0引言

隨著現(xiàn)代通信技術、電子學以及計算機技術的高速發(fā)展，磁致伸縮材料的應用變得日益廣泛，非接觸式的測量消除了機械磨損的問題，保證了最佳的重復性和持久性,基于磁致伸縮材料研制的磁致伸縮位移傳感器也得到了廣泛的應用。磁致伸縮位移傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有測量精度高、使用壽命長、耐腐蝕、耐塵、耐壓、耐高溫、耐高振蕩等一系列特點，已在行程測量和位移測量中得到了愈來愈多的應用。信號檢測和濾波是磁致伸縮位移傳感器實現(xiàn)高精度測量的關鍵因素。濾波器作為現(xiàn)代電子電路設計中不可或缺的一部分，合理的濾波器設計不僅可以濾除信號中混人的雜波和噪聲，提高信號的信噪比，而且也使信號的放大效果得到改善，使接收到的回波信號更加易于分辨和檢測，可以大大提高傳感器的靈敏度、精確度以及測量距離。

1磁致伸縮位移傳感器原理

磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮特性材料的Wiedemann效應、Viuary效應及超聲效應，將位置信息轉換成最易測量的并且精度高的時間量，從而實現(xiàn)物體位置的高精度計量。其總體結構圖由圖1所示。

磁致伸縮位移傳感器的總體結構

磁致伸縮位移傳感器主要由3部分組成：探測桿、電路單元和位置磁鐵。電路單元負責產(chǎn)生激勵電流脈沖，電流脈沖沿著磁致伸縮線向下傳輸，并產(chǎn)生一個環(huán)形的磁場。

在探測桿外配有位置磁鐵，當位置磁鐵的磁場與激勵脈沖的磁場交疊時會產(chǎn)生應變脈沖，脈沖以一定的速度在波導絲上傳播，經(jīng)信號處理電路后可得到起始脈沖和停止脈沖，兩者之間的時間差即為激勵脈沖在波導絲上的傳播時間。信號在特定材料的波導絲中是以固定速度向兩端傳輸?shù)模瑥亩嬎愠鑫恢么盆F的實際位置。

2干擾與誤差來源

在測量時，波導管內(nèi)的電流脈沖和應變脈沖不可避免地對測量的輸出信號產(chǎn)生一定的干擾，強度可以達到滿量程的0.2%。再加上信號傳輸過程中由于設備硬件條件、周圍環(huán)境溫度等因素所產(chǎn)生的噪聲,以及由于剩磁現(xiàn)象的存在對信號所產(chǎn)生的影響，使得系統(tǒng)的信噪比降低，從而影響傳感器的精度，縮短測量距離，甚至還會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以，濾波器的合理設計顯得尤為重要。在濾波器的設計上要具體根據(jù)電路中傳輸信號的特點，考慮濾波器與信號接收電路之間的匹配性和有效性，從而實現(xiàn)信號最有效的濾波和放大。

觀察材料的磁滯現(xiàn)象是提高材料的磁特性的方法之一。經(jīng)過對純Ni波導絲材料磁滯現(xiàn)象的實驗測量，其結果如圖2所示。

純Ni波導絲的磁滯回線

當鐵磁質達到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁場H,介質的磁化強度M(或磁感應強度B)并不沿著起始磁化曲線減小，M(或B)的變化滯后于H的變化。在磁場中，鐵磁體的磁感應強度與磁場強度的關系可用曲線來表示，當磁化磁場作周期的變化時，鐵磁體中的磁感應強度與磁場強度的關系是一條閉合線，這條閉合線叫做磁滯回線[8],如圖2所示。正是由于這種特性，傳感器在測量時不可避免地會產(chǎn)生誤差。

3信號傳輸特點

由磁致伸縮位移傳感器構成的信號系統(tǒng)主要包括脈沖激發(fā)、信號檢測、信號濾波及放大、位移計算與輸出、數(shù)據(jù)通信等部分。

電路單元所產(chǎn)生周期電流脈沖的幅度為24V,脈寬為28μs,頻率為1.22kHz,其波形如圖3所示。

發(fā)射脈沖

不同的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能、磁導率等參數(shù)都有差異9。本次傳感器實驗中所使用的是純Ni的波導絲材料。

電路接收到的感應線圈的回波信號十分微弱，其幅度只有3mV左右，并且不利于觀察，所以，先采用運算放大器對其進行放大處理。圖4為電路單元接收到經(jīng)過OPA2354運算放大電路放大后的回波信號，此時信噪比為3.7dB。

回波信號

4濾波器的設計

4.1低通濾波器的設計

根據(jù)磁致伸縮位移傳感器激發(fā)出電流脈沖信號的頻率來設計濾波單元電路，經(jīng)過對回波信號頻率測量分析，回波信號的中心頻率為19kHz。

NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器集成電路，與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能。使用NE5532設計制作的二階巴特沃斯低通濾波器對回波信號的濾波效果如圖5所示。

二階巴特沃斯低通濾波效果

可以看到，回波信號噪聲在一定程度上得到了有效的抑制，信號更加清晰，并且易于辨認。但是，仍然有少許雜波存在，并且有些地方存在磁滯現(xiàn)象和剩磁現(xiàn)象，使波形并不平整，仍然存在優(yōu)化和改善的余地。

