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磁致伸縮液位傳感器雙檢測線圈溫度補償與噪聲抑制

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-09-17 13:51

  

       磁致伸縮液位傳感器是一種非接觸式絕對位置測量的傳感器,可以應用于許多惡劣的工業環境中。近年來,國內外學者主要在材料測試、信號分析、結構設計和系統模型等方面對于磁致伸縮液位傳感器進行研究,旨在提高測量精度,改善傳感器性能。對于噪聲信號和溫度影響的研究是提高測量精度不可或缺的部分。
       當脈沖電流激勵沿波導絲經過檢測線圈位置時,線圈中會產生很大的感應電壓,形成脈沖電流噪聲。此噪聲信號幅值波動大,降低了輸出信號的信噪比,極易引起計時器誤動作,干擾了電路的正常工作。因此,需要抑制脈沖電流噪聲,提高信噪比。為此,有學者在降低噪聲方面進行了研究。
       磁致伸縮液位傳感器的扭轉波傳播速度受溫度的影響。當環境溫度變化時,傳感器測量誤差會因為扭轉波速度的改變而增大。為了減小溫度對測量結果的影響,國內外學者對于溫度補償的方法進行了許多研究。
       通過總結了溫度對晶振頻率、回波速度和液體密度的影響,提出了一種雙輔助磁性浮子法來進行溫度補償,但減小了有效測量量程;遼寧工程技術大學的毛君等人提出通過基于最小二乘法的多次擬合方法對其進行溫度補償。確定了四次擬合曲線為最佳擬合曲線,測量精度有明顯提高。但曲線擬合需要進行大量實驗工作,工作量大。
       在對傳感器輸出信號的研究過程中,在抑制噪聲的同時往往會存在抑制能力不足或干擾有效信號等問題。對于溫度的補償研究也應避免干擾輸出信號、減小有效量程或增加工作量等問題。為此需要繼續對傳感器的結構優化進行研究。為了進一步達到溫度補償和噪聲抑制的目的,本文設計了一種反向串聯的雙檢測線圈結構。將兩個線圈反向串聯,可抑制脈沖電流噪聲,提高信噪比,同時也可以校正扭轉波傳播速度,補償溫度對測量結果的影響。
1、溫度與噪聲對單線圈傳感器影響
1.1單檢測線圈傳感器工作原理
       脈沖電流經過浮子位置時,電流產生的激勵磁場與浮子產生的偏置磁場疊加形成螺旋磁場。根據磁致伸縮效應,波導絲在螺旋磁場的作用下發生扭轉變形,扭轉波沿波導絲向兩端傳播。當扭轉波傳播到檢測線圈位置處時,檢測線圈感應到波導絲扭轉形變引起的磁場變化(磁致伸縮逆效應)產生感應電壓。信號處理電路根據扭轉波傳播時間與傳播速度計算得到浮子位置,即液位高度。
1.2溫度對測量結果的影響
       當溫度變化時,在進行液位高度計算就會產生較大的誤差。若想達到高精度測量,需要進行溫度補償,得到更精確的扭轉波傳播速度。
1.3噪聲對輸出信號的影響
       經過實驗測試,可以得到單檢測線圈的液位傳感器輸出電壓實驗波形可以看出,輸出的扭轉波信號主要受到脈沖電流噪聲、反射波噪聲、剩磁與環境噪聲等信號的影響。其中,扭轉波信號下半部分為傳感器有效信號,其幅值在120mV右。脈沖電流噪聲下半部分幅值在1500mV左右。
傳感器輸出信號中,噪聲信號明顯大于扭轉波信號。也就是說,脈沖電流噪聲為輸出電壓信號的主要部分。脈沖電流噪聲幅值波動較大,會降低輸出信號的信噪比,不利于信號處理電路的正常工作。但是,傳統的電路濾波并不能消除在輸出信號中占主要部分的脈沖電流噪聲。因此,消除脈沖電流噪聲需要對傳感器結構進行調整。
       可見,單檢測線圈結構的液位傳感器存在測量結果受溫度影響和脈沖電流噪聲較大等問題,需要對溫度進行補償和抑制脈沖電流噪聲。為此,針對單檢測線圈液位傳感器存在的問題,本文采用了一種將兩個檢測線圈反向串聯的雙檢測線圈結構。
磁致伸縮液位傳感器
2、雙檢測線圈結構設計
       在單線圈液位傳感器的基礎上,在傳感器右端增加了一個2號檢測線圈。檢測線圈1和2進行反向串聯,其輸出信號送往信號處理電路。傳感器左端為首端,即容器頂部;傳感器右端為末端,即容器底部。
2.1消除溫度的影響
       在一定溫度下,扭轉波傳播速度v 保持不變。無論浮子在什么位置,t1和t2之和為一個定值。當波導絲長度1確定時,能夠快速求解出此時扭轉波的傳播速度v。液位高度L的求解中消除了速度項v,不需要在后續計算中對扭轉波速度做溫度補償,避免了溫度對測量結
果的影響。
       液位高度L 與波導絲長度l 的比值等于扭轉波傳播到2號檢測線圈的時間t2與扭轉波傳播總時間t1+t2的比值。也就是說,當浮子位置保持不變時,時間t2與總時間t1+t2的比值不會受溫度影響,其比值保持不變。
