磁致伸縮位移傳感器回波信號濾波器設(shè)計*

馮希辰，周新志，余 超

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都 610065）

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、電子學(xué)以及計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，磁致伸縮材料的應(yīng)用變得日益廣泛，非接觸式的測量消除了機(jī)械磨損的問題，保證了最佳的重復(fù)性和持久性［1］，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(yīng)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(yīng)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(guān)鍵因素［2］。濾波器作為現(xiàn)代電子電路設(shè)計中不可或缺的一部分，合理的濾波器設(shè)計不僅可以濾除信號中混入的雜波和噪聲，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(yīng)、Viuary效應(yīng)及超聲效應(yīng)，將位置信息轉(zhuǎn)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［3］。其總體結(jié)構(gòu)圖由圖1所示。

圖1 磁致伸縮位移傳感器的總體結(jié)構(gòu)Fig 1 Overall structure of magnetostrictive displacement sensor

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(fù)責(zé)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(dāng)位置磁鐵的磁場與激勵脈沖的磁場交疊時會產(chǎn)生應(yīng)變脈沖，脈沖以一定的速度在波導(dǎo)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(dǎo)絲上的傳播時間［4］。信號在特定材料的波導(dǎo)絲中是以固定速度向兩端傳輸?shù)?，從而計算出位置磁鐵的實際位置。

2 干擾與誤差來源

在測量時，波導(dǎo)管內(nèi)的電流脈沖和應(yīng)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(qiáng)度可以達(dá)到滿量程的0．2%［5］。再加上信號傳輸過程中由于設(shè)備硬件條件、周圍環(huán)境溫度等因素所產(chǎn)生的噪聲［6，7］，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(shè)計顯得尤為重要。在濾波器的設(shè)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(dǎo)絲材料磁滯現(xiàn)象的實驗測量，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 純Ni波導(dǎo)絲的磁滯回線Fig 2 Hysteresis loop of pure Ni waveguide wire

當(dāng)鐵磁質(zhì)達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁場H，介質(zhì)的磁化強(qiáng)度M（或磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的關(guān)系可用曲線來表示，當(dāng)磁化磁場作周期的變化時，鐵磁體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的關(guān)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(gòu)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24 V，脈寬為28 μs，頻率為 1．22 kHz，其波形如圖 3 所示。

不同的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能、磁導(dǎo)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(dǎo)絲材料。

圖3 發(fā)射脈沖Fig 3 Transmitting pulse

電路接收到的感應(yīng)線圈的回波信號十分微弱，其幅度只有3 mV左右，并且不利于觀察，所以，先采用運(yùn)算放大器對其進(jìn)行放大處理。圖4為電路單元接收到經(jīng)過OPA2354運(yùn)算放大電路放大后的回波信號，此時信噪比為3．7 dB。

圖4 回波信號Fig 4 Echo signal

4 濾波器的設(shè)計

4．1 低通濾波器的設(shè)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(shè)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19 kHz。

NE5532是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器集成電路，與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能。使用NE5532設(shè)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。

圖5 二階巴特沃斯低通濾波效果Fig 5 Effect of two order Butterworth low-pass filtering

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(rèn)。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(dǎo)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(qiáng)度改變或電場可引起材料磁化強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)絲的位置磁鐵在波導(dǎo)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(dǎo)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。

圖6 剩磁現(xiàn)象Fig 6 Remanent magnetism phenomenon

4．2 帶通濾波器的設(shè)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(dú)立的二階有源濾波電路，可分別同時進(jìn)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(dá)300 kHz［10］。運(yùn)用MAX275可實現(xiàn) Butterworth，Besssel和Chebyshev三種特性的濾波電路。總諧波失真（THD）優(yōu)于典型的－86 dB，電源可以由+5 V單電源或±5 V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19 kHz。

為獲得阻帶內(nèi)的最大衰減，提高Q值，采用四階濾波器設(shè)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。

圖7 應(yīng)用MAX275設(shè)計的四階帶通濾波器Fig 7 Four order band pass filter designed by MAX275

各電阻參數(shù)計算［11］:

HBOP為復(fù)極點對中心頻率X0處的增益，并有f0=X0/2P;Q為復(fù)極點對的品質(zhì)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f0相等）與在傳輸特性曲線上比最大增益低3 dB（或0．707倍）對應(yīng)的上下2個頻率fH與fL的比，即

顯然，帶通濾波器的中心頻率f0值和放大倍數(shù)由外接電阻器R1，R2，R3，R4決定。當(dāng)中心頻率f0，Q值及增益確定后，即可獲得R1，R2，R3，R4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/RY=0．2，在保證品質(zhì)因數(shù)Q值的精度的前提下，電路中采用的是fC接V+;HBOP適用于帶通濾波時，頻率為f0時引腳BOP處增益。

電阻的計算可以按照以下式子確定

根據(jù)計算和實驗中實際調(diào)試，設(shè)計的帶通濾波器各電阻值為R1=6．5 kΩ;R2=105 kΩ;R3=34 kΩ;R4=90 kΩ。

濾波結(jié)果如圖8所示。

圖8 MAX275濾波放大效果Fig 8 MAX275 filtering amplification effect

此時，信號的信噪比達(dá)到13．9 dB?？梢钥闯?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(jié)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(shè)計濾波器。實驗中，使用了具有代表性的NE5532運(yùn)算放大器設(shè)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(jìn)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(jié)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(dǎo)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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