基于磁致伸缩原理的液位测量系统本科毕业设计论文.pdf

南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：教学点:专 业:题 目:基于磁致伸缩原理的液位测量系统 设计(硬件部分)毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名：日 期：使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日 期：南 京 理 工 大 学 毕 业 设 计（论 文）评 语 学生姓名：班级、学号：题 目：基于磁致伸缩原理的液位测量系统设计(硬件部分)综合成绩：指导者评语：指导者(签字)：2011 年 5 月 15 日 毕 业 设 计（论 文）评 语 评阅者评语：评阅者(签字)2011 年 5 月 18 日 答辩委员会（小组）评语：答辩委员会（小组）负责人(签字)：2011 年 5 月 21 日 毕 业 设 计 说 明 书（论 文）中 文 摘 要 本文对磁致伸缩材料及其位移传感器在油箱液位测量中的应用进行了研究，为磁致伸缩材料及其位移传感器在水利工程及其他液位测量应用中作准备。本文研究并设计了基于磁致伸缩传感器的液位测量系统的机械结构和电路结构，使其在各种环境下都能提供准确的数据。本文的主要研究工作包括:研究了传感器机械结构；对磁致伸缩材料性能进行分析；选取合适的传感材料，对传感器的测量尺、磁浮子、磁致伸缩换能器、电路面板进行了设计；研究了传感器测量电路。根据课题需要，设计了以单片机AT89C51 为核心的控制电路、脉冲发射电路、脉冲接收电路、计数电路、温度测量电路、数据显示电路。最后对系统可能出现的误差进行分析。关键词 磁致伸缩 液位 传感器 毕 业 设 计 说 明 书（论 文）外 文 摘 要 Title Magnetic level measurement system to the development(hardware design)Abstract Based on magnetostrictive material and its displacement sensor level measurement applications in the tank,which is magnetostrictive material and its displacement sensor in water conservancy engineering and other level measurement applications is studied in this paper and prepare was designed based on magnetostrictive sensor level measurement system of the mechanical structure and circuit structure.Make it in various circumstances can provide accurate data.This paper main research work include:the sensor mechanical structure.On magnetostrictive material performance analysis,select appropriate sensor materials,sensors measuring ruler,maglev son,magnetostrictive transducer,circuit panel design.Research the sensor measurement circuit.According to the subject,design the MCU needed for the core control circuit AT89C51,pulse launch circuit,pulse receiving circuit,counting circuit,temperature measurement circuit,data display circuit.And on the system,the paper analyses the error may occur Keywords