為重要。

目前灌區(qū)渠道水位測(cè)量主要采用自動(dòng)式水位傳感器，具體包括浮子式、壓力式、超聲波、雷達(dá)式和激光式等水位傳感器。這幾種傳感器的使用條件、優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1所示。相比與上述幾種水位傳感器，本文設(shè)計(jì)的磁致伸縮水位傳感器具有測(cè)量精度高、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)能力好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量參數(shù)多、使用壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，很適合灌區(qū)明渠水位的監(jiān)測(cè)。

基于以上情況，本文設(shè)計(jì)了基于磁致伸縮效應(yīng)的水位儀，以低功耗單片機(jī)MSP430F169為核心，對(duì)水位儀的激勵(lì)脈沖電路、回波信號(hào)處理電路、時(shí)間測(cè)量電路做了相關(guān)設(shè)計(jì)，最后輸出與水位成正比例的模擬電壓信號(hào)。

表1 灌區(qū)主要水位傳感器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1 磁致伸縮水位儀的測(cè)量原理

1.1 磁致伸縮效應(yīng)

鐵磁體在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，其長(zhǎng)度和體積均發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為磁致伸縮或者磁致伸縮效應(yīng)[2]；相反的，鐵磁體發(fā)生變形或受到應(yīng)力的作用而引起材料的磁化狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為磁致伸縮逆效應(yīng)。

本水位儀的設(shè)計(jì)主要利用磁致伸縮效應(yīng)中的維德曼效應(yīng)[3]：使兩個(gè)不同的磁場(chǎng)相交，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并激發(fā)扭轉(zhuǎn)波，再利用磁致伸縮逆效應(yīng)接收該扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生的信號(hào)，計(jì)算出此信號(hào)被檢測(cè)到的時(shí)間，就可計(jì)算出水面的位置。

1.2 磁致伸縮水位儀原理

磁致伸縮水位傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示 。

圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

具體測(cè)量原理為：在磁致伸縮水位儀波導(dǎo)絲的一端施加一個(gè)激勵(lì)脈沖，脈沖沿波導(dǎo)絲向前傳播時(shí)，有一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)伴隨著激勵(lì)脈沖以光速向前傳播。當(dāng)環(huán)形磁場(chǎng)遇到浮子中的永磁體產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)時(shí)，將會(huì)使波導(dǎo)絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)并產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。該扭轉(zhuǎn)波以恒定的速率沿著波導(dǎo)絲向兩端傳播，繼續(xù)向前傳播的扭轉(zhuǎn)波被波導(dǎo)絲一端的阻尼元件吸收，向回傳播的扭轉(zhuǎn)波會(huì)傳到接受帶材上。根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)，纏繞帶材的接受線(xiàn)圈中的磁通量會(huì)發(fā)生變化，從而接受線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)調(diào)理電路濾波放大處理，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為計(jì)時(shí)器可以識(shí)別的電脈沖，計(jì)數(shù)器通過(guò)計(jì)算發(fā)生激勵(lì)脈沖和接受脈沖之間的時(shí)間差t來(lái)計(jì)算浮子的位置，從而得到當(dāng)前被測(cè)體的液位。

由于扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的速度恒定，計(jì)算公式[4]為：

式中：G為剪切模量；ρ為質(zhì)量密度，所以浮子與信號(hào)檢測(cè)裝置之間的距離為：

l=vt

由上式即可算出渠道水位。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 脈沖激勵(lì)電路

加在波導(dǎo)絲上的激勵(lì)電流脈沖的頻率應(yīng)滿(mǎn)足[5]：

式中：f為激勵(lì)脈沖頻率；L為磁致伸縮水位儀的有效量程；v為扭轉(zhuǎn)波的傳播速度，材料選定后，v為恒定值，約為3 000 m/s。

本文設(shè)計(jì)的有效量程為1 m，故取頻率為1.3 kHz。

電流的脈沖寬度τ在2～6 μs之間[5]，回波信號(hào)的幅值較大，因此本設(shè)計(jì)選τ為5 μs。激勵(lì)脈沖采用Ne555時(shí)基集成電路[6]產(chǎn)生，電路圖如2所示。

