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毕业设计说明书(论文)基于磁致伸缩原理的液位测量系统毕业设计说明书（论文）中文摘要本文对磁致伸缩材料及其位移传感器在油箱液位测量中的应用进行了研究，为磁致伸缩材料及其位移传感器在水利工程及其他液位测量应用中作准备。本文研究并设计了基于磁致伸缩传感器的液位测量系统的机械结构和电路结构，使其在各种环境下都能提供准确的数据。本文的主要研究工作包括:研究了传感器机械结构；对磁致伸缩材料性能进行分析；选取合适的传感材料，对传感器的测量尺、磁浮子、磁致伸缩换能器、电路面板进行了设计；研究了传感器测量电路。根据课题需要，设计了以单片机AT89C51为核心的控制电路、脉冲发射电路、脉冲接收电路、计数电路、温度测量电路、数据显示电路。最后对系统可能出现的误差进行分析。关键词 磁致伸缩 液位 传感器 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Magnetic level measurement system to the development (hardware design) AbstractBased on magnetostrictive material and its displacement sensor level measurement applications in the tank, which is magnetostrictive material and its displacement sensor in water conservancy engineering and other level measurement applications is studied in this paper and prepare was designed based on magnetostrictive sensor level measurement system of the mechanical structure and circuit structure. Make it in various circumstances can provide accurate data. This paper main research work include: the sensor mechanical structure. On magnetostrictive material performance analysis, select appropriate sensor materials, sensors measuring ruler, maglev son, magnetostrictive transducer, circuit panel design. Research the sensor measurement circuit. According to the subject, design the MCU needed for the core control circuit AT89C51, pulse launch circuit, pulse receiving circuit, counting circuit, temperature measurement circuit, data display circuit. And on the system, the paper analyses the error may occur Keywords magnetostrietion liquid level sensor目 次1 绪 论11.1 液位测量的主要方法及发展综述11.2 液位传感器国内外发展概况21.3磁致伸缩相关技术国内外研究应用现状51.4本文研究的目的及主要内容92 