基于DSP 的Fe83Ga17 合金磁致伸縮傳感器信號處理系統(tǒng)設計*

王 展，周新志，雷印杰

(四川大學 電子信息學院，四川 成都610065)

0 引 言

磁致伸縮位移傳感器利用了磁致伸縮材料的維德曼效應和維拉里效應［1］，具有高精度、大范圍、強抗干擾能力的優(yōu)點［2］，是一種非接觸式的絕對位移測量傳感器，目前已經(jīng)被廣泛應用到油庫液位測量、水位監(jiān)測、自動化等各個領域中［3］。傳統(tǒng)的磁致伸縮位移傳感器使用的材料受飽和磁致伸縮系數(shù)限制，其所產(chǎn)生的超聲波在傳播時衰減嚴重，無法被可靠地檢測到，長距離應用受到了限制。

為了突破量程的局限，本文采用了一種具有更高磁致伸縮系數(shù)的Fe83Ga17合金，F(xiàn)e83Ga17飽和磁致伸縮系數(shù)的增加不會以增加飽和磁場為代價［4］。傳統(tǒng)的磁致伸縮信號處理基于硬件，而過多硬件電路會產(chǎn)生干擾，放大器的零點漂移和溫度漂移也會對測量帶來一定影響［5］。相對于單片機，數(shù)字信號處理器(DSP)體積和功耗更小，減少了系統(tǒng)硬件電路數(shù)量，其高速數(shù)據(jù)處理能力減少了A/D 轉換時間，大大提高了轉換精度。同時，本文針對溫度對扭轉波速的影響，設計了一種溫度補償方法，減小了誤差，提高了測量精度。

1 磁致伸縮位移傳感器原理

1.1 磁致伸縮位移測量原理

磁致伸縮位移傳感器由磁致伸縮波導絲、接收線圈、激勵電路、信號處理電路等組成，原理圖如圖1 所示。

波導絲加上脈沖電流Ip時，附近產(chǎn)生環(huán)形磁場Фi，固定磁鐵產(chǎn)生軸向磁場Фm，Фi和Фm合成磁場Ф［6］。根據(jù)磁致伸縮效應，Ф 附近產(chǎn)生一個形變，進而產(chǎn)生一個彈性波，以固定速度v 向波導絲兩端傳播。當彈性波到達波導絲末端的接收線圈時，磁通量密度B 發(fā)生變化。根據(jù)法拉第電磁感應定律，設接收線圈匝數(shù)為N，磁致伸縮線橫截面積為S，接收線圈上產(chǎn)生感應電壓e 表示為［7，8］

圖1 磁致伸縮位移傳感器測量原理圖Fig 1 Principle diagram of magnetostrictive displacement sensor

如果彈性波的傳播速度為v，從固定磁鐵到接收線圈的傳播時間為t，那么固定磁鐵和線圈的位移L 可以表示為［9］

式中 v 為扭轉彈性波的速度，G 為波導管的剪切彈性模量，ρ 為波導管密度，G 與ρ 在溫度固定時恒定，因此，扭轉彈性波的傳播速度也是固定的。

1.2 Fe83Ga17材料特性

在磁場強度為H 的磁場中對Fe83Ga17進行磁化，磁感應強度B 不是關于H 的單值函數(shù)。隨著H 增加，B 最終達到飽和，H 逐步減小時，B 的變化滯后于H，偏離了起始磁化曲線。當H 減小至零時，B 等于剩余磁感應強度Br。為使B 減小到零，需要施加一個稱為矯頑力Hc的反向磁場。磁性材料中磁感應強度與磁場強度的關系是一條閉合線，稱為磁滯回線［5］。Fe83Ga17磁致伸縮波導絲相關參數(shù):直徑為1 mm;剩余磁感應強度Br為0.007 T;飽和磁感應強度Bm為1.472 T;矯頑力Hc為1.4 kA/m。

根據(jù)Fe83Ga17新型材料磁特性的相關參數(shù)可知，F(xiàn)e83Ga17材料具有磁導率大、矯頑力小、容易磁化和退磁、磁滯損耗小等特點［5］。

2 硬件比較器測量方法

傳統(tǒng)信號檢測采用硬件比較器的方式，經(jīng)過電壓比較器的信號電壓變?yōu)?/5 V 的TTL 電平。硬件比較器電路圖如圖2 所示。

這種電路的優(yōu)點是排除了小幅度雜波的干擾，信號清晰。缺點是當干擾信號的幅度大于比較電平時，會將干擾信號誤判為高電平;當磁鐵與檢測線圈位置過近，回波信號進入到激勵信號震蕩區(qū)域時，激勵信號與回波信號在幅度上疊加，難以區(qū)分，存在測量盲區(qū);回波信號的峰值點與方波信號上升沿通常不重合，也會導致一定的誤差。

