談磁性液體加速度傳感器電路的模擬仿真與實現

摘要：磁性液體是一種新型的納米功能材料，它是目前唯一在常溫下可以存在的液態超順磁性物質，具有液體的流動性和磁性材料的磁性性質。將磁性液體應用到加速度傳感器領域，這在國內還是一個嶄新的課題，對于新型傳感器的開發有重要意義。文章經過對磁性液體加速度傳感器電路的仿真與實驗研究，加深對傳感器信號處理的認識，從理論上研究影響傳感器性能參數的主要因素，并通過對磁性液體加速度傳感器實驗模型的研究，發現設計中存在的問題并進行分析。

關鍵字：磁性液體；加速度傳感器；電路模擬仿真；

1、引言

隨著現代科學技術的迅猛發展，加速度傳感器已越來越，“泛地應用于軍事、航空航天、交通運輸、機械等各個領域，而且也逐步走入了人們的日常生活。國內外對加速度傳感器的研究和發展越來越重視，它已成為某些技術領域不可缺少的必要手段。磁性液體加速度傳感器問世至今，雖未超過三十年的時間，但已顯示出強大的生命力，在國外一些國家甚至已經形成了一個較大規模的產業，例如：永磁懸浮加速度傳感器，是將永磁懸浮理論作為加速度傳感器的基礎，以提高傳感器的整體性能，這方面已有很多成功的例子，在此領域內已經有許多的發明專利。

2、磁性液體加速度傳感器的定義與分類

通常加速度傳感器由慣性質量、彈性元件、阻尼器、殼體、其他傳感器(力、速度、位移)等幾個部分組成。基于磁性液體原理的加速度傳感器也可以由上述幾部分組成。磁性液體應用于加速度測量，一般是利用磁性液體具有流動性，并且具有磁性的特點。

磁性液體加速度傳感器的理論基礎是磁性液體的懸浮理論：它包括非磁性體懸浮理論與永磁體懸浮理論(也稱一階懸浮理論與二階懸浮理論)，非磁性體懸浮理論是指磁性液體在磁場的作用下可以將比重比磁性液體大的非磁性物質物質懸浮起來；永磁體懸浮理論是指磁性液體在磁場的作用下可以將沉浸在其中的比重比磁性液體大的永磁體懸浮起來。

3、磁性液體加速度傳感器電路的模擬仿真

在考慮到傳感器的實際工作電路可能會存在種種問題，同時也為了避免連接電路的盲目性，結合在實際中測得的一些具體參數，決定先對加速度傳感器的電路進行模擬仿真。仿真軟件采用的是Multisiml0.0，該軟件是一個優秀的電子技術訓練工具，它能夠替代電子實驗室中的多種傳統儀器，是一個具有靈活、成本低、高效率的虛擬電子實驗室。

3.1信號的輸出

本小節將討論一下磁性液體加速度傳感器的輸出信號。該傳感器采用的是電橋連接的方式(如圖1所示)。其中R1、L1、RL2、L2為變壓器次級線圈等效后的結果，R3、L3、R4、L4為傳感器上電感線圈的等效結果。通過信號發生器給電路一個交流輸入信號，通過示波器可以清楚觀察到輸出信號。(如圖1)

當電橋的四個臂，處于平衡狀態時，從理論上得知無論有什么樣的輸入，輸出信號應該總為零。假設輸入信號為幅值為10V，頻率為200HZ的正弦信號。根據前人的經驗，在傳感器的輸出信號比較微弱時，需要經過信號的處理，對其進行放大處理，把傳感器的微弱的、復雜的交流信號轉變成可以直接讀出的、簡單的直流信號。

3.2信號的放大電路

由于現在電路的發展方向為規模化、集成化等，所以將采用集成運算放大器進行放大電路的設計。設計思路為：采用兩級放大電路，放大電路應適合低頻、交流信號。我們設計了傳感器的外圍放大電路，具體的設計結果如圖2：