磁致伸缩液位传感器的基本原理122.1 磁致伸缩效应的产生机理122.2 磁致伸缩液位传感器的测量机理172.3 对测量精度的影响因素及解决措施202.4 小结223 磁致伸缩液位传感器的结构设计233.1 磁致伸缩材料及选择要素233.2 磁致伸缩传感器测量尺部分的设计253.3 磁致伸缩换能器的设计273.4 磁浮子结构的设计293.5 电路板仓盒303.6 小结304 硬件电路设计314.1 核心控制电路314.2 脉冲计数344.3 脉冲发射电路354.4 回波接受电路384.5 温度测量电路394.6 数据显示电路424.7 输出电路444.8 小结455 硬件调试465.1 结果分析465.2 小结476 总结与展望48结 论49致 谢50参 考 文 献511 绪 论1.1 液位测量的主要方法及发展综述能源、材料和信息并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一，而材料科学显得尤为重要。材料与人类生活息息相关，人类生活的进步、人类社会的发展都是以材料的发展为前提的.磁性材料是当代高新技术发展最重要的先导性和基础性材料之一，新型磁性材料的研究在国际上一直都十分活跃。进入 21 世纪，磁性材料无疑在我们的生产生活中起着越来越大的作用。从蓬勃发展的计算机产业所必须的记录材料到通讯器件；从磁悬浮高速列车到机器人;无处不见磁性材料的身影。在最近几十年中，磁致伸缩材料，铁磁性形状记忆合金以及具有各种奇特性能的高有序合金逐渐成为人们研究的热点。 液位计应用场合极不相同，因而种类也繁多。目前主要包括压力式、差压式、浮子钢带式、电容式、阻抗式、电位差式、机械式等多种方法。生产过程中各类塔釜罐液位的检测目前仍是以压力和差压变送器为主。这除了其自身性价比还有一定的优势外，还有设计和应用的习惯问题。其次是磁浮子式、浮筒式、电容式液位计也有相当的应用量。随着技术发展，磁致伸缩式、超声波式和射频导纳式液位计的用量将会迅速增加，压力（差压）式液位计比例会有所下降。依据介质和现场条件的不同，各种液位计各展优势，将形成一个多元化的局面。罐区储罐由于其容积很大，要求液位计精度很高，过去大多用浮子钢带式液位计，伺服式和静压式也有一定应用量。然而无论是浮子钢带式、伺服式还是静压式液位计，都不是测量罐区储罐液位的最佳方式。浮子钢带式液位计安装复杂，可靠性也低；静压式液位计受介质密度和温度影响很大，为消除这些影响，一套完善的静压测量系统其价格也很高；伺服式液位计精度较高，但由于其有机械传动机构，不可避免带来磨损问题，同时价格也偏高。上个世纪九十年代以来，雷达液位计进入市场，由于其精度较高，可靠性也高，使用方便，因此在罐区中用量迅速增加，成为近十年罐区液位首选仪表。近几年磁致伸缩式液位计异军突起，由于其高精度、高稳定、高可靠及长寿命而更适于罐区储罐液位测量，应用量也必将迅速增加，逐渐会和雷达式液位计平分秋色。光纤液位计可以做到现场无电检测，安全性好，这是其突出的优势，缺点是仍然有很多机械传动部件，故障率就会增加，安装也复杂些。超声波物位计精度略低些，但其安装简单价格适中，因此，也会在罐区中有一席之地。对于常压罐多采用单法兰液位变送器；对于带压罐常采用双法兰液位变送器来进行测量。这是最简单实用而且经济的方法，但此种方法需要计算液位迁移量，比较麻烦。对于球罐或大型储罐则不太适用，尤其不适用一些高温介质及搅拌介质、高黏度介质、有毒或腐蚀性介质的液位测量。对于一些测量范围比较大同时精度要求又较高的储罐测量，磁致伸缩液位计有非常大的优势。此种液位计可采用通讯方式、模拟、数字方式实现信号远传，可内置温度传感器同时测量介质温度，也可同时完成液位、界面的测量。对于非接触式液位测量可选用超声波或雷达液位计。超声波液位计应用要考虑到探头超声波的衰减及物料表面的反射特性，从而计算出探头的最大测量范围。12总之，罐区液位选项遵循的原则是在罐体上的仪表开孔应尽量少。