波導絲是由磁性材料制成的，磁性材料在磁場中會被磁化，繼而出現(xiàn)剩磁現(xiàn)象，即施于材料的磁場可引起材料極化強度改變或電場可引起材料磁化強度變化的現(xiàn)象。而磁致伸縮位移傳感器的活動位置磁鐵內(nèi)部是一塊永磁鐵，只要是位置磁鐵經(jīng)過的地方，波導絲就可能被磁化，磁化處就存在一磁場，但是這個磁場和位置磁鐵產(chǎn)生的磁場相比是很弱的。

實驗中，將環(huán)繞波導絲的位置磁鐵在波導絲上來回移動，并觀察波形出現(xiàn)的變化。由圖6所示，上面的回波信號為初始狀態(tài)并且沒有位置磁鐵時的回波波形；下面則是位置磁鐵滑過或者停留后的回波波形，可以看出：位置磁鐵在波導絲上移動或者停留后的位置存在一些幅度原先為0幅值的地方在位置磁鐵取下后幅值并沒有降回0值，成為一些較小幅值的干擾信號。

剩磁現(xiàn)象

4.2帶通濾波器的設計

MAX275是美國MAXIM公司生產(chǎn)的通用型有源濾波器。它內(nèi)含2個獨立的二階有源濾波電路，可分別同時進行低通和帶通濾波，也可通過級聯(lián)實現(xiàn)四階有源濾波，中心頻率/截止頻率可達300kHz。運用MAX275可實現(xiàn)Bu-tterworth,Besssel和Chebyshev三種特性的濾波電路。總諧波失真(THD)優(yōu)于典型的-86dB,電源可以由+5V單電源或±5V雙電源提供。

根據(jù)實驗實際檢測，電路單元所接收到的返回信號頻率為19kHz。

為獲得阻帶內(nèi)的最大衰減，提高Q值，采用四階濾波器設計，可通過將MAX275內(nèi)部的2個二階濾波器級聯(lián)實現(xiàn)，即B部分地輸入接A部分的輸出。電路圖如圖7所示。

應用MAX275設計的四階帶通濾波器

HBop為復極點對中心頻率X。處的增益，并有f。=X?/2P;Q為復極點對的品質因數(shù)，通常將它定義為帶通濾波器增益最大時的頻率fpk(不一定與f相等)與在傳輸特性曲線上比最大增益低3dB(或0.707倍)對應的上下2個頻率fn與無的比，即

顯然，帶通濾波器的中心頻率f值和放大倍數(shù)由外接電阻器R?,R?,R?,R?決定。當中心頻率f,Q值及增益確定后，即可獲得R?,R?,R?,R?值。其中，Rx,Ry為濾波器內(nèi)部的電阻，它們的值由引腳Fc的接法決定，fc接V+,Rx/Ry=4,fc接V-時，Rx/Ry=0.04,fc接GND時，Rx/Rγ=0.2,在保證品質因數(shù)Q值的精度的前提下，電路中采用的是fc接V+;Hop適用于帶通濾波時，頻率為f。時引腳BOP處增益。

電阻的計算可以按照以下式子確定

R?=2×10?/f,R?=R?-5kΩ,

R?=(2Q×10?×Rx)/(fo×Ry),

R?=R?/HoBP·

根據(jù)計算和實驗中實際調試，設計的帶通濾波器各電阻值為R?=6.5kΩ;R?=105kΩ;R?=34kΩ;R?=90kΩ。

濾波結果如圖8所示。

MAX275濾波放大效果

此時，信號的信噪比達到13.9dB。可以看出：回波信號經(jīng)過MAX275濾波放大后，使波形更加整潔，并且易于后期DSP采樣處理，有效地抑制了周圍環(huán)境因素和信號傳輸過程中產(chǎn)生的噪聲信號，在一定程度上減少了剩磁現(xiàn)象對波形的干擾，相比于巴特沃斯二階低通濾波器提高了系統(tǒng)的信噪比，從而也便于后期信號的采集和數(shù)字化處理。

5結束語

通過對磁致伸縮位移傳感器信號的檢測和分析，根據(jù)信號的頻率、噪聲來源等特點合理地設計濾波器。實驗中，使用了具有代表性的NE5532運算放大器設計制作了二階低通巴特沃斯濾波器，有效地抑制了噪聲信號，提高了信噪比，但是仍然存在較為明顯的剩磁現(xiàn)象，并且濾波效果還有進一步提高的余地；選擇MAX275通過級聯(lián)實現(xiàn)四階帶通濾波器作為電路的濾波單元，實驗結果表明：MAX275有效地抑制了回波信號中的噪聲和干擾，在一定程度上有效減弱了剩磁現(xiàn)象對回波信號產(chǎn)生的干擾，通過與普通低通濾波器的濾波效果相比較，體現(xiàn)出了MAX275在磁致伸縮位移傳感器回波信號濾波上的優(yōu)勢，實現(xiàn)了MAX275在純Ni波導絲材料的磁致伸縮位移傳感器電路信號濾波上的高效、低噪、減弱剩磁現(xiàn)象干擾等優(yōu)點。

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審核編輯 黃宇