基于磁致伸縮效應的明渠水位測定儀研究

康端剛，馬孝義,，趙 龍

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

灌區的農業灌溉用水量在整個用水行業中占據相當大的部分，而我國現在的灌區水利用效率整體較低，自動化的量水設施比較落后，為了實現高效節約用水，對灌區明渠水位的測量就顯得尤為重要。

目前灌區渠道水位測量主要采用自動式水位傳感器，具體包括浮子式、壓力式、超聲波、雷達式和激光式等水位傳感器。這幾種傳感器的使用條件、優缺點見表1所示。相比與上述幾種水位傳感器，本文設計的磁致伸縮水位傳感器具有測量精度高、應用范圍廣、適應能力好、抗干擾能力強、測量參數多、使用壽命長、安裝維護方便等優點，很適合灌區明渠水位的監測。

基于以上情況，本文設計了基于磁致伸縮效應的水位儀，以低功耗單片機MSP430F169為核心，對水位儀的激勵脈沖電路、回波信號處理電路、時間測量電路做了相關設計，最后輸出與水位成正比例的模擬電壓信號。

表1 灌區主要水位傳感器優缺點對比

1 磁致伸縮水位儀的測量原理

1.1 磁致伸縮效應

鐵磁體在外磁場中被磁化時，其長度和體積均發生變化的現象，稱為磁致伸縮或者磁致伸縮效應[2]；相反的，鐵磁體發生變形或受到應力的作用而引起材料的磁化狀態發生變化的現象，稱為磁致伸縮逆效應。

本水位儀的設計主要利用磁致伸縮效應中的維德曼效應[3]：使兩個不同的磁場相交，產生扭轉效應并激發扭轉波，再利用磁致伸縮逆效應接收該扭轉波產生的信號，計算出此信號被檢測到的時間，就可計算出水面的位置。

1.2 磁致伸縮水位儀原理

磁致伸縮水位傳感器的系統結構如圖1所示 。

圖1 傳感器系統結構圖

具體測量原理為：在磁致伸縮水位儀波導絲的一端施加一個激勵脈沖，脈沖沿波導絲向前傳播時，有一個環形磁場伴隨著激勵脈沖以光速向前傳播。當環形磁場遇到浮子中的永磁體產生的縱向磁場時，將會使波導絲發生扭轉并產生扭轉波。該扭轉波以恒定的速率沿著波導絲向兩端傳播，繼續向前傳播的扭轉波被波導絲一端的阻尼元件吸收，向回傳播的扭轉波會傳到接受帶材上。根據磁致伸縮逆效應，纏繞帶材的接受線圈中的磁通量會發生變化，從而接受線圈中會產生感應電動勢。通過調理電路濾波放大處理，將產生感應電動勢轉換為計時器可以識別的電脈沖，計數器通過計算發生激勵脈沖和接受脈沖之間的時間差t來計算浮子的位置，從而得到當前被測體的液位。

由于扭轉波在波導絲中的速度恒定，計算公式[4]為：

式中：G為剪切模量；ρ為質量密度，所以浮子與信號檢測裝置之間的距離為：

l=vt

由上式即可算出渠道水位。

2 硬件電路設計

2.1 脈沖激勵電路

加在波導絲上的激勵電流脈沖的頻率應滿足[5]：

式中：f為激勵脈沖頻率；L為磁致伸縮水位儀的有效量程；v為扭轉波的傳播速度，材料選定后，v為恒定值，約為3 000 m/s。

本文設計的有效量程為1 m，故取頻率為1.3 kHz。

電流的脈沖寬度τ在2～6 μs之間[5]，回波信號的幅值較大，因此本設計選τ為5 μs。激勵脈沖采用Ne555時基集成電路[6]產生，電路圖如2所示。

脈沖寬度和頻率可以通過調節R1和R2的值來改變。

τ=0.69R2C1

T=0.69 (R1+2R2)C1

圖2 Ne555脈沖發生電路

NE555產生的脈沖電流值很小，為了使波導絲產生較強的縱向磁場，和環周磁場共同作用來產生較大的扭轉波信號，必須將脈沖電流放大，根據資料得，脈沖電流幅值在0.5～3 A之間比較理想[7]。本設計中采用場效應功率MOSFET器件IRF840，由三極管8050構成一級放大器，驅動IRF840產生大電流，本設計電流為1.3 A，符合要求，IRF840的驅動電路如圖3所示。

圖3 脈沖放大電路

2.2 回波信號處理電路

實驗測得回波信號的中心頻率約為190 kHz，且產生的信號很微弱，幅值為6 mV左右，并且伴隨著很多噪聲與干擾信號，不能直接將此信號送入計時電處理，必須將回波信號進行放大濾波整形。本設計先將接收的回波信號經過簡單的無源濾波器處理，再用放大器和有源濾波器處理，最后經過電壓比較器，將信號整形輸出。

2.2.1 一級放大

由于回波信號十分微弱，所以要求放大器的增益要大，且具有良好的放大特性[8]。本設計選用儀表運算放大器AD8420，優化后的放大信號電路如圖4所示 。

AD8420的傳遞函數為：

Vout=G(Vin+-Vin-)+Vref

其中：G為放大器的增益，G只與R1和R2阻值相關：

為了獲得高的增益和減小電路板的面積，設計中只采用一級放大，其中R2阻值為900 kΩ， 阻值為1 kΩ，算得增益G為901。經過此電路放大后的信號幅值約為5 V。

