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磁致伸縮液位傳感器測量精度高、傳輸距離遠、測量范圍大、測量參數(shù)多、使用安全可靠、經(jīng)久耐用等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于需要液位、位移、液體密度、溫度、壓力等多參數(shù)測量的工業(yè)領(lǐng)域，尤其應(yīng)用于工況惡劣的場合。

1、磁致伸縮液位傳感器工作原理

磁致伸縮液位傳感器是利用內(nèi)部波導(dǎo)絲材料的磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)液位測量，傳感器頭部的主控制器芯片可發(fā)射起始電流脈沖信號，該脈沖沿著波導(dǎo)絲傳播，產(chǎn)生環(huán)繞波導(dǎo)絲的周向磁場，定位浮子中永磁鐵可產(chǎn)生沿著波導(dǎo)絲方向的軸向磁場，當周向磁場和軸向磁場相遇時，兩者磁場矢量疊加，形成螺旋型磁場，根據(jù)魏德曼效應(yīng)，使波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變，從而激發(fā)機械扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波向波導(dǎo)絲兩端傳播，扭轉(zhuǎn)波被固定在波導(dǎo)管上的檢測裝置接收轉(zhuǎn)化為電脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過放大整形后作為計數(shù)電路的終止信號。每當定位浮子移動時，新的位置就會被測量出來。

2、磁致伸縮液位傳感器實驗測試系統(tǒng)

將直徑0.5mm，長度1m的磁致伸縮波導(dǎo)絲固定在內(nèi)徑6mm，外徑8mm的鐵氟龍塑料管內(nèi)（對波導(dǎo)絲施加一定的拉力，使其保持垂直，無任何彎折），底端穿過橡膠棒緊固（以減少有效信號被塑料管壁吸收），再套入內(nèi)徑9mm，外徑14mm，壁厚2.5mm的316L不銹鋼探桿內(nèi)。實驗中使用的電源為穩(wěn)壓電源和可調(diào)電源，穩(wěn)壓電源為后續(xù)的信號調(diào)理電路提供穩(wěn)定的工作電壓，可調(diào)電源用于控制激勵脈沖的電壓幅值。采用TFG6920A 型信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵脈沖電流。檢測線圈穿過波導(dǎo)絲，固定在探桿的首端，用于信號的拾取，信號顯示采用DPO3014型的四通道示波器，同時顯示輸入激勵信號和輸出扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)電壓信號。在室溫條件下，進行實驗。

3、檢測信號影響因素分析

根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)可知，當磁致伸縮材料受到外加的磁場作用發(fā)生形變時會導(dǎo)致其內(nèi)部磁場發(fā)生變化，磁場強度與形變量的關(guān)系為H = 4παx其中α為磁致伸縮應(yīng)力常數(shù),x為應(yīng)變量，H為波導(dǎo)絲材料發(fā)生形變產(chǎn)生的磁場強度。等式兩端對時間求導(dǎo)得到dH/dt=4πα dx/dt，根據(jù)電磁感應(yīng)定律以及磁感應(yīng)強度B和磁場強度H的關(guān)系，e=-Ndφ/dt=-NSdB/dt，B=μH，e=-4παμNSdx/dt，感應(yīng)電動勢主要由線圈匝數(shù)N、線圈截面積S以及單位時間材料的扭轉(zhuǎn)強度dx/dt，其中線圈匝數(shù)和截面積由檢測線圈的結(jié)構(gòu)決定，單位時間的材料的扭轉(zhuǎn)強度主要受電流脈沖磁場的影響。為此，從以下兩方面進行討論。

3.1 監(jiān)測線圈結(jié)構(gòu)影響因素分析

監(jiān)測線圈的物流參數(shù)和電參數(shù)相關(guān)，將檢測線圈模型等效為二階欠阻尼閉環(huán)電路系統(tǒng)，要快速得到系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)就要減少暫態(tài)過程的響應(yīng)時間，暫態(tài)過程的響應(yīng)時間和系統(tǒng)的阻尼比、衰減系數(shù)有關(guān)，阻尼比和衰減系數(shù)越大，暫態(tài)響應(yīng)衰減越快，系統(tǒng)越易趨于穩(wěn)定，因此要適當增加阻尼比和衰減系數(shù)。系統(tǒng)的阻尼比和電參數(shù)相關(guān)，電參數(shù)特性主要由檢測線圈的物理參數(shù)決定，比如線圈的線徑、截面積、長度和匝數(shù)等因素。