1.2 液位传感器国内外发展概况液位的测量是生产过程中一个常见的环节，测量方法多种多样，主要有钢带浮子式、伺服型浮子式、浮球-浮筒式、静压式、电容式、超声波式、雷达式、光纤式、磁致伸缩式等等。钢带浮子式是二十世纪30年代，国外率先研制和使用的，至今早已淘汰，在国内有些场合还在使用。其原理是利用浮子受浮力的作用浮于液体的表面上来测量液位的，如图1-1。这类传感器的主要缺点是机械摩擦影响计量精度，精度一般在3到6mm。随着对计量精度要求的不断提高，出现了伺服式液位传感器，如图1-2。由于使用了伺服马达，消除了因机械摩擦而引起的误差，提高了灵敏度和重复性，其液位测量精度约在lmm左右。浮球-浮筒式也是利用浮力原理设计而成的，测量精度也较低，约在2到5mm。3图1-1浮子式钢带液位传感器原理图 图1-2 伺服液位传感器原理图从上个世纪70年代起，美、日、德开始广泛使用静压式液位传感器。主要由压力传感器及多点温度传感器组成。利用压力传感器测量容器内液体的静压力，根据容器的几何参数，由计算机或其它相应的二次仪表计算出容积或液位。但它对密度、体积和液位的测量不准确。更无法在形状不规则容器、油水混合物以及密度分层的液体中使用。目前，技术较为成熟的压力传感器主要有三种:压阻式(扩散硅)、电容式和谐振式。456电容式液位传感器是二十世纪末发展起来的一种新型传感器，如图1-3，利用空气和液体作电容两极板间的电介质，用电子学方法测量电容值，从而探知液位高度。其优点是结构 图 1-3电容液位传感器原理图简单、价格便宜，可进行连续测量。缺点是要求液体具有相同的、稳定的介电常数，需要温度补偿。长期稳定性差，测量参数单一且测量精度较低。雷达式液位传感器如图1-4，超声波液位传感器，光纤液位传感器等都是20世纪末出现的。其特点是，测量手段不是采用浮子之类 的固态物，而是声光、射线等的能量。传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故而适应范围广泛。可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合，例如高粘度、腐蚀性强、污染性强、易结晶之类的介质。不过，这些液位传感器成本昂贵以及适用范围的局限，都在一定程度上限制了其发展及应用。超声波液位计使用广泛，但其波速随温度、介质的化学成分的变化而变化。光纤液位计在尘雾环境下使用不太稳定，易造成传感镜片的污染。雷达液位计对这些限制不敏感，系统只需使用传感元件，对电子设备加以适当标定，就可对液位进行测量，得到良好的精确度。高精度雷达液位计的精度可达0.01%F.S，但成本非常高。78 图 1-4雷达超声波传感器在我国，80年代主要是使用钢带浮子液位传感器。80年代初，大连第五仪表厂研制成功浮子钢带式液位计。具有精度较高，维护量小，现场指示清楚，价格便宜等特点得到了广泛应用。80年代末至90年代初，航天总公司三院智控工程公司研制成功UBG一l型光导电子液位计，该仪表利用力平衡和光导原理进行液位自动测量，计量精度较高，其全量程的系统误差为2mm，与其它钢带式液位计一样，由湿度变化导致钢带长度和储罐高度的变化，仍将对液位测量带来一定的附加误差，需要进行数据处理和误差补偿。目前，我国很多地方也采用静压式来测量液位，如油罐、水库等液位测量系统中。9磁致伸缩液位传感器是利用磁致伸缩效应以及磁致伸缩逆效应原理设计而成的。磁致伸缩液位传感器(本文中有时简称为磁致伸缩传感器)的技术早于20世纪70年代被开发和应用，美国MTS公司拥有磁致伸缩传感器原来的设计专利权。而国内在20世纪90年代也开始自行研究和试制，目前市场上己经有少量的国内产品。