脈沖寬度和頻率可以通過(guò)調(diào)節(jié)R1和R2的值來(lái)改變。

τ=0.69R2C1

T=0.69 (R1+2R2)C1

圖2 Ne555脈沖發(fā)生電路

NE555產(chǎn)生的脈沖電流值很小，為了使波導(dǎo)絲產(chǎn)生較強(qiáng)的縱向磁場(chǎng)，和環(huán)周磁場(chǎng)共同作用來(lái)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，必須將脈沖電流放大，根據(jù)資料得，脈沖電流幅值在0.5～3 A之間比較理想[7]。本設(shè)計(jì)中采用場(chǎng)效應(yīng)功率MOSFET器件IRF840，由三極管8050構(gòu)成一級(jí)放大器，驅(qū)動(dòng)IRF840產(chǎn)生大電流，本設(shè)計(jì)電流為1.3 A，符合要求，IRF840的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 脈沖放大電路

2.2 回波信號(hào)處理電路

實(shí)驗(yàn)測(cè)得回波信號(hào)的中心頻率約為190 kHz，且產(chǎn)生的信號(hào)很微弱，幅值為6 mV左右，并且伴隨著很多噪聲與干擾信號(hào)，不能直接將此信號(hào)送入計(jì)時(shí)電處理，必須將回波信號(hào)進(jìn)行放大濾波整形。本設(shè)計(jì)先將接收的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器處理，再用放大器和有源濾波器處理，最后經(jīng)過(guò)電壓比較器，將信號(hào)整形輸出。

2.2.1 一級(jí)放大

由于回波信號(hào)十分微弱，所以要求放大器的增益要大，且具有良好的放大特性[8]。本設(shè)計(jì)選用儀表運(yùn)算放大器AD8420，優(yōu)化后的放大信號(hào)電路如圖4所示 。

AD8420的傳遞函數(shù)為：

Vout=G(Vin+-Vin-)+Vref

其中：G為放大器的增益，G只與R1和R2阻值相關(guān)：

為了獲得高的增益和減小電路板的面積，設(shè)計(jì)中只采用一級(jí)放大，其中R2阻值為900 kΩ， 阻值為1 kΩ，算得增益G為901。經(jīng)過(guò)此電路放大后的信號(hào)幅值約為5 V。

2.2.2 帶通濾波器設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單濾波器和放大處理后的回波信號(hào)，還存在著很大的噪聲和干擾成分[9]，在進(jìn)行計(jì)時(shí)之前，必須使用濾波器去除雜波信號(hào)。所以本設(shè)計(jì)采用有源濾波器。

本設(shè)計(jì)采用集成有源濾波器LTC1562-2，設(shè)計(jì)回波信號(hào)的濾波器。LTC1562-2包含4個(gè)二階濾波器，最高可以構(gòu)成一個(gè)八階濾波器，在單電源供電時(shí)信噪比可達(dá)93dB。本設(shè)計(jì)將LTC1562-2的4個(gè)二階濾波器串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)八階巴特沃斯帶通濾波器，這樣使得在阻帶內(nèi)的波衰減的更快，使輸出的波形更有效。電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 LTC1562-2組成的八階巴特沃斯濾波器

回波信號(hào)的中心頻率為190 kHz左右，根據(jù)LTC1562-2的資料，此時(shí)帶通濾波器的輸入阻抗應(yīng)選擇電容作為輸入阻抗，每個(gè)濾波器的輸出信號(hào)從V2端輸出。每個(gè)二階濾波器的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)都可以通過(guò)以下公式編程得到：

由以上公式計(jì)算得，當(dāng)f0=190 kHz時(shí)，R2=10.5 kΩ，取品質(zhì)因數(shù)Q=2.5，得RQ=22.9 kΩ。根據(jù)算出的理想電阻值，選定每個(gè)二階濾波器的R2和RQ的實(shí)際值。

經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)波形沒(méi)有波紋浮動(dòng)，為以后數(shù)字處理提供了基礎(chǔ)。

2.2.3 比較整形電路

為了便于后面單片機(jī)接收處理回波信號(hào)，需將該信號(hào)處理成方波信號(hào)[11]，才能利用單片機(jī)的外部中斷來(lái)檢測(cè)該信號(hào)的輸入與否。本設(shè)計(jì)采用摩托羅拉的電壓比較器LM397，檢測(cè)回波信號(hào)的第一個(gè)上升沿，將有效的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀粩?shù)字電路識(shí)別的信號(hào)。LM397比較器具有響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)LM397后輸出信號(hào)為OUT3，接入單片機(jī)I/O口。

2.3 時(shí)間測(cè)量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)磁致伸縮水位儀測(cè)量原理可知，只要測(cè)出激勵(lì)脈沖發(fā)射的時(shí)間T1和檢測(cè)到回波信號(hào)的時(shí)間T2，算出兩者時(shí)間間隔T，即可得到活動(dòng)浮子到信號(hào)發(fā)生部位的距離[8]。脈沖信號(hào)和回波信號(hào)接收示意圖如圖6所示。