在上面的電路中，采用了兩級放大電路。其中第一級放大電路采用了OP-07運算放大器，它是一種超低失調、高精度的運算放大器，該級放大電路的放大倍數設計為10。第二級放大電路采用LM-324運算放大器，它是單片集成高增益、內補償四運算放大器，可在較寬電壓范圍的單電源下工作。其電源電流很小，并且與電源電壓大小無關。該器件可用于轉換放大器、直流增益單元和通常的運算放大器。第二級放大電路設計成放大倍數可調，使其能夠得到一個合適大小的輸出值，同時也為了避免超出集成運算放大器的最大輸出電壓，該級放大電路的最大放大倍數為20倍。

3.3信號的整流電路

整流電路是把正、負交變電壓轉換成單極性電壓的電路。若能把微弱的交流電轉換成單向脈動電，則稱為精密整流或精密檢波。此電路須由精密二極管(由運放和二極管組成)來實現。整流電路分為半波整流電路和全波整流電路。該電路擬采取全波整流電路。全波整流電路的輸出電壓是輸入電壓的絕對值，因此全波整流電路又稱絕對值電路。

如圖3所示，第一級為反相輸入、負極性輸出的半波整流電路，第二級為反相求和電路。(如圖3)

4、磁性液體加速度傳感器電路的實驗性能測試

通過前面對磁性液體加速度傳感器的理論研究以及對其電路的仿真研究，對該傳感器的設計已經有了一個大概的思路。為了驗證設計思路，將理論應用到實際當中去，下面將進行傳感器實際模型的設計及實驗，并且去探索其中存在的問題。

進行傳感器的研究最重要的就是對傳感器信號的處理，也就是外圍電路的設計。在前面已經經討論過傳感器的基本原理以及外圍電路的仿真研究，但是仿真研究一般是在比較理想的情況下的結果，實際電路連接中會受到外界各種各樣的干擾，如溫度變化、磁場作用等等，這都會對實驗結果產生不同程度的影響，有時就需要對設計的電路進行改善，使其處于最佳狀態。

4.1放大電路的連接實驗

首先介紹一下放大電路的實驗研究，該電路的主要功能是將傳感器輸出的微弱信號進行放大處理。與仿真研究不同的是，在實驗之前我們首先要做的就是實驗器材的準備以及對元器件實物功能及結構的了解。

本實驗采用CA1640-02型函數發生器產生激勵信號，此發生器的頻率范圍為0.2Hz-2MHz，最高輸出波形的峰峰值Vp-p為50V。

通過前面仿真電路的設計以及各元件功能結構的分析，連接了信號的放大電路部分。信號發生器提供一個峰峰值為20mV左右，頻率大約為200HZ的正弦波，下面為示波器所顯示的第一級放大電路的輸出波形。(如圖1)

4.2整流電路的連接實驗

首先本實驗仍然使用上面的信號發生器提供輸入波形以及采用示波器進行輸出波形的檢波。本實驗采用uA747型運算放大器。

uA747放大器的電源電壓范圍為：士15V，內含雙運算放大器，它們共用一個偏置網絡和電源端，另外它們的工作互不影響，當共模范圍超過時不會自鎖。根據仿真設計的電路圖進行元件的連接，在連接時發現實際采購的電阻一般都會存在一定的誤差，不能與設計要求完全符合，故部分電阻換成了電位器，便于根據實際需要進行波形的調整。下圖5中，波形1為經過整流電路后輸出的波形，波形2為輸入波形。(如圖1)

5、結束語

在過去二三十年中，磁性液體在傳感器方面的應用得到了很快的發展。美國、德國、日本、羅馬尼亞等國在新型磁性液體傳感器都做了大量工作，相關專利成果不斷涌現。在各國都將傳感器技術列為重點發展技術的大背景下，磁性液體傳感器將會有很大的發展空間，如果再將現有的磁性液體傳感器與MEMS技術結合將會使其上升到一個新的高度。但是，國內磁性液體傳感器的研究還屬于起步階段，并沒有相關類型的產品上市，如果本研究能夠研制成功，必將填補圍內空白，推動我圍的傳感器發展。