magnetostrietion liquid level sensor 本科毕业设计说明书（论文）第I 页 共I 页 目 次 1 绪 论.1 1.1 液位测量的主要方法及发展综述.1 1.2 液位传感器国内外发展概况.2 1.3 磁致伸缩相关技术国内外研究应用现状.6 1.4 本文研究的目的及主要内容.9 2 磁致伸缩液位传感器的基本原理.12 2.1 磁致伸缩效应的产生机理.12 2.2 磁致伸缩液位传感器的测量机理.17 2.3 对测量精度的影响因素及解决措施.20 2.4 小结.22 3 磁致伸缩液位传感器的结构设计.23 3.1 磁致伸缩材料及选择要素.23 3.2 磁致伸缩传感器测量尺部分的设计.25 3.3 磁致伸缩换能器的设计.27 3.4 磁浮子结构的设计.29 3.5 电路板仓盒.30 3.6 小结.30 4 硬件电路设计.32 4.1 核心控制电路.32 4.2 脉冲计数.35 4.3 脉冲发射电路.37 4.4 回波接受电路.39 4.5 温度测量电路.40 4.6 数据显示电路.44 4.7 输出电路.45 4.8 小结.46 5 硬件调试.47 5.1 结果分析.47 5.2 小结.48 6 总结与展望.49 结 论.50 致 谢.51 参 考 文 献.52 1 绪 论 1.1 液位测量的主要方法及发展综述 能源、材料和信息并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一，而材料科学显得尤为重要。材料与人类生活息息相关，人类生活的进步、人类社会的发展都是以材料的发展为前提的.磁性材料是当代高新技术发展最重要的先导性和基础性材料之一，新型磁性材料的研究在国际上一直都十分活跃。进入 21 世纪，磁性材料无疑在我们的生产生活中起着越来越大的作用。从蓬勃发展的计算机产业所必须的记录材料到通讯器件；从磁悬浮高速列车到机器人;无处不见磁性材料的身影。在最近几十年中，磁致伸缩材料，铁磁性形状记忆合金以及具有各种奇特性能的高有序合金逐渐成为人们研究的热点。液位计应用场合极不相同，因而种类也繁多。目前主要包括压力式、差压式、浮子钢带式、电容式、阻抗式、电位差式、机械式等多种方法。生产过程中各类塔釜罐液位的检测目前仍是以压力和差压变送器为主。这除了其自身性价比还有一定的优势外，还有设计和应用的习惯问题。其次是磁浮子式、浮筒式、电容式液位计也有相当的应用量。随着技术发展，磁致伸缩式、超声波式和射频导纳式液位计的用量将会迅速增加，压力（差压）式液位计比例会有所下降。依据介质和现场条件的不同，各种液位计各展优势，将形成一个多元化的局面。罐区储罐由于其容积很大，要求液位计精度很高，过去大多用浮子钢带式液位计，伺服式和静压式也有一定应用量。然而无论是浮子钢带式、伺服式还是静压式液位计，都不是测量罐区储罐液位的最佳方式。浮子钢带式液位计安装复杂，可靠性也低；静压式液位计受介质密度和温度影响很大，为消除这些影响，一套完善的静压测量系统其价格也很高；伺服式液位计精度较高，但由于其有机械传动机构，不可避免带来磨损问题，同时价格也偏高。上个世纪九十年代以来，雷达液位计进入市场，由于其精度较高，可靠性也高，使用方便，因此在罐区中用量迅速增加，成为近十年罐区液位首选仪表。近几年磁致伸缩式液位计异军突起，由于其高精度、高稳定、高可靠及长寿命而更适于罐区储罐液位测量，应用量也必将迅速增加，逐渐会和雷达式液位计平分秋色。光纤液位计可以做到 现场无电检测，安全性好，这是其突出的优势，缺点是仍然有很多机械传动部件，故障率就会增加，安装也复杂些。超声波物位计精度略低些，但其安装简单价格适中，因此，也会在罐区中有一席之地。对于常压罐多采用单法兰液位变送器；对于带压罐常采用双法兰液位变送器来进行测量。这是最简单实用而且经济的方法，但此种方法需要计算液位迁移量，比较麻烦。对于球罐或大型储罐则不太适用，尤其不适用一些高温介质及搅拌介质、高黏度介质、有毒或腐蚀性介质的液位测量。对于一些测量范围比较大同时精度要求又较高的储罐测量，磁致伸缩液位计有非常大的优势。此种液位计可采用通讯方式、模拟、数字方式实现信号远传，可内置温度传感器同时测量介质温度，也可同时完成液位、界面的测量。对于非接触式液位测量可选用超声波或雷达液位计。超声波液位计应用要考虑到探头超声波的衰减及物料表面的反射特性，从而计算出探头的最大测量范围。12 总之，罐区液位选项遵循的原则是在罐体上的仪表开孔应尽量少。