基于Multisim的磁致伸縮傳感器收發電路仿真

胡志豪 劉曜 張宏偉

摘? 要：磁致伸縮位移傳感器利用磁致伸縮扭轉波效應工作，廣泛應用于石油、化工等易燃、易爆、易揮發、有腐蝕的場合。在磁致伸縮位移傳感器設計過程中，脈沖信號產生電路和信號接收處理電路的準確性是提高傳感器精度的關鍵。根據各部分電路的性能參數設計相應的電路并通過Multisim進行模擬仿真檢驗設計的電路是否滿足設計要求，并運用于指導后續實物電路的搭建。

關鍵詞：磁致伸縮? Multisim仿真? 模擬仿真? 傳感器

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）07（a）-0018-03

Abstract： This paper mainly introduces the circuit principle of magnetostrictive displacement sensor. Through Multisim Simulation software， the simulation of the detection pulse generation and amplification circuit and the detection pulse receiving， filtering and amplification circuit of magnetostrictive displacement sensor is carried out.

Key Words： Magnetostrictive; Multisim; Simulation; Sensor

磁致伸縮位移傳感器是一種以扭轉波超聲波作為傳播媒介的位移式傳感器。該傳感器有測量范圍大、測量精度高的特點。其位移磁體與控制電路分離的結構適用于易燃、易爆、易揮發、有腐蝕的場合。如航天加油系統、汽車加油系統及各種液壓罐、水文檢測、水處理等各種罐的液位計量和控制[1-2]。

Multisim模擬仿真軟件是美國國家儀器公司（NI）推出的原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。其豐富的元器件庫可便捷地完成各種實驗電路的搭建，省去了實際電路搭接過程所需要的時間和材料，大大提高了電路設計效率、降低設計成本。其虛擬測試儀表種類齊備，有函數信號發生器、多通道示波器、直流電源、萬用表等實驗室常用儀器，為電路分析提供了豐富的手段[3-4]。

在該磁致伸縮位移傳感器設計過程中，合適頻率脈沖信號產生電路和返回信號接收處理電路的精確性和準確性直接關系著傳感器的精度。因此，基于傳感器原理，通過Multisim模擬仿真軟件對磁致伸縮位移傳感器相關硬件電路進行設計、測試有一定的研究意義。

1? 磁致伸縮位移傳感器電路設計

在給傳感器通電后，傳感器通過處理器產生連續的檢測脈沖，檢測脈沖通過放大電路放大后進入波導絲，在檢測磁場作用下產生扭轉回波。感應線圈接收該回波后傳入濾波放大電路后與檢測脈沖時間做比較。再通過處理器運算輸出對應的位置信號。在磁致伸縮位移傳感器設計過程中，脈沖信號產生電路和信號接收處理電路的準確性是提高傳感器精度的關鍵。

1.1 檢測脈沖產生放大電路的設計

脈沖產生放大電路主要由檢測脈沖方波控制電路（方波產生電路）和檢測脈沖放大電路構成。

初步選定傳感器最大量程L為1000mm。扭轉波在波導絲內傳播速度V為2830m/s。[5]扭轉波在波導絲中最大往返時間t=2L/V≈0.0006 s，脈沖激發電路周期T大于最大往返時間t。取T=0.001s。脈沖激發電路頻率F=1/T=1kHz。

檢測脈沖方波控制電路根據磁致伸縮位移傳感器的量程所必須達到的要求，設計該脈沖激發電路為占空比可調的電路，使用555 定時器接成占空比可調的震蕩器電路。如圖1左半部分，通過可變電阻R1、R2以及電容C來控制檢測脈沖的頻率以及占空比。通過實驗將R1，R2，C分別取值為115kΩ，15kΩ，10nF，使得檢測脈沖為占空比為90%，頻率為1kHz。

占空比：R1/（R1+R2）=90%

頻率F=（1.443C）/（R1+R2）=1kHz

檢測脈沖放大電路由一個場效應管驅動電路構成，場效應管驅動電路主要是為了放大檢測脈沖方波控制電路傳來的方波信號。磁致伸縮效應要求施加在波導絲上的瞬間脈沖電流達到一定條件，一是為了產生有足夠強度的磁場，二是提高獲得的感應信號的質量。因此必須使發射電流足夠大，一般來說，波導絲的工作電流范圍在 1.5～3.0A 范圍。驅動電路如圖所示，當輸入為低電平時，即三極管1、2對應的基極電位處于低電位，三極管1截止，而2達到飽和，處于導通狀態，此時 場效應管的柵極電位低，截止。當輸入為高電平時，NPN 型三極管 1導通，2截止，場效應管的柵極電位接近5V，此時導通，傳遞出脈沖信號。此時out電位接近于VH電位。VH的值作為一個可調的電平值，在這里取為24V。[6]

1.2 檢測脈沖接收、濾波與放大電路

檢測脈沖接收電路對傳感器接收到的波進行采集，轉化為脈沖電信號，通過兩級濾波和放大電路對接收到的電信號進行過濾和放大。濾波和放大電路使接收到信號穩定，擁有足夠大的放大倍數，且有足夠的抑制噪聲的能力。此外，應盡可能使電路結構簡單。

感應線圈接收波導絲上傳來的扭轉波，并將其轉換為脈沖電信號。感應線圈遵循法拉第電磁感應定律將波導絲上傳來的感應波轉換為脈沖電信號。通過感應線圈得到的脈沖電信號是熱噪聲、傳感器振動，外部磁場等混合在一起的共模信號。在Multisim中采用與檢測脈沖相同頻率的方波信號與熱噪聲的疊加來完成對感應波的模擬，其電路如圖2。RC電路初步過濾后，通過兩級濾波、放大電路對接收到的波形過濾、放大，得到適合處理器處理的波形用于后續處理，如圖4。