10表1-1磁致伸缩液位传感器与儿种常用液位传感器的比较测量方式典型精度/%F.S测量范围/M油水界面平均温度标定使用寿命可靠性安装方式价格磁致伸缩式00118可测可测不需长高一般较高浮球一浮筒式110可测否需短低一般低伺服型浮子式00110可测否需短高复杂高浮子钢带式120可测否需短低复杂低静压式05350否否需长高简单较高电容式115否否需短低简单低超声波式0520否否需短高简单较高雷达式00530否否不需短高复杂高综上所述，基于磁致伸缩技术的液位传感器的优点表现在:（1）高精度：由于磁致伸缩液位计是通过测量发射脉冲和返回脉冲的时间差来确定被测位移量，因此测量精度极高。其非线性小于0.05%FS，重复性小于0.001%FS,分辩率小于0.002%FS。如此高的测量精度在当今液位测量中是独一无二的，而其他类型的传感器很难达到此精度。（2）多参数测量 磁致伸缩液位计的另一大特点是集测量液面、界面、温度等参数于一身。因为磁致伸缩液位计中的电子部件可以探测到由同一发射脉冲产生的连续磁波，所以在同一探测杆上可配装2个甚至多个磁浮子。只要保证浮子重量与介质比重相对应，则可同时测得液面和界面，真正实现多参数测量。若将多个温度传感器埋入磁致伸缩液位计的传感杆内，则在可测量液位的同时还能得到介质的多点温度及液面下的平均温度。（3）安全性高：磁致伸缩液位计的防爆等级一般有隔爆型和本安型2种，适合在各种易燃、易爆、高温、高压等危险场所使用。且用磁致伸缩液位计测量时无需人工开启罐盖，避免了人工测量带来的不安全隐患。（4）可靠性高，故障率低，寿命长：由于磁致伸缩液位计的整个变送器密封在不锈钢管内，其传感元件和被测介质非接触，所以虽然测量过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。因此，它具有工作可靠性高、故障低、寿命长的优点，适合各种恶劣环境。（5）安装维护简便：由于磁致伸缩液位计采用法兰连接方式，帮安装极其简便，而且无需安期维护或重新标定，给使用者带来极大的方便。（6）便于自动化管理：磁致伸缩液位计一般输出信号接口采用420mA的标准电流信号或RS-485数字信号接口，可直接接入PLC、DCS系统或其他计算机管理系统，便于微机对信号进行处理。1.3磁致伸缩相关技术国内外研究应用现状磁致伸缩材料是指当磁性体的磁化状态发生改变时，其自身长度和体积发生变化的一类磁性材料。其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。前者是由于结晶各向异性能和磁弹性能减少而产生的。在单晶中，线性磁致伸缩是各向异性的。后者是由于交换能的作用而产生的，是各向同性的。体积磁致伸缩较线磁致伸缩微弱得多，且用途少，因此通常所说的磁致伸缩都是指线磁致伸缩。本文所讨论的磁致伸缩也沿用这一说法。通常用磁场下伸长量与原长度之比来确定磁致伸缩的大小，定义为磁致伸缩系数。从广义上讲，所有的磁性材料，包括顺磁体，抗磁体，以及亚铁磁体都是磁致伸缩材料。其中顺磁体和抗磁体材料的磁致应变通常很小，例如 Pb 在 1T 下仅有 10-8的磁致伸缩。最早观察到的磁致伸缩现象出现在永磁体的发声报道中，而第一次可重复的实验是 1842年 Joule 对铁棒所测量观察到的纵向磁致伸缩现象。在这之后漫长的一个多世纪中，所得到的材料的磁致伸缩系数只有 10-6至 10-5量级，只有 Ni 和 Co 的多晶磁致伸缩材料被用于超声波器件(它的磁致伸缩仅为 40ppm ( lppm=10-6)。1950 年后发现了被称为 Alfer 的 Fe-13%Al 合金，它可作为磁致伸缩材料来使用，其磁致伸缩值约为 100ppm。当 Legvoldl, Clarkt、和 Rhyne 等人致力于稀土材料的磁致伸缩效应的研究以来，磁致伸缩材料的研究取得了突飞猛进的发展。他们发现稀土金属 Tb 在 OK的附近存在着 8300ppm 的巨大的磁致伸缩效应，后来又发现其他的重稀土元素也具有类似的性质。但由于稀土的居里温度很低，使得它们无法在室温附近使用。然而这些大的磁致伸缩材料的发现为磁致伸缩材料的应用开辟了广阔的前景。