圖2 硬件比較器電路圖Fig 2 Circuit diagram of hardware comparator

3 基于DSP 的磁致伸縮位移測量

3.1 信號采樣與濾波

實驗中，磁致伸縮位移傳感器電路單元所產(chǎn)生周期電流脈沖的幅度24 V，脈寬28 μs，頻率為1.22 kHz。基于DSP的信號處理流程圖如圖3 所示。

圖3 基于DSP 的信號處理流程圖Fig 3 Flowchart of DSP-based signal processing

TMS320F2812 芯片采集接收線圈接收的信號包含了激勵信號、回波信號以及噪聲信號。A/D 轉換器和事件管理器EVA 是TMS320F2812 的外圍設備，對信號采樣。鎖相環(huán)寄存器提供系統(tǒng)時鐘，高速外設時鐘預定標寄存器為A/D 轉換器和EVA 提供高速外設時鐘。EVA 的周期寄存器T1PR 決定了通用定時器GP1 計數(shù)周期，設置GP1 的下溢中斷事件啟動A/D 轉換器，從而準確控制采樣頻率。A/D采樣的流程圖如圖4 所示。

圖4 A/D 采樣原理圖Fig 4 Principle diagram of A/D sampling

波導管的電流脈沖和激勵脈沖會對信號產(chǎn)生一定程度的干擾，剩磁現(xiàn)象也會降低系統(tǒng)的信噪比，測量精度和量程將會受到影響。MAX275 是通用有源濾波器，通過將MAX275 的兩個獨立二階濾波器級聯(lián)實現(xiàn)四階帶通濾波器，能有效抑制回波信號中的噪聲，也在一定程度上減弱了剩磁現(xiàn)象的干擾［10］。本文采用軟件濾波的方法進一步改善信號質(zhì)量。通過對采樣信號進行FFT 分析，信號頻率主要集中在60 kHz 以下，因此，設計了截止頻率為65 kHz 的低通濾波器。

3.2 位移測量

激勵信號峰值點為N1，回波信號峰值點為N2，激勵信號和回波信號之間的間隔點數(shù)N=N2－N1，如果采樣周期為T，則磁致伸縮位移傳感器激勵信號與回波信號的時間差t=NT，位移L 表示為

3.2.1 溫度補償設計

由于波導管材料本身的熱彈性系數(shù)，波導管剪切彈性模量G 隨著溫度的升高而減小，從而導致扭轉波傳播速度v 改變，若不針對溫度進行補償設計，會使傳感器位移測量值產(chǎn)生較大的誤差，因此，實際測量中要對結果實時修正。Fe－Ga 合金中扭轉波速與溫度的關系如圖5 所示。

圖5 Fe-Ga 合金扭轉波速與溫度的關系曲線Fig 5 Relationship curve of velocity of elastic wave and temperature of Fe-Ga alloys

實驗中，利用兩個位置磁鐵實現(xiàn)溫度補償，基于硬件比較器的雙磁鐵溫度補償方法如圖6 所示。在傳感器前端某一固定位置處安放磁鐵，精確位置為L1，產(chǎn)生回波信號1，回波信號2 由實際測量位移處磁鐵產(chǎn)生，位移為L2，回波信號與激勵信號之間的時間差分別為T1和T2。同一溫度下扭轉波速相同，得到

圖6 采用溫度補償?shù)男盘朏ig 6 Signals with temperature compensation

磁致伸縮信號經(jīng)過DSP 采樣和濾波后，兩個回波信號與激勵信號之間的間隔點數(shù)分別為N1'和N2'，可以得到

3.2.2 基于DSP 的雙磁鐵峰值檢測

基于DSP 的雙磁鐵峰值檢測流程圖如圖7。

4 實驗結果與分析

圖7 基于DSP 的雙磁鐵峰值檢測流程圖Fig 7 Flowchart of peak detection with double-magnet based on DSP

實驗中，GP1 的計數(shù)頻率F=18.75 MHz，計數(shù)周期TD=14，采樣頻率f=F/(TD+1)=1.25 MHz，采樣周期T=1/f=0.8 μs。

實驗中，固定磁鐵與實際測量磁鐵的位移精確值L1和L2由毫米尺測量得到，同時用硬件比較器法與峰值比較法分別計算測量磁鐵位移，實驗結果如圖8 和圖9 所示，固定磁鐵精確值為12.06 cm，圖8 的實際值為34.88 cm，硬件比較器法的測量誤差較大，平均為0.56 cm，峰值檢測法測量中，N1'=50，N2'=145，L=L1(N2'/N1')=34.97 cm，測量值基本在實際值附近，平均誤差為0.09 cm。

圖8 位置1 的位移測量結果Fig 8 Displacement measurement results in position 1

圖9 實際測量值為69.1 cm，硬件比較器法平均誤差為1.38 cm，峰值檢測法的平均誤差為0.12 cm，實驗結果證明:通過溫度補償設計，峰值檢測法能夠達到較高的測量精度。

圖9 位置2 的位移測量結果Fig 9 Displacement measurement results in position 2

5 結束語

本文通過采用Fe83Ga17新型材料替代Fe－Ni 材料，改進磁致伸縮位移傳感器，提高了傳感器的測量量程，保證了穩(wěn)定性。討論了基于DSP(TMS320F2812)的磁致伸縮位移傳感器信號處理的實現(xiàn)，利用DSP 實現(xiàn)磁致伸縮信號采樣，設計了FIR 低通濾波器改善信號的質(zhì)量。比較了硬件比較器法和峰值檢測法的測量結果，并利用雙磁鐵實現(xiàn)溫度補償，從而獲取精確可靠的數(shù)據(jù)。若要進一步提高分辨率，可以提高采樣頻率。

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