1.2 液位传感器国内外发展概况 液位的测量是生产过程中一个常见的环节，测量方法多种多样，主要有钢带浮子式、伺服型浮子式、浮球-浮筒式、静压式、电容式、超声波式、雷达式、光纤式、磁致伸缩式等等。钢带浮子式是二十世纪 30 年代，国外率先研制和使用的，至今早已淘汰，在国内有些场合还在使用。其原理是利用浮子受浮力的作用浮于液体的表面上来测量液位的，如图 1-1。这类传感器的主要缺点是机械摩擦影响计量精度，精度一般在3 到 6mm。随着对计量精度要求的不断提高，出现了伺服式液位传感器，如图 1-2。由于使用了伺服马达，消除了因机械摩擦而引起的误差，提高了灵敏度和重复性，其液位测量精度约在 lmm 左右。浮球-浮筒式也是利用浮力原理设计而成的，测量精度也较低，约在2 到 5mm。3 图 1-1 浮子式钢带液位传感器原理图 图 1-2 伺服液位传感器原理图 从上个世纪 70 年代起，美、日、德开始广泛使用静压式液位传感器。主要由压力传感器及多点温度传感器组成。利用压力传感器测量容器内液体的静压力，根据容器的几何参数，由计算机或其它相应的二次仪表计算出容积或液位。但它对密度、体积和液位的测量不准确。更无法在形状不规则容器、油水混合物以及密度分层的液体中使用。目前，技术较为成熟的压力传感器主要有三种:压阻式(扩散硅)、电容式和谐振式。456 电容式液位传感器是二十世纪末发展起来的一种新型传感器，如图 1-3，利用空气和液体作电容两极板间的电介质，用电子学方法测量电容值，从而探知液位高度。其优点是结构 图 1-3 电容液位传感器原理图 简单、价格便宜，可进行连续测量。缺点是要求液体具有相同的、稳定的介电常数，需要温度补偿。长期稳定性差，测量参数单一且测量精度较低。雷达式液位传感器如图 1-4，超声波液位传感器，光纤液位传感器等都是 20 世纪末出现的。其特点是，测量手段不是采用浮子之类 的固态物，而是声光、射线等的能量。传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故而适应范围广泛。可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合，例如高粘度、腐蚀性强、污染性强、易结晶之类的介质。不过，这些液位传感器成本昂贵以及适用范围的局限，都在一定程度上限制了其发展及应用。超声波液位计使用广泛，但其波速随温度、介质的化学成分的变化而变化。光纤液位计在尘雾环境下使用不太稳定，易造成传感镜片的污染。雷达液位计对这些限制不敏感，系统只需使用传感元件，对电子设备加以适当标定，就可对液位进行测量，得到良好的精确度。高精度雷达液位计的精度可达 0.01%F.S，但成本非常高。78 图 1-4 雷达超声波传感器 在我国，80 年代主要是使用钢带浮子液位传感器。80 年代初，大连第五仪表厂研制成功浮子钢带式液位计。具有精度较高，维护量小，现场指示清楚，价格便宜等特点得到了广泛应用。80 年代末至 90 年代初，航天总公司三院智控工程公司研制成功 UBG 一 l 型光导电子液位计，该仪表利用力平衡和光导原理进行液位自动测量，计量精度较高，其全量程的系统误差为2mm，与其它钢带式液位计一样，由湿度变化导致钢带长度和储罐高度的变化，仍将对液位测量带来一定的附加误差，需要进行数据处理和误差补偿。目前，我国很多地方也采用静压式来测量液位，如油罐、水库等液位测量系统中。9 磁致伸缩液位传感器是利用磁致伸缩效应以及磁致伸缩逆效应原理设计而成的。磁致伸缩液位传感器(本文中有时简称为磁致伸缩传感器)的技术早于 20世纪 70 年代被开发和应用，美国 MTS 公司拥有磁致伸缩传感器原来的设计专利权。而国内在 20 世纪 90 年代也开始自行研究和试制，目前市场上己经有少量的国内产品。10 表 1-1 磁致伸缩液位传感器与儿种常用液位传感器的比较 测量 方式 典型精度/%F.S 测量范围/M 油水界面 平均温度 标 定 使用寿命 可靠性 安装方式 价 格 磁致伸缩式 001 18 可测 可测 不需 长 高 一般 较高 浮球一浮筒式 1 10 可测 否 需 短 低 一般 低 伺服型浮子式 001 10 可测 否 需 短 高 复杂 高 浮子钢带式 1 20 可测 否 需 短 低 复杂 低 静压式 05 350 否 否 需 长 高 简单 较高 电容式 1 15 否 否 需 短 低 简单 低 超声波式 05 20 否 否 需 短 高 简单 较高 雷达式 005 30 否 否 不需 短 高 复杂 高 综上所述，基于磁致伸缩技术的液位传感器的优点表现在:（1）高精度：由于磁致伸缩液位计是通过测量发射脉冲和返回脉冲的时间差来确定被测位移量，因此测量精度极高。