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磁致伸縮液位計(jì)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真分析

作時(shí)間:2018-06-11  來(lái)源: 鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院、河南省信息化電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  作者:曾   雷
   

 摘 要:為提高磁致伸縮液位計(jì)的信噪比和穩(wěn)定性,消除雜波對(duì)液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性的干擾,以量程小于2m的微型磁致伸縮液位計(jì)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了二階有源帶通選頻放大電路,并利用Multisim軟件進(jìn)行仿真分析,論證了該調(diào)理方案提高微型磁致伸縮液位計(jì)感應(yīng)信號(hào)信噪比和抗干擾性的可行性。QDl壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
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que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。
磁致伸縮液位計(jì)結(jié)構(gòu)圖
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。
超聲換能器拾取信號(hào)的時(shí)域波形圖
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:
20180611131526.jpg
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。
二階有源帶通選頻電路圖20180611131700.jpg
        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:
20180611131717.jpg
        由式(4)可知,當(dāng)ω=ω0時(shí),圖4所示電路具有#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)
選頻電路模型圖
        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:
20180611131816.jpg
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。
20180611131846.jpg
        (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#大額定值VCBO與集電極-基極間#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。
放大電路模型圖
        (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:
20180611131923.jpg
        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:
20180611131928.jpg
        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:
20180611131932.jpg
        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。保,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。
仿真電路模型圖目標(biāo)信號(hào)隨幅值變化曲線圖
        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#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。
磁致伸縮位移檢測(cè)平臺(tái)
        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。
選頻放大電路放大后的效果圖
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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