新型磁致伸缩液位仪的检测原理与实现

　　一. 引言

　　磁致伸缩液位传感器是利用享有“黑色黄金”美誉的稀土超磁材料的维德曼(Wiedemann)效应、维拉里(Viuary)效应及超声效应,将液位信息转换成最易高精度测量的时间量, 来实现对液位、界位的超高精度计量[ 1 ], 其测量分辨率可以达到甚至优于 0 . 1 m m 。另外因为磁致伸缩液位传感器几乎没有可动的机械部件, 故具有可靠性高、安装维护方便、适用范围广等特点, 是当前最理想的接触型大罐液位测量装置之一[2]。

　　二.磁致伸缩液位仪工作原理

　　磁致伸缩液位传感器由传感器头、波导管、磁致伸缩波导丝以及内含磁铁的浮子组成，如图 1 所示[ 3 ]。传感器主要利用磁致伸缩效应进行工作，如图 2 所示。原理示意图中的两个磁场一个来自传感器外面的活动磁铁, 另一个则源自传感器内波导丝中的电流脉冲。电流脉冲 由 传 感 器 的 驱 动 电 子 单 元 产 生的, 使磁致伸缩丝周围产生一个磁场。这个磁场与活动的磁性元件磁场矢量相加形成一个螺旋形磁场,导致波导丝产生扭曲形变, 从而激发扭转波, 产生的扭转波将以一恒定的速度沿波导管向两侧传播, 传到末端时, 其能量将被衰减阻尼装置吸收, 而返回的扭转波遇到传感检测单元, 就会在线圈两端产生感应电流脉冲即检测脉冲, 从产生电流脉冲的一刻到检测脉冲有效所需的时间乘以固定声速, 便能准确地算出磁铁的位置。这个过程连续不断并且响应时间很短, 所以每当活动磁铁被移动时, 新的位置随之被感测出来。由于电子单元可探测到由同一询问脉冲所产生的连续返回脉冲, 所以可以在同一传感器上配多个活动磁浮子, 同时进行液位、界位多参数测量。

　　磁致伸缩扭转波位移传感器的位置计算较简单, 将所测量的时间差乘以磁致伸缩丝上扭转波的传播速度。由于磁致伸缩材料采用圆形截面丝,根据 Pochhammer 的三维弹性理论, 扭转波在圆截面杆中的传播形式是关于圆柱中心轴对称的,其扭转波速为：

　　式中: G 为磁致伸缩波导丝的弹性模量; 为磁致伸缩波导丝的密度 。

　　通过公式( 1 ) 可以看出, 超声扭转波的传播速度为一常数, 因此只需通过测量从发射电脉冲到检测到感应脉冲的时间差, 就可以算出液面的位置。图 3 为利用 N I 的数据采集系统采集的磁致伸缩液位仪激励信号及检测单元输出信号经差动放大后的波形图。

三.硬件结构设计

　　新 型 磁 致 伸 缩 液 位 仪 以C 8 0 5 1 F 0 0 5 为核心，利用变增益运算放大器 A D 6 0 3 对信号进行变增益放大，保证信号检测幅度恒定。激励脉冲到检测感应脉冲的时间差利用 F P G A 的高频计数实现，类似于频率检测的测周法。硬件检测原理示意图如图 4 所示。