其非线性小于 0.05%FS，重复性小于0.001%FS,分辩率小于 0.002%FS。如此高的测量精度在当今液位测量中是独一无二的，而其他类型的传感器很难达到此精度。（2）多参数测量 磁致伸缩液位计的另一大特点是集测量液面、界面、温度等参数于一身。因为磁致伸缩液位计中的电子部件可以探测到由同一发射脉冲产生的连续磁波，所以在同一探测杆上可配装 2 个甚至多个磁浮子。只要保证浮子重量与介质比重相对应，则可同时测得液面和界面，真正实现多参数测量。若将多个温度传感器埋入磁致伸缩液位计的传感杆内，则在可测量液位的同时还能得到介质的多点温度及液面下的平均温度。（3）安全性高：磁致伸缩液位计的防爆等级一般有隔爆型和本安型 2 种，适合在各种易燃、易爆、高温、高压等危险场所使用。且用磁致伸缩液位计测量时无需人工开启罐盖，避免了人工测量带来的不安全隐患。（4）可靠性高，故障率低，寿命长：由于磁致伸缩液位计的整个变送器密封在不锈钢管内，其传感元件和被测介质非接触，所以虽然测量过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。因此，它具有工作可靠性高、故障低、寿命长的优点，适合各种恶劣环境。（5）安装维护简便：由于磁致伸缩液位计采用法兰连接方式，帮安装极其简便，而且无需安期维护或重新标定，给使用者带来极大的方便。（6）便于自动化管理：磁致伸缩液位计一般输出信号接口采用 420mA 的标准电流信号或 RS-485 数字信号接口，可直接接入 PLC、DCS 系统或其他计算机管理系统，便于微机对信号进行处理。1.3 磁致伸缩相关技术国内外研究应用现状 磁致伸缩材料是指当磁性体的磁化状态发生改变时，其自身长度和体积发生变化的一类磁性材料。其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。前者是由于结晶各向异性能和磁弹性能减少而产生的。在单晶中，线性磁致伸缩是各向异性的。后者是由于交换能的作用而产生的，是各向同性的。体积磁致伸缩较线磁致伸缩微弱得多，且用途少，因此通常所说的磁致伸缩都是指线磁致伸缩。本文所讨论的磁致伸缩也沿用这一说法。通常用磁场下伸长量与原长度之比来确定磁致伸缩的大小，定义为磁致伸缩系数。从广义上讲，所有的磁性材料，包括顺磁体，抗磁体，以及亚铁磁体都是磁致伸缩材料。其中顺磁体和抗磁体材料的磁致应变通常很小，例如 Pb 在 1T 下仅有 10-8 的磁致伸缩。最早观察到的磁致伸缩现象出现在永磁体的发声报道中，而第一次可重复的实验是 1842 年 Joule 对铁棒所测量观察到的纵向磁致伸缩现象。在这之后漫长的一个多世纪中，所得到的材料的磁致伸缩系数只有 10-6 至 10-5 量级，只有 Ni 和 Co 的多晶磁致伸缩材料被用于超声波器件(它的磁致伸缩仅为 40ppm(lppm=10-6)。1950 年后发现了被称为 Alfer 的 Fe-13%Al 合金，它可作为磁致伸缩材料来使用，其磁致伸缩值约为 100ppm。当 Legvoldl,Clarkt、和 Rhyne 等人致力于稀土材料的磁致伸缩效应的研究以来，磁致伸缩材料的研究取得了突飞猛进的发展。他们发现稀土金属 Tb 在 OK 的附近存在着 8300ppm 的巨大的磁致伸缩效应，后来又发现其他的重稀土元素也具有类似的性质。但由于稀土的居里温度很低，使得它们无法在室温附近使用。然而这些大的磁致伸缩材料的发现为磁致伸缩材料的应用开辟了广阔的前景。经过几十年人们对于稀土大磁致伸缩材料的探索和研究，到目前为止，人们获得室温的大磁致伸缩材料主要是立方 Laves 相(LP)稀土金属间化合物 RFe2，前三位排列是 TbFe2,SmFe2 和 DyFe2，相应的磁致伸缩系数大约分别为 1.7510-3、-1.56 10-3 和 0.43 10-3。以 (Tb,Dy)Fe2为 基 的 三 元 合 金TbxDy1-xFe2-y(0.27x0.3,0y0.5)在室温附近有最大的磁致伸缩与磁各向异 性之比，被称为 Terfenol-D，这类合金已经商品化，目前市场上所谓的稀土超磁致伸缩材料主要指的这一类合金。