磁致伸缩液位传感器检测信号影响因素分析及实验研究
作者：孙英；靳辉；郑奕；翁玲；王博文





     磁致伸缩液位传感器以其测量精度高、传输距离远、测量范围大、测量参数多、使用安全可靠、经久耐用等优点，被广泛应用于需要液位、位移、液体密度、温度、压力等多参数测量的工业领域，尤其应用于工况恶劣的场合。

1 磁致伸缩液位传感器工作原理磁致伸缩液位传感器是利用内部波导丝材料的磁致伸缩效应来实现液位测量，传感器头部的主控制器芯片可发射起始电流脉冲信号，该脉冲沿着波导丝传播，产生环绕波导丝的周向磁场，定位浮子中永磁铁可产生沿着波导丝方向的轴向磁场，当周向磁场和轴向磁场相遇时，两者磁场矢量叠加，形成螺旋型磁场，根据魏德曼效应，使波导丝产生扭转形变，从而激发机械扭转波，扭转波向波导丝两端传播，扭转波被固定在波导管上的检测装置接收转化为电脉冲信号，该脉冲信号经过放大整形后作为计数电路的终止信号。每当定位浮子移动时，新的位置就会被测量出来。

2 磁致伸缩液位传感器实验测试系统

       将直径0.5mm，长度1 m的磁致伸缩波导丝固定在内径6 mm，外径8 mm的铁氟龙塑料管内（对波导丝施加一定的拉力，使其保持垂直，无任何弯折），底端穿过橡胶棒紧固（以减少有效信号被塑料管壁吸收），再套入内径9 mm，外径14 mm，壁厚2.5 mm的 316 L不锈钢探杆内。实验中使用的电源为稳压电源和可调电源，稳压电源为后续的信号调理电路提供稳定的工作电压，可调电源用于控制激励脉冲的电压幅值。采用 TFG6920A 型信号发生器产生激励脉冲电流。检测线圈穿过波导丝，固定在探杆的首端，用于信号的拾取，信号显示采用DPO3014 型的四通道示波器，同时显示输入激励信号和输出扭转波感应电压信号。在室温条件下，进行实验。

3 检测信号影响因素分析

       根据磁致伸缩逆效应可知，当磁致伸缩材料受到外加的磁场作用发生形变时会导致其内部磁场发生变化，磁场强度与形变量的关系为H = 4παx其中 α 为磁致伸缩应力常数，x 为应变量，H为波导丝材料发生形变产生的磁场强度。等式两端对时间求导得到dH/dt=4πα dx/dt，根据电磁感应定律以及磁感应强度B和磁场强度H的关系，e=-Ndφ/dt=-NSdB/dt，B=μH，e=-4π αμNSdx/dt，感应电动势主要由线圈匝数N、线圈截面积S以及单位时间材料的扭转强度dx/dt，其中线圈匝数和截面积由检测线圈的结构决定，单位时间的材料的扭转强度主要受电流脉冲磁场的影响。为此，从以下两方面进行讨论。

3.1监测线圈结构影响因素分析

        监测线圈的物流参数和电参数相关，将检测线圈模型等效为二阶欠阻尼闭环电路系统，要快速得到系统的稳定状态就要减少暂态过程的响应时间，暂态过程的响应时间和系统的阻尼比、衰减系数有关，阻尼比和衰减系数越大，暂态响应衰减越快，系统越易趋于稳定，因此要适当增加阻尼比和衰减系数。系统的阻尼比和电参数相关，电参数特性主要由检测线圈的物理参数决定，比如线圈的线径、截面积、长度和匝数等因素。

       线圈的电阻会随着线径的增加而减小，线圈的电感随着线径的增加而增大。由式可知，阻尼比和衰减系数与线圈的电阻成正比，前者与线圈电感的平方根成反比，后者与线圈的电感成反比，线径增加会导致线圈的谐振频率降低，电容两端电压变化的周期时间增加，线圈的响应速度变慢，因此在线径的选择上，尽可能选择线径较细的漆包线来缠绕线圈，考虑到绕线的可行性，选择检测线圈的漆包线线径为0.06 mm左右为宜。

       由式可知，感应电动势和线圈截面积、线圈匝数成正比，线圈截面积越大，接收到的感应电动势幅度越大，但随着线圈截面积的增大，线圈的磁滞损耗也会随之增加，同时漏磁变大。设波导丝截面积为S1，线圈截面积为S2，γ=S1/ S2为线圈的填充系数，当γ≥1/4时，线圈的磁滞损耗会随线圈内气隙空间的增大呈现递减趋势，当S1/S2=1/4时，线圈的磁滞损耗达到最小，综合考虑以上因素，当线圈截面积为波导丝截面积的4 倍时为最佳。