经过几十年人们对于稀土大磁致伸缩材料的探索和研究，到目前为止，人们获得室温的大磁致伸缩材料主要是立方 Laves 相(LP)稀土金属间化合物 RFe2，前三位排列是 TbFe2, SmFe2和 DyFe2，相应的磁致伸缩系数大约分别为 1.7510-3、-1.56 10-3和 0.43 10-3。 以 (Tb,Dy)Fe2为 基 的 三 元 合 金TbxDy1-xFe2-y(0.27x0.3,0y0.5)在室温附近有最大的磁致伸缩与磁各向异性之比，被称为 Terfenol-D，这类合金已经商品化，目前市场上所谓的稀土超磁致伸缩材料主要指的这一类合金。1.3.1 磁致伸缩液位传感器国内外研究应用现状二十一世纪已经进入以知识经济为特征的信息时代。传感器技术、计算机技术与通信技术成为现代信息技术的三大支柱。与此相适应的新一代工业过程检测仪表将朝着数字化、智能化和微型化的方向发展。因此，人们正在利用新的测量原理以及超声波、激光、微波等声、光、电新技术，开发新的检测产品，扩大自动检测的新领域。磁致伸缩液位传感器就是近二十年来在国内外液位测量领域涌现出的新一代液位测量产品。磁致伸缩传感器，用非接触测量技术监控活动磁铁，由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器即使在恶劣的工业环境下，例如易受油渍、溶液、尘埃或其它的污染，也能正常工作，此外，还能承受高温、高压和高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以假使电源中断重接也不会对数据接收构成问题，更无须重新调整零位。该种传感器适用于多种不同的工业自动化环境，例如:机械控制和液体液位测量等等。由于传感元件都是非接触的，所以就算感测过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。此外，磁致伸缩传感器不仅可以测量液位还可以测量分界面。例如，在部分储油罐中，罐内除了储存有油外，还含有水或其它杂质。在一般情况下，水与油因密度不同而产生分层现象，并形成一个清晰的油水分界面，此油水分界面的位置即为界位，也是油量测量中的一个重要参数;液位与界位之差即为油层厚度;油体积与油的液位和界位值相关，当油罐为圆柱体形状时，油体积与油厚度呈线性对应关系。在油罐油量检测中采用双浮子结构，在测量液位的同时也测量出了油水分界面，这样便可以精确的计算出油量，这一独特的优点是其它液位传感器所不能比拟的。目前，加油站普遍采用双浮子结构来测量油量。许多场合下都要求传感器能经受油渍、灰尘、化学溶液、高温、高压等的考验，要能准确、稳定地传递所测量的物理量。而磁致伸缩液位传感器具有测童精度高、技术先进、测量范围大(最大可至18m)、测量参数多(可输出位移、脉冲和速度信号)、工况适应性强，使用安全可靠、经久耐用等优点，因此广泛应用于石油、化工、制药、环保、水利、冶金、电力、饮食加工等各个领域中。如薄钢板加工的钢板厚度控制;油库的油量测量;数控机床上的位移量控制;食品包装机的进料控制;江河大坝、桥梁的偏移量测量等等。正是由于磁致伸缩液位传感器存在上述诸多优点，在短短三十年的时间里得到了很广泛的发展和应用。在国外，磁致伸缩液位传感器以美国MTS公司和美国 Schaevitz 公司的产品为典型代表，早己经成功地将磁致伸缩技术批量地应用在了位移、液位测量领域。利用磁致伸缩效应制作的液位传感器，由于采用非接触式敏感元件，减少了机械磨损，故具有较高的可靠性。根据美国太空总署NASA的测定，磁致伸缩液位传感器的敏感组件之平均无故障时间(MTBF)为23年。同时，由于其安装方便、调试快捷、测量精度高、成本较低，比传统的机械、电容、压力、超声波或伺服装置等测量系统具有更高的应用和经济价值。美国MTS公司的Temposonies及L系列磁致伸缩液位传感器的输出分辨率读数标准为5m，最高可以达2m。能提供高达士0.01%F.S的测量精度。因此，新一代的Temposonies系列的精度及功能己几乎接近光学尺，而其承受强力冲击、振荡及污染环境的能力则比光学尺强上好几倍。