1.3.1 磁致伸缩液位传感器国内外研究应用现状 二十一世纪已经进入以知识经济为特征的信息时代。传感器技术、计算机技术与通信技术成为现代信息技术的三大支柱。与此相适应的新一代工业过程检测仪表将朝着数字化、智能化和微型化的方向发展。因此，人们正在利用新的测量原理以及超声波、激光、微波等声、光、电新技术，开发新的检测产品，扩大自动检测的新领域。磁致伸缩液位传感器就是近二十年来在国内外液位测量领域涌现出的新一代液位测量产品。磁致伸缩传感器，用非接触测量技术监控活动磁铁，由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器即使在恶劣的工业环境下，例如易受油渍、溶液、尘埃或其它的污染，也能正常工作，此外，还能承受高温、高压和高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以假使电源中断重接也不会对数据接收构成问题，更无须重新调整零位。该种传感器适用于多种不同的工业自动化环境，例如:机械控制和液体液位测量等等。由于传感元件都是非接触的，所以就算感测过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。此外，磁致伸缩传感器不仅可以测量液位还可以测量分界面。例如，在部分储油罐中，罐内除了储存有油外，还含有水或其它杂质。在一般情况下，水与油因密度不同而产生分层现象，并形成一个清晰的油水分界面，此油水分界面的位置即为界位，也是油量测量中的一个重要参数;液位与界位之差即为油层厚度;油体积与油的液位和界位值相关，当油罐为圆柱体形状时，油体积与油厚度呈线性对应关系。在油罐油量检测中采用双浮子结构，在测量液位的同时也测量出了油水分界面，这样便可以精确的计算出油量，这一独特的优点是其它液位传感器所不能比拟的。目前，加油站普遍采用双浮子结构来测量油量。许多场合下都要求传感器能经受油渍、灰尘、化学溶液、高温、高压等的考验，要能准确、稳定地传递所测量的物理量。而磁致伸缩液位传感器具有测童精度高、技术先进、测量范围大(最大可至 18m)、测量参数多(可输出位移、脉冲和速度信号)、工况适应性强，使用安全可靠、经久耐用等优点，因此广泛应用于石油、化工、制药、环保、水利、冶金、电力、饮食加工等各个领域中。如薄 钢板加工的钢板厚度控制;油库的油量测量;数控机床上的位移量控制;食品包装机的进料控制;江河大坝、桥梁的偏移量测量等等。正是由于磁致伸缩液位传感器存在上述诸多优点，在短短三十年的时间里得到了很广泛的发展和应用。在国外，磁致伸缩液位传感器以美国 MTS 公司和美国 Schaevitz 公司的产品为典型代表，早己经成功地将磁致伸缩技术批量地应用在了位移、液位测量领域。利用磁致伸缩效应制作的液位传感器，由于采用非接触式敏感元件，减少了机械磨损，故具有较高的可靠性。根据美国太空总署 NASA 的测定，磁致伸缩液位传感器的敏感组件之平均无故障时间(MTBF)为 23 年。同时，由于其安装方便、调试快捷、测量精度高、成本较低，比传统的机械、电容、压力、超声波或伺服装置等测量系统具有更高的应用和经济价值。美国 MTS 公司的 Temposonies 及L系列磁致伸缩液位传感器的输出分辨率读数标准为 5m，最高可以达 2m。能提供高达士 0.01%F.S 的测量精度。因此，新一代的 Temposonies 系列的精度及功能己几乎接近光学尺，而其承受强力冲击、振荡及污染环境的能力则比光学尺强上好几倍。而价格却是光学尺的几分之一，这些都是 MTS 公司的科研成果。磁致伸缩液位传感器在上个世纪 80 年代进入中国市场，其典型产品为美国MTS 公司和美国 Schaevitz 公司的产品，主要应用于进口生产线设备的配套。国内某些科研单位和生产企业早在 20世纪90年代初便积极开展对磁致伸缩液位传感器的研究和试制工作，但其规模都比较小，且其检测手段也都十分有限，多数产品现今还处于试用性阶段。90 年中期，广东康宇测控仪器仪表工程有限公司从美国 Schaevitz 公司引进全套技术和生产线，生产磁致伸缩液位/位移传感器，绝大多数产品返销美国市场，随着近几年国内市场需求量的迅速增长，该产品已经越来越多地应用到我国国民经济的各个领域，并远远超出了国外市场的需求量。特别是由于该产品充分利用了在国内制造的综合技术、生产优势以及劳动力优势等，使其产品售价仅相当于国外同类产品售价的一半左右，因此在国内市场中具有较强的市场竞争力。