2.2.2 帶通濾波器設計

經過簡單濾波器和放大處理后的回波信號，還存在著很大的噪聲和干擾成分[9]，在進行計時之前，必須使用濾波器去除雜波信號。所以本設計采用有源濾波器。

本設計采用集成有源濾波器LTC1562-2，設計回波信號的濾波器。LTC1562-2包含4個二階濾波器，最高可以構成一個八階濾波器，在單電源供電時信噪比可達93dB。本設計將LTC1562-2的4個二階濾波器串聯，構成一個八階巴特沃斯帶通濾波器，這樣使得在阻帶內的波衰減的更快，使輸出的波形更有效。電路設計圖如圖5所示。

圖5 LTC1562-2組成的八階巴特沃斯濾波器

回波信號的中心頻率為190 kHz左右，根據LTC1562-2的資料，此時帶通濾波器的輸入阻抗應選擇電容作為輸入阻抗，每個濾波器的輸出信號從V2端輸出。每個二階濾波器的中心頻率和品質因數都可以通過以下公式編程得到：

由以上公式計算得，當f0=190 kHz時，R2=10.5 kΩ，取品質因數Q=2.5，得RQ=22.9 kΩ。根據算出的理想電阻值，選定每個二階濾波器的R2和RQ的實際值。

經過濾波后的信號波形沒有波紋浮動，為以后數字處理提供了基礎。

2.2.3 比較整形電路

為了便于后面單片機接收處理回波信號，需將該信號處理成方波信號[11]，才能利用單片機的外部中斷來檢測該信號的輸入與否。本設計采用摩托羅拉的電壓比較器LM397，檢測回波信號的第一個上升沿，將有效的信號轉變為可被數字電路識別的信號。LM397比較器具有響應時間短的特點，經過LM397后輸出信號為OUT3，接入單片機I/O口。

2.3 時間測量數模轉換電路

根據磁致伸縮水位儀測量原理可知，只要測出激勵脈沖發射的時間T1和檢測到回波信號的時間T2，算出兩者時間間隔T，即可得到活動浮子到信號發生部位的距離[8]。脈沖信號和回波信號接收示意圖如圖6所示。

圖6 激勵脈沖與回波信號接收示意圖

本設計時間間隔的測量采用MSP430F169單片機測量。水位儀的精度和時間測量頻率成正比關系，選擇的時間測量頻率高，水位儀的精度相應的就高。MSP430F169的定時器有三種時鐘源可以選擇[8]，本設計選擇外部8 MHz時鐘源作為計數脈沖頻率，脈沖周期為0.125 μs，選擇MSP430F169的定時器A作為計數器，計數器A是16位計數器，最大計值為65535，如果計滿，最大可以測得有效量程為24.57 m，完全滿足本設計要求。由于本設計選用的Fe-Ni波導絲扭轉波的傳播速度為3 000 m/s左右，故可得測量的精度為300 μm，對于灌區明渠水位的測量來說，精度完全可以滿足。

為使水位計可以方便地輸出正比與量程的0～5 V電壓信號，本設計利用MSP430F169內部的數模轉換模塊DAC12，將其通過內部寄存器配置為12位DAC，即分辨率為0.024%，通過單片機內部編程輸出模擬電壓信號。產生的脈沖信號pluse由單片機P2.1引腳輸入，計數器開始計數，回波信號由P2.2引腳輸入，當檢測到回波信號上升沿時，停止計數。單片機編程算得相應距離后轉換成對應電壓信號由DAC0OUT引腳輸出MoNi信號。具體電路圖7所示。

圖7 MSP430F169電路圖

3 傳感器性能測試

為了測試本文設計的灌區明渠水位傳感器的線性度，將傳感器固定在渠道的中央位置，傳感器的零點位置與渠道水位零點平齊，該傳感器的有效量程為1 m，實驗水位從0 m開始，每隔10 cm記錄一次傳感器的輸出電壓值，由測得的數據繪制線性度曲線如圖8。

圖8 線性度圖

由公式下面公式計算傳感器的線性度[13]：

式中：(ΔyL)max為測量中的最大誤差；yFs為滿量程輸出水位值。

從圖8中可以明顯地看出該傳感器測得的水位和實驗中人工測得的水位擬合度較好，線性度較高。

4 結 論

本文以MSP430F169 單片機為控制中心，應用磁致伸縮效應，設計了高精度的適合灌區明渠水位測量的儀器，本設計對儀器的各個電路進行了優化，特別根據灌區明渠水位的測量，對該水位儀頭部的激勵脈沖產生與放大電路、檢測到的回波放大處理電路、回波信號噪聲與干擾信號的濾波電路、時間計時與數模轉等電路做了合理的優化設計。根據水位計所需要的量程，設計了適合量程的脈沖頻率和脈沖寬度，選用儀表放大器和集成可編程有源數字濾波芯片處理微弱、包含噪聲的有用信號，考慮到灌區明渠水位的測量達到300um就已經遠遠達到了測量要求的情況，選用TI公司的MSP430F169單片機完成時間間隔的測量和數模轉換，這樣降低了儀器的成本，大大減小了儀器頭部位置的體積。經在實驗室條件下測試表明，本文所設計的基于磁致伸縮效應的明渠水位測定儀在性能和精度上都滿足了灌區明渠水位測量的要求，在應用范圍和技術研究方面都有著廣闊的前景，為灌區用水精量化、自動化提供了基礎。

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