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(guò)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(guò)Multisim進(jìn)行模擬仿真檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路是否滿(mǎn)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

　　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(chē)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(guó)國(guó)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(kù)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(guò)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(lèi)齊備，有函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、多通道示波器、直流電源、萬(wàn)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(guò)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(guò)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(guò)處理器產(chǎn)生連續(xù)的檢測(cè)脈沖，檢測(cè)脈沖通過(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(guò)可變電阻R1、R2以及電容C來(lái)控制檢測(cè)脈沖的頻率以及占空比。通過(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guò)兩級(jí)濾波和放大電路對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行過(guò)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(xiàn)圈接收波導(dǎo)絲上傳來(lái)的扭轉(zhuǎn)波，并將其轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)。感應(yīng)線(xiàn)圈遵循法拉第電磁感應(yīng)定律將波導(dǎo)絲上傳來(lái)的感應(yīng)波轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)。通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)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(lái)完成對(duì)感應(yīng)波的模擬，其電路如圖2。RC電路初步過(guò)濾后，通過(guò)兩級(jí)濾波、放大電路對(duì)接收到的波形過(guò)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。

　　推薦閱讀：軟件工程計(jì)算機(jī)工程師職稱(chēng)論文投稿