線圈的電阻會隨著線徑的增加而減小，線圈的電感隨著線徑的增加而增大。由式可知，阻尼比和衰減系數(shù)與線圈的電阻成正比，前者與線圈電感的平方根成反比，后者與線圈的電感成反比，線徑增加會導(dǎo)致線圈的諧振頻率降低，電容兩端電壓變化的周期時間增加，線圈的響應(yīng)速度變慢，因此在線徑的選擇上，盡可能選擇線徑較細的漆包線來纏繞線圈，考慮到繞線的可行性，選擇檢測線圈的漆包線線徑為0.06mm左右為宜。

由此可知，感應(yīng)電動勢和線圈截面積、線圈匝數(shù)成正比，線圈截面積越大，接收到的感應(yīng)電動勢幅度越大，但隨著線圈截面積的增大，線圈的磁滯損耗也會隨之增加，同時漏磁變大。設(shè)波導(dǎo)絲截面積為S1，線圈截面積為S2，γ=S1/S2為線圈的填充系數(shù)，當γ≥1/4時，線圈的磁滯損耗會隨線圈內(nèi)氣隙空間的增大呈現(xiàn)遞減趨勢，當S1/S2=1/4時，線圈的磁滯損耗達到最小，綜合考慮以上因素，當線圈截面積為波導(dǎo)絲截面積的4 倍時為最佳。

感應(yīng)電動勢和線圈匝數(shù)成正比，線圈匝數(shù)越多，感應(yīng)電動勢越大，但匝數(shù)增加會導(dǎo)致電感變大，使得系統(tǒng)的阻尼比和衰減系數(shù)降低，使得系統(tǒng)的暫態(tài)時間加長，同時會導(dǎo)致線圈帶寬降低，使得接收到的部分頻段信號丟失。通過實驗觀察不同線圈匝數(shù)下扭轉(zhuǎn)波檢測信號，分別使用300、400、600、800、1000、1500匝數(shù)的線圈進行實驗，線圈繞制時要求線與線之間盡可能緊密，減少漏磁的影響。

感應(yīng)電壓的峰值隨線圈匝數(shù)的增加呈增大的趨勢，且在線圈匝數(shù)為1000匝以下時，電磁干擾較小，信號比較平滑穩(wěn)定，當線圈匝數(shù)增加到1000匝之后，電磁干擾變得愈發(fā)明顯，電磁干擾會導(dǎo)致感應(yīng)信號的穩(wěn)定性降低，使測量的不確定性增加。由實驗可知，當線圈匝數(shù)為800匝時，感應(yīng)電壓信號峰值最大，電磁干擾較小，且手工繞制可行，綜合以上因素，選擇線圈匝數(shù)800匝為宜。

3.2 脈沖電流影響因素分析

磁致伸縮材料的扭轉(zhuǎn)程度主要受到周向磁場和軸向磁場的影響，其中軸向磁場由定位浮子中永磁鐵提供，永磁鐵為固定結(jié)構(gòu)，因此這里主要研究周向磁場對磁致伸縮材料的扭轉(zhuǎn)強度的影響。周向磁場是由通過波導(dǎo)絲上的脈沖電流產(chǎn)生的，脈沖電流主要受三個因素影響-幅值、頻率、脈寬，下面對這三個因素進行研究。