1.3.2 国内磁致伸缩液位传感器存在的问题 虽然国内某些科研单位和生产企业早在20世纪90年代初便积极开展对磁致 伸缩液位传感器的研究和试制工作，多数产品现今还处于试用性阶段。目前最大的问题是，国内的科研人员还没有完全搞清楚磁致伸缩液位传感器中扭转波的传输机理以及误差形成的原因，致使国内自行研制的传感器测量精度大都在2 到5mm 之间，我们在研究过程还发现有个别传感器某些位置误差竟然达到7mm。而 MTS 公司的测量精度能达到2 到 5m。测量精度差是国内传感器普遍存在的问题。在油罐油量测量系统中，如此大的误差是无法用来进行计量的。1 毫米的测量误差对于一个大型储油罐来讲是一个什么样的概念呢?我们以一个底面积为1000m2，高为 10m，容积为 10000m3的圆柱形大型储油罐为例，1 毫米的液位测量误差就相当于差了近 lm3的原油，以 2006 年 3 月初 93#汽油价格为 4.26 元 l升来计算，其币值相差 4260 元。而对于承担着贸易结算作用的贸易油罐来讲，是无法用它来做计量的。因此，国内这些传感器的测量精度在很多情况下远远不能满足实际测量的要求。因此，从测量原理入手，研制高精度、低成本、高可靠性的磁致伸缩液位传感器，不仅研究意义重大，而且市场应用前景广阔。1.4 本文研究的目的及主要内容 1.4.1 本文研究的目的 本课题来源于横向合作项目，利用了磁致伸缩的原理来测量位移量，这是一种非接触式测量位移的方法。当一个电激励在波导管中传播，当磁场使波导管发生变形时，激励将以波的形式沿波导管返回，可以通过测量这一回波的时间，从而测量磁场到波导管头的距离，利用这一方法也能测量相对位移量，并将所测量的距离，以 4 到 20mA 的电流输出，电流输出是以百分比的形式输出（最大量程输出 20mA，最小量程输出 4mA）。本课题是利用磁致伸缩的原理用于大型罐体中的液位，用于石油、化工等应用领域；也能用于机械加工行业。随着我国工业技术的发展和自动化程度与国际接轨，工业现场对位移传感器的要求越来高，对位移测量提出了新的要求，不但要求位移传感器兼有非接触、大量程、高分辨率、高精度、高可靠性及使用方便等性能，而且还应具有适应恶 劣工况（如粉尘污染、振动冲击）和特殊环境(如火力电站锅炉汽包液位、军用与高温高压水位等)的能力。而目前国内企业生产的磁致伸缩位移传感器的关键材料居里温度低（一般 Tc0.006ms，即发射脉冲的发射频率 f 应该小于 I/t=2000HZ，由于脉冲还要经过处理和计算，综合考虑，本 设计取发射脉冲频率为 100HZ，即每间隔 0.01s，通过单片机控制脉冲发射电路发射电流脉冲。发射脉冲的脉宽和电流强度发射电流脉冲的宽度 过大则会影响传感器的测量精度，过小则会增大波导丝的截止频率，影响传感器的正常工作。根据有关资料，脉宽 在 2 到 6S 为宜，在设计中去 3S，可以通过软件控制单片机端口高电平的时间来实现。根据磁致伸缩传感器测量机理，为了使波导丝产生较大的扭转变形，波导丝中的电流脉冲必须产生较强的垂直于波导丝轴向的环向磁场，因此脉冲发射电路要向波导丝加载足够强度的电流脉冲。波导丝上的电流强度一般在 0.5 到 3A 为宜，并且电流大小与测量范围无关，在本设计中取电流强度为2.0A。4.3.2 脉冲发射电路设计 脉冲发射电路设计的作用是将单片机发来的TTL 电平的窄脉冲进行放大，使其能产生足够强度的电流脉冲。脉冲发射电路如图4-3 所示。图 4-3 脉冲发射电路 电路中，脉冲发射电路与单片机之间接一个光电耦合器 TLP521-1，将二者进行隔离，防止单片机受到发射电路的干扰。光电耦合器中的发光二极管的驱动电流一般在 10 到 20MA，不能直接由单片机的 I/O 口来驱动，所以使用三极管 Q1来提高驱动能力，Q2、Q3 为开关管，Q4 为功率放大管，起功率放大作用。功率 放大管选用场效应管 IRF840，耐压值为 500V，可以承受 8A 电流，功率为 125W，栅源电压范围为 VGS=+-20V，漏极与源极之间的导通电阻为 R=0.85。工作时，当输入脉冲为低电平时候，对 Q1 管，U0be，Q1 管不导通，起到开关的作用，Q2 管也不导通，Q3 管导通，Q4 栅极为低电平，Q4 不工作，波导丝上没有电流；当输入脉冲为高电平时，对于 Q1 管，Ube0，Q1 管导通，Q2 管也导通，Q3 管不导通，此时 Q4 的栅极电压为高电平（栅极电压值可以通过变阻器R7 来调节），Q4 管工作，波导丝上加载了脉冲电流。