磁致伸縮液位計信號調(diào)理電路設(shè)計與仿真分析
摘要：為提高磁致伸縮液位計的信噪比和穩(wěn)定性, 消除雜波對液位計測量準(zhǔn)確性的干擾, 以量程小于2m的微型磁致伸縮液位計為研究對象, 設(shè)計了二階有源帶通選頻放大電路, 并利用Multisim軟件進行仿真分析, 論證了該調(diào)理方案提高微型磁致伸縮液位計感應(yīng)信號信噪比和抗干擾性的可行性。
Abstract：
In order to improve the SNR and stability of magnetostriction liquidometer, and to eliminate the interference of clutter to the measurement accuracy of magnetostriction liquidometer, taking micro magnetostriction liquidometer with a range of less than 2 mas research object, the frequency selective amplification circuit with second-order active band-pass is designed, and Multisim software is used for simulation analysis.It demonstrates the feasibility of improving the SNR and anti-interference of the micro magnetostriction liquidometer.
0、引言：
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展, 自動化程度越來越高, 使得磁致伸縮液位傳感器應(yīng)運而生。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的隨機誤差, 廣泛應(yīng)用于非接觸、高精度、現(xiàn)場環(huán)境惡劣的場合[1-3]。感應(yīng)信號是磁致伸縮液位傳感器實現(xiàn)物位測量的根本, 通常磁致伸縮液位傳感器工作現(xiàn)場環(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, 在上位機上表現(xiàn)為測量數(shù)據(jù)失真或跳變。目前, 針對該情況的解決方案是采用鍺二極管限幅來濾除干擾雜波, 然而對于感應(yīng)信號質(zhì)量和穩(wěn)定性的優(yōu)化等方面尚無探索。本文以量程小于2m微型磁致伸縮液位傳感器感應(yīng)信號為研究對象, 設(shè)計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、Fe-Ni合金波導(dǎo)絲、探測桿、衰減阻尼等組成 (如圖1所示) 。液位傳感器工作時, 由脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生一個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)動脈沖的作用下, 周圍空間會產(chǎn)生一個垂直于波導(dǎo)絲的環(huán)向磁場, 環(huán)向磁場與活動磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場相遇時互相疊加產(chǎn)生螺旋形磁場。根據(jù)魏德曼效應(yīng)[4-7], 該螺旋形磁場使波導(dǎo)絲在活動永磁體處發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變, 形成彈性機械波沿波導(dǎo)絲向兩端傳播, 到達液位傳感器底部的彈性機械波被衰減阻尼吸收, 到達頂端的彈性機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產(chǎn)生的電壓信號從而實現(xiàn)測量物位的目的。
2、磁致伸縮液位傳感器感應(yīng)信號分析：
本文采用Tektronix公司生產(chǎn)的型號為TCS 2024C的示波器, 其帶寬為200MHz, 采樣率高達2GS/s, 采樣頻率為100MHz, 采樣點數(shù)為10000個。觀察超聲換能器拾取信號經(jīng)放大后的時域波形 (如圖2所示) , 發(fā)現(xiàn)感應(yīng)信號混雜著干擾信號。經(jīng)分析, 可知感應(yīng)信號是混頻信號, 目標(biāo)信號主要集中在150kHz以下, 50kHz附近達到峰值, 同時還有一些高頻干擾的成分, 在示波器上表現(xiàn)為時域波形上的毛刺。這些噪聲對感應(yīng)信號的數(shù)字整形影響較大, 嚴(yán)重影響了液位傳感器測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。
3、二階有源帶通選頻電路設(shè)計：
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。
文獻[11]中, 參數(shù)規(guī)律為:
將式 (2) 代入式 (1) 中, 則有:
式 (3) 為二階帶通選頻電路傳遞函數(shù)的表達式, 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, 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
時所包含的頻率范圍定義為通帶寬度, 有:
由上述分析可知, 磁致伸縮感應(yīng)信號為交流信號, 其中心頻率為50kHz。試驗中選用OP37A集成運算放大器進行信號處理, 其帶寬增益為60MHz, 并具有優(yōu)于一般運放的低噪聲特點。設(shè)計方案如下。
(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:
品質(zhì)因數(shù)為:
通帶寬度為:
由文獻[12-13]可知, 二階有源帶通選頻電路電阻滿足R2=2R, R3=R。取C=100nF, 根據(jù):
得R=R3=32Ω, R2=64Ω;C1=C2=100nF。根據(jù)經(jīng)驗取R4=50kΩ, R5=1kΩ。
4、放大電路設(shè)計：
本文采用晶體管搭建負反饋放大電路, 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NPN晶體管的發(fā)射極[14]。設(shè)計方案如下:
(1) 技術(shù)參數(shù):信號經(jīng)選頻電路后, 幅值保持不變, 輸入10mV, 輸出大于2V。
(2) 設(shè)計負反饋放大電路: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I(lǐng)E1=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進行仿真, 在繪圖編輯器中選擇信號源XFG2、直流電源VCC等[15-16]。其中, 波特儀XBP1用來分析感應(yīng)信號的中心頻率和-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的波形。仿真電路模型如圖6所示。
將信號源設(shè)置為10~190kHz, 步長為20kHz, 幅值為0.01V。啟動Multisim 10, 點擊運行按鈕, 將采集的數(shù)據(jù)進行多項式擬合, 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, 輸出電壓幅值達到***大, 和式 (4) 中的分析結(jié)論一致, 滿足了設(shè)計要求。將波特儀的輸入端接在信號源XFG2的正端, 輸出端接在選頻電路的輸出端, 負端共地。設(shè)置信號源工作頻率為50kHz, 計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 實測結(jié)果
為驗證磁致伸縮位移傳感器感應(yīng)信號的調(diào)理方法, 參照上面所述的測量結(jié)構(gòu), 根據(jù)設(shè)計的感應(yīng)信號選頻電路和放大電路進行測試。測試條件:波導(dǎo)絲長度為2m, 單個永磁體位移浮球, 環(huán)境溫度為25℃, 采用12V直流穩(wěn)壓電源供電。磁致伸縮位移檢測平臺如圖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并提高信噪比, 減少對信號整形計數(shù)的影響。
7 結(jié)語
本文針對磁致伸縮液位傳感器在復(fù)雜工況下環(huán)境噪聲對感應(yīng)回波信號產(chǎn)生的干擾問題, 提出了相應(yīng)的傳感器感應(yīng)信號調(diào)理方案, 包括抗干擾的二階有源帶通選頻濾波和目標(biāo)信號放大處理, 并分別通過試驗驗證了該調(diào)理方案能提升信號的信噪比及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時, 該放大電路采用晶體管搭建, 避免了運算放大器級聯(lián)造成的噪聲放大, 簡化了選頻放大器的設(shè)計, 并提高了選頻放大器的性能, 節(jié)約了生產(chǎn)成本, 在實際運用中取得了良好效果。