而价格却是光学尺的几分之一，这些都是MTS公司的科研成果。磁致伸缩液位传感器在上个世纪80年代进入中国市场，其典型产品为美国MTS公司和美国Schaevitz公司的产品，主要应用于进口生产线设备的配套。国内某些科研单位和生产企业早在20世纪90年代初便积极开展对磁致伸缩液位传感器的研究和试制工作，但其规模都比较小，且其检测手段也都十分有限，多数产品现今还处于试用性阶段。90年中期，广东康宇测控仪器仪表工程有限公司从美国Schaevitz公司引进全套技术和生产线，生产磁致伸缩液位/位移传感器，绝大多数产品返销美国市场，随着近几年国内市场需求量的迅速增长，该产品已经越来越多地应用到我国国民经济的各个领域，并远远超出了国外市场的需求量。特别是由于该产品充分利用了在国内制造的综合技术、生产优势以及劳动力优势等，使其产品售价仅相当于国外同类产品售价的一半左右，因此在国内市场中具有较强的市场竞争力。1.3.2 国内磁致伸缩液位传感器存在的问题虽然国内某些科研单位和生产企业早在20世纪90年代初便积极开展对磁致伸缩液位传感器的研究和试制工作，多数产品现今还处于试用性阶段。目前最大的问题是，国内的科研人员还没有完全搞清楚磁致伸缩液位传感器中扭转波的传输机理以及误差形成的原因，致使国内自行研制的传感器测量精度大都在2到5mm之间，我们在研究过程还发现有个别传感器某些位置误差竟然达到7mm。而MTS公司的测量精度能达到2到5m。测量精度差是国内传感器普遍存在的问题。在油罐油量测量系统中，如此大的误差是无法用来进行计量的。1毫米的测量误差对于一个大型储油罐来讲是一个什么样的概念呢?我们以一个底面积为1000m，高为10m，容积为10000m的圆柱形大型储油罐为例，1毫米的液位测量误差就相当于差了近lm的原油，以2006年3月初93#汽油价格为4.26元l升来计算，其币值相差4260元。而对于承担着贸易结算作用的贸易油罐来讲，是无法用它来做计量的。因此，国内这些传感器的测量精度在很多情况下远远不能满足实际测量的要求。因此，从测量原理入手，研制高精度、低成本、高可靠性的磁致伸缩液位传感器，不仅研究意义重大，而且市场应用前景广阔。1.4本文研究的目的及主要内容1.4.1 本文研究的目的本课题来源于横向合作项目，利用了磁致伸缩的原理来测量位移量，这是一种非接触式测量位移的方法。当一个电激励在波导管中传播，当磁场使波导管发生变形时，激励将以波的形式沿波导管返回，可以通过测量这一回波的时间，从而测量磁场到波导管头的距离，利用这一方法也能测量相对位移量，并将所测量的距离，以4到20mA的电流输出，电流输出是以百分比的形式输出（最大量程输出20mA，最小量程输出4mA）。本课题是利用磁致伸缩的原理用于大型罐体中的液位，用于石油、化工等应用领域；也能用于机械加工行业。随着我国工业技术的发展和自动化程度与国际接轨，工业现场对位移传感器的要求越来高，对位移测量提出了新的要求，不但要求位移传感器兼有非接触、大量程、高分辨率、高精度、高可靠性及使用方便等性能，而且还应具有适应恶劣工况（如粉尘污染、振动冲击）和特殊环境(如火力电站锅炉汽包液位、军用与高温高压水位等)的能力。而目前国内企业生产的磁致伸缩位移传感器的关键材料居里温度低（一般T160），关键材料仍然依靠进口，自身缺少自主知识产权和研制能力,国内中、高端产品市场依靠进口，价格十分昂贵。国内外现有生产的磁致伸缩材料及位移传感器的基础研究和运用性能研究均只涉及到常温的性能方向，对磁致伸缩材料及位移传感器的室温至高温特别是高温的性能研究无文献报道；此外，对磁致伸缩位移传感器的在恶劣过程环境下（抗振动、抗冲击、高温、高压等）的可靠性尚未见报道。本文研究的学术意义在于对磁致伸缩材料及位移传感器的室温至高温等性能进行研究，为磁致伸缩材料及位移传感器的高温方面的应用作准备。本文研制的磁致伸缩位移传感器，其原理就是基于磁效应和表面弹性波效应的一种较新型的位移传感器，它能用于位移、速度和加速度等的线性测量。