圖6 激勵(lì)脈沖與回波信號(hào)接收示意圖

本設(shè)計(jì)時(shí)間間隔的測(cè)量采用MSP430F169單片機(jī)測(cè)量。水位儀的精度和時(shí)間測(cè)量頻率成正比關(guān)系，選擇的時(shí)間測(cè)量頻率高，水位儀的精度相應(yīng)的就高。MSP430F169的定時(shí)器有三種時(shí)鐘源可以選擇[8]，本設(shè)計(jì)選擇外部8 MHz時(shí)鐘源作為計(jì)數(shù)脈沖頻率，脈沖周期為0.125 μs，選擇MSP430F169的定時(shí)器A作為計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器A是16位計(jì)數(shù)器，最大計(jì)值為65535，如果計(jì)滿(mǎn)，最大可以測(cè)得有效量程為24.57 m，完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求。由于本設(shè)計(jì)選用的Fe-Ni波導(dǎo)絲扭轉(zhuǎn)波的傳播速度為3 000 m/s左右，故可得測(cè)量的精度為300 μm，對(duì)于灌區(qū)明渠水位的測(cè)量來(lái)說(shuō)，精度完全可以滿(mǎn)足。

為使水位計(jì)可以方便地輸出正比與量程的0～5 V電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)利用MSP430F169內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC12，將其通過(guò)內(nèi)部寄存器配置為12位DAC，即分辨率為0.024%，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部編程輸出模擬電壓信號(hào)。產(chǎn)生的脈沖信號(hào)pluse由單片機(jī)P2.1引腳輸入，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，回波信號(hào)由P2.2引腳輸入，當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)上升沿時(shí)，停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)編程算得相應(yīng)距離后轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)由DAC0OUT引腳輸出MoNi信號(hào)。具體電路圖7所示。

圖7 MSP430F169電路圖

3 傳感器性能測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的灌區(qū)明渠水位傳感器的線(xiàn)性度，將傳感器固定在渠道的中央位置，傳感器的零點(diǎn)位置與渠道水位零點(diǎn)平齊，該傳感器的有效量程為1 m，實(shí)驗(yàn)水位從0 m開(kāi)始，每隔10 cm記錄一次傳感器的輸出電壓值，由測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制線(xiàn)性度曲線(xiàn)如圖8。

圖8 線(xiàn)性度圖

由公式下面公式計(jì)算傳感器的線(xiàn)性度[13]：

式中：(ΔyL)max為測(cè)量中的最大誤差；yFs為滿(mǎn)量程輸出水位值。

從圖8中可以明顯地看出該傳感器測(cè)得的水位和實(shí)驗(yàn)中人工測(cè)得的水位擬合度較好，線(xiàn)性度較高。

4 結(jié) 論

本文以MSP430F169 單片機(jī)為控制中心，應(yīng)用磁致伸縮效應(yīng)，設(shè)計(jì)了高精度的適合灌區(qū)明渠水位測(cè)量的儀器，本設(shè)計(jì)對(duì)儀器的各個(gè)電路進(jìn)行了優(yōu)化，特別根據(jù)灌區(qū)明渠水位的測(cè)量，對(duì)該水位儀頭部的激勵(lì)脈沖產(chǎn)生與放大電路、檢測(cè)到的回波放大處理電路、回波信號(hào)噪聲與干擾信號(hào)的濾波電路、時(shí)間計(jì)時(shí)與數(shù)模轉(zhuǎn)等電路做了合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)水位計(jì)所需要的量程，設(shè)計(jì)了適合量程的脈沖頻率和脈沖寬度，選用儀表放大器和集成可編程有源數(shù)字濾波芯片處理微弱、包含噪聲的有用信號(hào)，考慮到灌區(qū)明渠水位的測(cè)量達(dá)到300um就已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到了測(cè)量要求的情況，選用TI公司的MSP430F169單片機(jī)完成時(shí)間間隔的測(cè)量和數(shù)模轉(zhuǎn)換，這樣降低了儀器的成本，大大減小了儀器頭部位置的體積。經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試表明，本文所設(shè)計(jì)的基于磁致伸縮效應(yīng)的明渠水位測(cè)定儀在性能和精度上都滿(mǎn)足了灌區(qū)明渠水位測(cè)量的要求，在應(yīng)用范圍和技術(shù)研究方面都有著廣闊的前景，為灌區(qū)用水精量化、自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)。

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