       感应电动势和线圈匝数成正比，线圈匝数越多，感应电动势越大，但匝数增加会导致电感变大，使得系统的阻尼比和衰减系数降低，使得系统的暂态时间加长，同时会导致线圈带宽降低，使得接收到的部分频段信号丢失。通过实验观察不同线圈匝数下扭转波检测信号，分别使用 300、400、600800、1 000、1 500 匝数的线圈进行实验，线圈绕制时要求线与线之间尽可能紧密，减少漏磁的影响。

       感应电压的峰值随线圈匝数的增加呈增大的趋势，且在线圈匝数为1 000 匝以下时，电磁干扰较小，信号比较平滑稳定，当线圈匝数增加到1 000 匝之后，电磁干扰变得愈发明显，电磁干扰会导致感应信号的稳定性降低，使测量的不确定性增加。由实验可知，当线圈匝数为800 匝时，感应电压信号峰值最大，电磁干扰较小，且手工绕制可行，综合以上因素，选择线圈匝数800 匝为宜。

3.2 脉冲电流影响因素分析

       磁致伸缩材料的扭转程度主要受到周向磁场和轴向磁场的影响，其中轴向磁场由定位浮子中永磁铁提供，永磁铁为固定结构，因此这里主要研究周向磁场对磁致伸缩材料的扭转强度的影响。周向磁场是由通过波导丝上的脉冲电流产生的，脉冲电流主要受三个因素影响-幅值、频率、脉宽，下面对这三个因素进行研究。

       改变流过波导丝的电流脉冲幅值。实验测试得到，检测信号感应电压峰值与电流脉冲幅值的关系曲线，由曲线可知感应电压的峰值会随着电流脉冲幅值的增加而呈现增大的趋势，在5.7 A左右达到最大值，根据毕奥-萨伐尔定律，电流强度和磁场感应强度成正比，电流幅值增加，波导丝产生的周向磁场强度增加，使得磁致伸缩材料内部磁畴分布更加趋于电流磁场的方向，磁致伸缩效应更加明显，感应电压强度更大。当电流脉冲强度达到一定值时，磁致伸缩材料内部的磁畴转向不再发生偏转，磁致伸缩效应达到饱和，波导丝扭转强度达到最大值，使得感应电压幅值达到极值点，此时再增大电流强度，感应电压的幅值将不再变化。根据设计要求，选择磁致伸缩达到饱和状态时所对应的电流脉冲作为磁致伸缩液位传感器中波导丝的驱动脉冲电流为宜。改变加载到波导丝上的电流脉冲宽度（即脉宽），实验测试得到，脉宽对检测信号的影响关系变化曲线，可知，脉宽在1 μs~5 μs 的范围内，感应电压幅值随着电流脉宽的增加而增大，上升趋势较快，且保持很好的线性度，在脉宽达到5 μs 时达到最大值，之后随着电流脉冲宽度的增加呈下降趋势，且在脉宽为20 μs 时感应电压幅值趋于稳定。在脉冲宽度较小时，电流脉冲的能量较小，激发的周向磁场不足以使波导丝材料磁致伸缩效应达到饱和状态，因此感应电压将随着电流脉宽的增加而增大，当脉宽达到一定值时，波导丝中磁致伸缩效应达到饱和，感应电压不再增加，此时脉宽继续增大，磁场在波导丝中的作用范围将会变大，使得磁致伸缩材料单位面积上磁场作用强度减小，感应电压的幅度下降，检测信号的持续时间变长。所以，选择磁致伸缩液位传感器工作的脉冲电流脉宽为 5 μs 左右为宜。

       电流脉冲为可调频率的周期信号，通过调节脉冲电流频率可以控制电流作用于波导丝上的时间间隔。考虑到搭建的实验平台满量程为 1m，扭转波在空气中的传播速度为 2 750 m/s，满量程的传播时间为 363 μs，频率为 2 750 Hz，为了避免电流脉冲频率过高，两个测量周期出现重叠的现象，设定电流脉冲的频率在2 750 Hz 以下，通过实验，得到脉冲频率对感应电压强度的影响。

       感应电压幅值随着电流脉冲频率的增加基本保持稳定，且不会使得扭转波发生突变的现象，考虑到频率过低会使系统的等待时间增加，频率过高会使单片机的输出信号稳定性降低，经多次实验测试可知，选择电流脉冲频率为1 800 Hz为最佳。

3.3优化后的实验结果

       优化后，测试得到的检测信号可知优化后的扭转波信号稳定性高、强度大，电磁干扰很微弱，满足液位测量的要求。

4 结论

①通过建立检测线圈电路模型，对检测线圈的相关设计参数-线径、截面积、长度和匝数进行了分析，对检测线圈结构优化，提高了检测信号抗干扰的能力。

②对脉冲电流影响检测信号的三个主要因素幅值、脉宽、频率进行了分析，得到了检测信号随上述影响因素的变化曲线。提高检测信号的幅值，优化了检测信号的波形，提高了检测信号的稳定性。.






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