胡志豪 劉曜 張宏偉

摘? 要：磁致伸縮位移傳感器利用磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波效應(yīng)工作，廣泛應(yīng)用于石油、化工等易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場(chǎng)合。在磁致伸縮位移傳感器設(shè)計(jì)過程中，脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路和信號(hào)接收處理電路的準(zhǔn)確性是提高傳感器精度的關(guān)鍵。根據(jù)各部分電路的性能參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路并通過Multisim進(jìn)行模擬仿真檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路是否滿足設(shè)計(jì)要求，并運(yùn)用于指導(dǎo)后續(xù)實(shí)物電路的搭建。

關(guān)鍵詞：磁致伸縮? Multisim仿真? 模擬仿真? 傳感器

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（a）-0018-03

Abstract： This paper mainly introduces the circuit principle of magnetostrictive displacement sensor. Through Multisim Simulation software， the simulation of the detection pulse generation and amplification circuit and the detection pulse receiving， filtering and amplification circuit of magnetostrictive displacement sensor is carried out.

Key Words： Magnetostrictive; Multisim; Simulation; Sensor

磁致伸縮位移傳感器是一種以扭轉(zhuǎn)波超聲波作為傳播媒介的位移式傳感器。該傳感器有測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。其位移磁體與控制電路分離的結(jié)構(gòu)適用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場(chǎng)合。如航天加油系統(tǒng)、汽車加油系統(tǒng)及各種液壓罐、水文檢測(cè)、水處理等各種罐的液位計(jì)量和控制[1-2]。

Multisim模擬仿真軟件是美國國家儀器公司（NI）推出的原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。其豐富的元器件庫可便捷地完成各種實(shí)驗(yàn)電路的搭建，省去了實(shí)際電路搭接過程所需要的時(shí)間和材料，大大提高了電路設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本。其虛擬測(cè)試儀表種類齊備，有函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、多通道示波器、直流電源、萬用表等實(shí)驗(yàn)室常用儀器，為電路分析提供了豐富的手段[3-4]。

在該磁致伸縮位移傳感器設(shè)計(jì)過程中，合適頻率脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路和返回信號(hào)接收處理電路的精確性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系著傳感器的精度。因此，基于傳感器原理，通過Multisim模擬仿真軟件對(duì)磁致伸縮位移傳感器相關(guān)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試有一定的研究意義。

1? 磁致伸縮位移傳感器電路設(shè)計(jì)

在給傳感器通電后，傳感器通過處理器產(chǎn)生連續(xù)的檢測(cè)脈沖，檢測(cè)脈沖通過放大電路放大后進(jìn)入波導(dǎo)絲，在檢測(cè)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)回波。感應(yīng)線圈接收該回波后傳入濾波放大電路后與檢測(cè)脈沖時(shí)間做比較。再通過處理器運(yùn)算輸出對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)。在磁致伸縮位移傳感器設(shè)計(jì)過程中，脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路和信號(hào)接收處理電路的準(zhǔn)確性是提高傳感器精度的關(guān)鍵。

1.1 檢測(cè)脈沖產(chǎn)生放大電路的設(shè)計(jì)

脈沖產(chǎn)生放大電路主要由檢測(cè)脈沖方波控制電路（方波產(chǎn)生電路）和檢測(cè)脈沖放大電路構(gòu)成。

初步選定傳感器最大量程L為1000mm。扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲內(nèi)傳播速度V為2830m/s。[5]扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中最大往返時(shí)間t=2L/V≈0.0006 s，脈沖激發(fā)電路周期T大于最大往返時(shí)間t。取T=0.001s。脈沖激發(fā)電路頻率F=1/T=1kHz。

檢測(cè)脈沖方波控制電路根據(jù)磁致伸縮位移傳感器的量程所必須達(dá)到的要求，設(shè)計(jì)該脈沖激發(fā)電路為占空比可調(diào)的電路，使用555 定時(shí)器接成占空比可調(diào)的震蕩器電路。如圖1左半部分，通過可變電阻R1、R2以及電容C來控制檢測(cè)脈沖的頻率以及占空比。通過實(shí)驗(yàn)將R1，R2，C分別取值為115kΩ，15kΩ，10nF，使得檢測(cè)脈沖為占空比為90%，頻率為1kHz。

占空比：R1/（R1+R2）=90%

頻率F=（1.443C）/（R1+R2）=1kHz

檢測(cè)脈沖放大電路由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路主要是為了放大檢測(cè)脈沖方波控制電路傳來的方波信號(hào)。磁致伸縮效應(yīng)要求施加在波導(dǎo)絲上的瞬間脈沖電流達(dá)到一定條件，一是為了產(chǎn)生有足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)，二是提高獲得的感應(yīng)信號(hào)的質(zhì)量。因此必須使發(fā)射電流足夠大，一般來說，波導(dǎo)絲的工作電流范圍在 1.5～3.0A 范圍。驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，即三極管1、2對(duì)應(yīng)的基極電位處于低電位，三極管1截止，而2達(dá)到飽和，處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí) 場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電位低，截止。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，NPN 型三極管 1導(dǎo)通，2截止，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電位接近5V，此時(shí)導(dǎo)通，傳遞出脈沖信號(hào)。此時(shí)out電位接近于VH電位。VH的值作為一個(gè)可調(diào)的電平值，在這里取為24V。[6]

1.2 檢測(cè)脈沖接收、濾波與放大電路

檢測(cè)脈沖接收電路對(duì)傳感器接收到的波進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào)，通過兩級(jí)濾波和放大電路對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行過濾和放大。濾波和放大電路使接收到信號(hào)穩(wěn)定，擁有足夠大的放大倍數(shù)，且有足夠的抑制噪聲的能力。此外，應(yīng)盡可能使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

感應(yīng)線圈接收波導(dǎo)絲上傳來的扭轉(zhuǎn)波，并將其轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)。感應(yīng)線圈遵循法拉第電磁感應(yīng)定律將波導(dǎo)絲上傳來的感應(yīng)波轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)。通過感應(yīng)線圈得到的脈沖電信號(hào)是熱噪聲、傳感器振動(dòng)，外部磁場(chǎng)等混合在一起的共模信號(hào)。在Multisim中采用與檢測(cè)脈沖相同頻率的方波信號(hào)與熱噪聲的疊加來完成對(duì)感應(yīng)波的模擬，其電路如圖2。RC電路初步過濾后，通過兩級(jí)濾波、放大電路對(duì)接收到的波形過濾、放大，得到適合處理器處理的波形用于后續(xù)處理，如圖4。