0引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、電子學(xué)以及計(jì)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,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(diǎn)，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(hào)檢測和濾波是磁致伸縮位移傳感器實(shí)現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵因素。濾波器作為現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分，合理的濾波器設(shè)計(jì)不僅可以濾除信號(hào)中混人的雜波和噪聲，提高信號(hào)的信噪比，而且也使信號(hào)的放大效果得到改善，使接收到的回波信號(hào)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(shí)間量，從而實(shí)現(xiàn)物體位置的高精度計(jì)量。其總體結(jié)構(gòu)圖由圖1所示。

磁致伸縮位移傳感器的總體結(jié)構(gòu)

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(lì)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(gè)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(lì)脈沖的磁場交疊時(shí)會(huì)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(hào)處理電路后可得到起始脈沖和停止脈沖，兩者之間的時(shí)間差即為激勵(lì)脈沖在波導(dǎo)絲上的傳播時(shí)間。信號(hào)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?jì)算出位置磁鐵的實(shí)際位置。

2干擾與誤差來源

在測量時(shí)，波導(dǎo)管內(nèi)的電流脈沖和應(yīng)變脈沖不可避免地對(duì)測量的輸出信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾，強(qiáng)度可以達(dá)到滿量程的0.2%。再加上信號(hào)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,以及由于剩磁現(xiàn)象的存在對(duì)信號(hào)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(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以，濾波器的合理設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在濾波器的設(shè)計(jì)上要具體根據(jù)電路中傳輸信號(hào)的特點(diǎn)，考慮濾波器與信號(hào)接收電路之間的匹配性和有效性，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(duì)純Ni波導(dǎo)絲材料磁滯現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)測量，其結(jié)果如圖2所示。

純Ni波導(dǎo)絲的磁滯回線

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(shí)，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(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差。

3信號(hào)傳輸特點(diǎn)

由磁致伸縮位移傳感器構(gòu)成的信號(hào)系統(tǒng)主要包括脈沖激發(fā)、信號(hào)檢測、信號(hào)濾波及放大、位移計(jì)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24V,脈寬為28μs,頻率為1.22kHz,其波形如圖3所示。

發(fā)射脈沖

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(shí)驗(yàn)中所使用的是純Ni的波導(dǎo)絲材料。

電路接收到的感應(yīng)線圈的回波信號(hào)十分微弱，其幅度只有3mV左右，并且不利于觀察，所以，先采用運(yùn)算放大器對(duì)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(hào)，此時(shí)信噪比為3.7dB。

回波信號(hào)

4濾波器的設(shè)計(jì)

4.1低通濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)磁致伸縮位移傳感器激發(fā)出電流脈沖信號(hào)的頻率來設(shè)計(jì)濾波單元電路，經(jīng)過對(duì)回波信號(hào)頻率測量分析，回波信號(hào)的中心頻率為19kHz。

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(jì)制作的二階巴特沃斯低通濾波器對(duì)回波信號(hào)的濾波效果如圖5所示。

二階巴特沃斯低通濾波效果

可以看到，回波信號(hào)噪聲在一定程度上得到了有效的抑制，信號(hào)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(huì)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(dòng)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(gè)磁場和位置磁鐵產(chǎn)生的磁場相比是很弱的。

實(shí)驗(yàn)中，將環(huán)繞波導(dǎo)絲的位置磁鐵在波導(dǎo)絲上來回移動(dòng)，并觀察波形出現(xiàn)的變化。由圖6所示，上面的回波信號(hào)為初始狀態(tài)并且沒有位置磁鐵時(shí)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(dòng)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(hào)。

剩磁現(xiàn)象

4.2帶通濾波器的設(shè)計(jì)

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(gè)獨(dú)立的二階有源濾波電路，可分別同時(shí)進(jìn)行低通和帶通濾波，也可通過級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階有源濾波，中心頻率/截止頻率可達(dá)300kHz。運(yùn)用MAX275可實(shí)現(xiàn)Bu-tterworth,Besssel和Chebyshev三種特性的濾波電路?？傊C波失真(THD)優(yōu)于典型的-86dB,電源可以由+5V單電源或±5V雙電源提供。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際檢測，電路單元所接收到的返回信號(hào)頻率為19kHz。

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(jì)，可通過將MAX275內(nèi)部的2個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，即B部分地輸入接A部分的輸出。電路圖如圖7所示。

應(yīng)用MAX275設(shè)計(jì)的四階帶通濾波器

HBop為復(fù)極點(diǎn)對(duì)中心頻率X。處的增益，并有f。=X?/2P;Q為復(fù)極點(diǎn)對(duì)的品質(zhì)因數(shù)，通常將它定義為帶通濾波器增益最大時(shí)的頻率fpk(不一定與f相等)與在傳輸特性曲線上比最大增益低3dB(或0.707倍)對(duì)應(yīng)的上下2個(gè)頻率fn與無的比，即

顯然，帶通濾波器的中心頻率f值和放大倍數(shù)由外接電阻器R?,R?,R?,R?決定。當(dāng)中心頻率f,Q值及增益確定后，即可獲得R?,R?,R?,R?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(shí)，Rx/Ry=0.04,fc接GND時(shí)，Rx/Rγ=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+;Hop適用于帶通濾波時(shí)，頻率為f。時(shí)引腳BOP處增益。

電阻的計(jì)算可以按照以下式子確定

R?=2×10?/f,R?=R?-5kΩ,

R?=(2Q×10?×Rx)/(fo×Ry),

R?=R?/HoBP·

根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中實(shí)際調(diào)試，設(shè)計(jì)的帶通濾波器各電阻值為R?=6.5kΩ;R?=105kΩ;R?=34kΩ;R?=90kΩ。

濾波結(jié)果如圖8所示。

MAX275濾波放大效果

此時(shí)，信號(hào)的信噪比達(dá)到13.9dB?？梢钥闯觯夯夭ㄐ盘?hào)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(hào)傳輸過程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，在一定程度上減少了剩磁現(xiàn)象對(duì)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(hào)的采集和數(shù)字化處理。

5結(jié)束語

通過對(duì)磁致伸縮位移傳感器信號(hào)的檢測和分析，根據(jù)信號(hào)的頻率、噪聲來源等特點(diǎn)合理地設(shè)計(jì)濾波器。實(shí)驗(yàn)中，使用了具有代表性的NE5532運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)制作了二階低通巴特沃斯濾波器，有效地抑制了噪聲信號(hào)，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(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階帶通濾波器作為電路的濾波單元，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：MAX275有效地抑制了回波信號(hào)中的噪聲和干擾，在一定程度上有效減弱了剩磁現(xiàn)象對(duì)回波信號(hào)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(hào)濾波上的優(yōu)勢，實(shí)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(hào)濾波上的高效、低噪、減弱剩磁現(xiàn)象干擾等優(yōu)點(diǎn)。

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審核編輯 黃宇