改變流過波導(dǎo)絲的電流脈沖幅值。實驗測試得到，檢測信號感應(yīng)電壓峰值與電流脈沖幅值的關(guān)系曲線，由曲線可知感應(yīng)電壓的峰值會隨著電流脈沖幅值的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢，在5.7A左右達到最大值，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，電流強度和磁場感應(yīng)強度成正比，電流幅值增加，波導(dǎo)絲產(chǎn)生的周向磁場強度增加，使得磁致伸縮材料內(nèi)部磁疇分布更加趨于電流磁場的方向，磁致伸縮效應(yīng)更加明顯，感應(yīng)電壓強度更大。當電流脈沖強度達到一定值時，磁致伸縮材料內(nèi)部的磁疇轉(zhuǎn)向不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)，磁致伸縮效應(yīng)達到飽和，波導(dǎo)絲扭轉(zhuǎn)強度達到最大值，使得感應(yīng)電壓幅值達到極值點，此時再增大電流強度，感應(yīng)電壓的幅值將不再變化。根據(jù)設(shè)計要求，選擇磁致伸縮達到飽和狀態(tài)時所對應(yīng)的電流脈沖作為磁致伸縮液位傳感器中波導(dǎo)絲的驅(qū)動脈沖電流為宜。改變加載到波導(dǎo)絲上的電流脈沖寬度（即脈寬），實驗測試得到，脈寬對檢測信號的影響關(guān)系變化曲線，可知，脈寬在1μs～5μs的范圍內(nèi)，感應(yīng)電壓幅值隨著電流脈寬的增加而增大，上升趨勢較快，且保持很好的線性度，在脈寬達到5μs 時達到最大值，之后隨著電流脈沖寬度的增加呈下降趨勢，且在脈寬為20μs時感應(yīng)電壓幅值趨于穩(wěn)定。在脈沖寬度較小時，電流脈沖的能量較小，激發(fā)的周向磁場不足以使波導(dǎo)絲材料磁致伸縮效應(yīng)達到飽和狀態(tài)，因此感應(yīng)電壓將隨著電流脈寬的增加而增大，當脈寬達到一定值時，波導(dǎo)絲中磁致伸縮效應(yīng)達到飽和，感應(yīng)電壓不再增加，此時脈寬繼續(xù)增大，磁場在波導(dǎo)絲中的作用范圍將會變大，使得磁致伸縮材料單位面積上磁場作用強度減小，感應(yīng)電壓的幅度下降，檢測信號的持續(xù)時間變長。所以，選擇磁致伸縮液位傳感器工作的脈沖電流脈寬為5μs左右為宜。

電流脈沖為可調(diào)頻率的周期信號，通過調(diào)節(jié)脈沖電流頻率可以控制電流作用于波導(dǎo)絲上的時間間隔?？紤]到搭建的實驗平臺滿量程為 1m，扭轉(zhuǎn)波在空氣中的傳播速度為2750m/s，滿量程的傳播時間為 363μs，頻率為2750Hz，為了避免電流脈沖頻率過高，兩個測量周期出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象，設(shè)定電流脈沖的頻率在2750Hz以下，通過實驗，得到脈沖頻率對感應(yīng)電壓強度的影響。

感應(yīng)電壓幅值隨著電流脈沖頻率的增加基本保持穩(wěn)定，且不會使得扭轉(zhuǎn)波發(fā)生突變的現(xiàn)象，考慮到頻率過低會使系統(tǒng)的等待時間增加，頻率過高會使單片機的輸出信號穩(wěn)定性降低，經(jīng)多次實驗測試可知，選擇電流脈沖頻率為1800Hz為最佳。

3.3優(yōu)化后的實驗結(jié)果

優(yōu)化后，測試得到的檢測信號可知優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)波信號穩(wěn)定性高、強度大，電磁干擾很微弱，滿足液位測量的要求。

4、結(jié) 論

① 通過建立檢測線圈電路模型，對檢測線圈的相關(guān)設(shè)計參數(shù)-線徑、截面積、長度和匝數(shù)進行了分析，對檢測線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了檢測信號抗干擾的能力。

② 對脈沖電流影響檢測信號的三個主要因素幅值、脈寬、頻率進行了分析，得到了檢測信號隨上述影響因素的變化曲線。提高檢測信號的幅值，優(yōu)化了檢測信號的波形，提高了檢測信號的穩(wěn)定性。