2.2降低脈沖電流噪聲
       1、2號檢測線圈分別輸出的脈沖電流噪聲波形可以看出,由于電流在波導絲中的傳播速度非???,當電流經過兩個檢測線圈位置時,可以看作在兩個線圈中同時產生感應電壓。如果1、2號檢測線圈結構完全相同,在1、2號檢測線圈中產生的脈沖電流噪聲也相同。將兩個線圈反向串聯,可將脈沖電流噪聲信號抵消。
       但是,由于人工制作,線圈參數差異較大,兩個檢測線圈形成的感應電壓波形在波動頻率與幅值方面都存在較大差距,這將導致噪聲信號無法完全抵消。為了消除脈沖電流噪聲,需要采用兩個規格相同的線圈,以使兩個檢測線圈輸出的脈沖電流噪聲電壓波形更為接近。
3、實驗結果與分析
       為了驗證雙檢測線圈結構的可行性,本文采用課題組搭建的磁致伸縮液位傳感器實驗測試平臺進行了一系列實驗驗證。本次實驗中采用直徑0.5mm、長度600mm的Fe+Ga磁致伸縮材料作為波導絲,TFG6920A型信號發生器作為脈沖電源輸出,DP03014型四通道示波器作為檢測信號的采集顯示裝置。
3.1雙檢測線圈測量結果分析
       上述分析表明,雙檢測線圈結構可以補償溫度的影響,矯正扭轉波的傳播速度。在波導絲長度已知的前提下,扭轉波傳播速度可根據t1和t2之和求解。在100℃、50℃、20 ℃條件下,t1、t2隨浮子位置的變化情況。由實驗數據表明,在溫度恒定的情況下,t1、t2時間之和基本保持不變,與浮子位置無關。當浮子位置不變時,時間t2的比值基本保持與t1+t2不變,不受溫度的影響。時間t2與t1+t2的比值不變,則浮子位置的計算值保持不變。在100℃、50℃、20 ℃時,t1、t2時間之和分別為228.01s、226002s和223.90s。
       計算得到扭轉波在 100℃、50℃、20 ℃時 的 傳 播 速 度 分 別 為 2631.46m/s、2654.63m/s和2679.77m/s。這個計算結果與得到的結論相符合,即扭轉波速度隨著溫度的升高而降低。根據實驗數據分析可得,雙檢測線圈能夠快速計算扭轉波傳播速度。與單檢測線圈結構相比,雙檢測線圈結構能夠補償溫度,避免溫度對測量結果的影響。
3.2單、雙檢測線圈輸出波形對比
       理論上,當兩個檢測線圈具有相同電特性參數時會使脈沖電流噪聲降到最低。為此,對多個線圈進行參數值測量,選取參數最為接近的兩個檢測線圈進行實驗。分析兩檢測線圈的相關電參數值、雙檢測線圈結構輸出的電壓波形可知,單檢測線圈結構脈沖電流引起的噪聲信號峰峰值為2700mV,扭轉波信號為120mV。雙檢測線圈脈沖電流噪聲峰峰值降低為100mV,扭轉波信號幅值依然為120mV。脈沖電流噪聲降低到單檢測線圈結構的1/27。
       可見,雙檢測線圈結構有效減小了脈沖電流噪聲信號幅值,提高了輸出信號的信噪比。
3.3單、雙檢測線圈測量誤差對比
      在20 ℃條件下,對浮子在不同位置處輸出情況進行了多次實驗,并對采集到的相關實驗數據做平均值處理。實驗前應用于計算的20 ℃時扭轉波傳播速度為2679.00m/s。單線圈結構傳感器浮子在不同位置處輸出情況和相應的液位高度計算值。利用雙線圈結構實驗數據計算雙線圈結構測量誤差,比較單、雙線圈輸出誤差情況??芍?,單線圈結構最大測量誤差為0.18mm,雙線圈結構最大測量誤差為0.02mm。雙 檢測線圈結構測量誤差明顯降低。
4、結 論
       通過推導扭轉波速度與溫度的數學模型,得到了扭轉波速度隨溫度的變化趨勢;通過分析傳感器的輸出電壓波形,得到輸出波形中脈沖電流噪聲占主要部分。針對單檢測線圈磁致伸縮液位傳感器存在的問題,在其基礎上設計了一種雙檢測線圈結構。
為驗證雙線圈傳感器的可行性,進行了實驗測試。實驗結果表明,采用雙檢測線圈結構可快速計算扭轉波傳播速度,補償了溫度對測量誤差的影 響。 同 時,脈 沖 電 流 噪 聲 信 號 由 原 來 的2700mV降低至100mV,噪聲信號降低到了原來的1/27;扭轉波信號幅值保持在120mV 不變;最大測量誤差由0.18mm 降低至0.02mm。
綜上所述,磁致伸縮液位傳感器雙檢測線圈結構存在以下優點:
(1)雙檢測線圈結構傳感器實現了對于扭轉波速度的快速計算,補償了溫度的影響。
(2)雙檢測線圈結構有效減小了脈沖電流噪聲干擾,提高了信噪比。
(3)雙檢測線圈結構有效減小了測量誤差,提高了測量精度。


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