4.4 回波接受电路 回波接受电路的作用是将磁致伸缩液位传感器的磁致伸缩换能器感应线圈上所产生的感应电动势脉冲信号进行放大和整形，输出 TTL 电平脉冲信号，以提供给单片机，作为计数器停止计数的信号。对回波接受电路的要求是放大倍数要大，噪声抑制能力要强。由于接受电路要安装在传感器的内部，所以电路在满足要求的前提下，要尽可能的简单，体积尽可能的要小，以节省空间。由于返回电脉冲的幅度很小，约为 2.5MV 左右，需要放大倍数较大。图 4-4 回波接受电路 回波接受电路如图 4-4。整个接受电路分为三部分：差分放大电路、比较整形电路和二级放大电路。第一部分差分放大电路使用了 AD 公司的低功耗、高精度仪表放大器 AD620，对来自磁致伸缩换能器的感应电动势信号进行放大。AD620对共模干扰具有较强的抑制能力，低电压，低漂移，体积小，可以应用于精密仪表采集系统；噪声低，偏置电流低，低功耗，非常适合做仪器仪表的前置放大级，电压即使在 2.3V 也能正常工作。AD620 只需一个外加电阻就可以设置放大倍数，在图中为电阻，AD620 的增益计算式为:G=(R1I+R2I)/R2+I （4-2）内部增益电阻 R1I和 R2I被精确的定义为 24.7K，使得放大器增益可以由外部电阻凡确定:G=49.4k/R2+I （4-3）AD620 的增益是通过改变电阻 R2来实现的，为了使 AD620 设计提供精确增益，应使用 0.1-1%误差的电阻，保持增益的高稳定性，避免高的增益漂移，外加电阻 R2应选用温度系数小的金属膜电阻或薄膜电阻。在本设计中，电阻 R2选用 100的变阻器，实验中调节 R2使输出达到要求值，量出变阻器的阻值，用相应阻值的金属膜电阻代替。第二部分为整形电路，主要由放大器 AD648 组成，用以消除不需要的杂波，得到有用信号。基准电压值应比经 AD620 放大的有用返回脉冲电压值稍低，由电阻和稳压管组成的电路提供，电容 Cl 为交流祸合电容。如磁致伸缩感应线圈的感应电动势为 2.5mV 左右，经 AD620 放大后，有效信号在 5V 以上，所以选择比较器的基准电压为 4.7V，滤除小于 4.7V 的杂波。第三部分电路由三级管 Q1 和 Q2 组成，光电祸合器经三级管 Q3 驱动，用以隔离放大电路和单片机。输出信号经反相器接到单片机的接收电路返回脉冲引脚P3.2，控制计数器停止计数。回波接收电路和单片机之间接光电祸合器 TLP521-1进行隔离。4.5 温度测量电路 磁致伸缩液位传感器采用浮子作为液位感应的元件，因此当燃油密度变化时，将给测量准确度带来影响。当燃油牌号一定时，主要是温度变化引起燃油密度变化，使浮子浸在燃油中的高度发生变化，给测量结果带来误差，必须加以修 正。本设计将温度传感器置于燃油中，对燃油的温度进行实时采集，将所得电压模拟量通过 A/D 转换器件转换为数字信号，送入单片机进行处理，对测量结果进行修正，确保测量结果的准确性。温度传感器选用 DS18B20，DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单,可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20 系统有如下特点单线接口，只有一根信号线与 CPU 连接；不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从 3.35V；传送串行数据，不需要外部元件；温度测量范围从55125，1085时测量精度为0.5；用户可自设定非易失性的报警上下限值；报警搜索命令可以识别哪片 DS18B20温度超限；通过编程可实现 912 位的数字值读数方单线输出,转换的位数可通过写配位寄存器(字节 4)设定。DS18B20 的内部结构 器件内部包括 64 位光刻 ROM，温度传感器和报警触发器等部分.温度传感器的检测转换结果以 16 位二进制数的形式存放在便笺式存储器中，其中字节 0 存放测温结果的低位（LS Byts）字节 1 存放测温结果的高位(MS Byts),第 11 位为符号位，温度为负时 S=1;温度为正时 S=0。64 位光刻 ROM 记录了器件的识别信息,主机通过发出匹配 ROM 命令后，可向其发出特定的操作指令。DS18B20 的测温范围为55125，温度转换结果以;912 位二进制方式 DS18B20 内部暂存寄存器的分布如表(1)所示，其中第 7 字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器 1 的计数剩余值，第 8 字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。首先用 DS18B20 提供的读暂存寄存器指令(BEH)，读出以 0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测 量结果中的最低有效位(LSB），得到所测实际温度整数部分 T 整数，然后再用 BEH指令读取计数器 1 的计数剩余值 M 剩余和每度计数值 M 每度，考虑到 DS18B20 测量温度的整数部分是以 0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度 T 可用下式计算得到：T 实际=(T 整数0.25)+(M 每度M 剩余)/M 每度。离远且抗干扰性好;与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆,而且系统得以简化,系统扩充维护十分方便。1820 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂,食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。22 斜率累加器预置计数器1低温度系数晶振温度寄存器预置=0计数器2=0高温度系数晶振比较加1停止 图 4-5 DS18B20 测温原理 DS18B20 测温原理 DS18B20 的测温原理如图 4-5 所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加1，计数器 1 的预置将重新被装入，计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1 的预置值。DS18B20 在正常使用时的测温分辨率为 0.5，如果要更高的精度，则在对 DS18B20 测温原理进行详细分析 的基础上，采取直接读取 DS18B20 内部暂存寄存器的方法，将 DS18B20 的测温分辨率提高到 0.10.01。DS18B20 的管脚排列如图 4-6 所示。其中,NC 为空引脚,不连接外部信号;为接电源引脚,电源供电 3.05.5V;GND 接地;DQ 为数据的输入和输出引脚。图 4-6 DS18B20 引脚分布图 表 4-5 DS18B20 内部寄存器分布图 暂存器内容 温度最低数字位 温度最高数字位 高温限值 低温限值 配置寄存器 保留 计数剩余值 每度计数值 CRC 校值 字节地址 0 1 2 3 4 5 6 7 8 DS18B20 内部暂存寄存器的分布如表 4-5 所示，其中第 7 字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器 1 的计数剩余值，第 8 字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。首先用 DS18B20 提供的读暂存寄存器指令(BEH)，读出以 0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(LSB），得到所测实际温度整数部分 T 整数，然后再用 BEH 指令读取计数器 1 的计数剩余值 M 剩余和每度计数值 M 每度，考虑到 DS18B20 测量温度的整数部分是以 0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度 T 可用下式计算得到：T 实际=(T 整数0.25)+(M 每度M 剩余)/M每度。离远且抗干扰性好;与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可以节省大量电缆,而且系统得以简化,系统扩充维护十分方便。23 DS18B20与单片机的连接有两种方法,一种是 VDD接外部电源,GND接地,DQ 与单片机的 I/O 线相连;另一种是用寄生电源供电,此时 VDD、GND 接地,DQ 接单片机 I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电,I/O 口线都要接 4.7k左右的上拉电阻