磁致伸缩位移传感器与机械式、压力式、电容式、超声波式、雷达式液位计相比，具有突出的优点，即检测头与测量杆无接触、抗干扰、抗振动冲击、使用寿命长、精度高、测量范围宽、零点满点可调。因此，不仅可广泛用于机械、矿山、轻工业等行业，尤其见长的是它可应用在工况恶劣(如火力电站锅炉汽包液位等)的场合，有巨大的应用开发潜力和市场前景,并会产生良好的经济和社会效益。由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是磁致伸缩材料。发展磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统和海洋气候声学温度测量系统的水声发射换能器，可用于测量海水温度和海流的分布图。1.4.2课题研究的内容本课题是利用磁致伸缩的原理用于大型罐体中的液位，用于石油、化工等应用领域；也能用于机械加工行业。课题的主要工作及研究内容如下: （1）了解磁致伸缩测距的基本工作原理；（2）掌握两线制工业用4到20mA电流传送的标准；（3）研究磁致伸缩测距的数据模型及算法；（4）按键处理：两个按键。A）最大量程设置键；B）最小量程设置键（5）编写相应的软件；（6）分析系统误差的原因；本章中介绍了现有各种液位测量传感器的原理和它们的优缺点;研究了磁致伸缩液位传感器的工作原理和时间量的高精度测量，并在此基础上进行了磁致伸缩油位传感器的设计;对磁致伸缩油位传感器的机械结构进行设计;对磁致伸缩油位传感器的硬件电路部分进行设计，包括控制电路、计数器电路、脉冲发射电路、回波接收电路、数据显示电路、串口电路等;对于课题进行了总结，分析后期进展要考虑的问题。 2 磁致伸缩液位传感器的基本原理本章在分析磁致伸缩效应产生机制的基础上，对磁致伸缩液位传感器的测量机理进行了阐述，对其实现高精度测量的机理进行了分析和研究，对液位测量的误差进行分析，研究了采用温度补偿来减小测量误差的方法。2.1 磁致伸缩效应的产生机理2.1.1 磁致伸缩效应磁性材料在外磁场的作用下，其长度尺寸及体积大小均发生变化，这一现象称为磁致伸缩效应。这一现象是由焦耳(James Prescott Joule)在1842年发现的，所以又称为焦耳效应(Joule Effect)。磁致伸缩现象有三种表现形式: (1)沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为纵向磁致伸缩; (2)垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为横向磁致伸缩; (3)铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化，称为体积磁致伸缩。纵向或横向磁致伸缩又统称为线磁致伸缩，它表现为铁磁体在磁化过程中具有线度的伸长或缩短。体积磁致伸缩，只有在铁磁体磁化达到饱和以后的顺磁过程中，才能明显地表现出来，体积磁致伸缩比线性磁致伸缩要弱得多。哪一种磁致伸缩，都是可逆的。其中纵向磁致伸缩效应是主要的，也是应用最广泛的，因此，一般所说的磁致伸缩都是指纵向磁致伸缩。11磁致伸缩材料的主要特性及应用基础(1）焦耳(Joule)效应:磁性体被外加磁场磁化时，其长度发生变化，可用来制作磁致伸缩制动器;(2)维拉里(Villari)效应:在一定磁场中，给磁性体施加外力作用，则其磁化强度将发生变化，即逆磁致伸缩现象，可用于制作磁致伸缩传感器;(3)威德曼(Viedemna)效应:沿圆管状磁致伸缩材料的轴向通以电流，同时沿该轴向施加磁场，则圆管会发生周边扭曲现象，可用于扭转马达。威德曼效应是磁致伸缩正效应的一个特例。如图2-1所示，若沿着管状磁性体的轴向通以电流i，则电流i在磁体上产生垂直于磁性体轴线的环向磁场，磁感应强度为B，通过螺线管或永久磁铁在磁体的轴向施加磁场B，如图2-1所示。环向磁场B和轴向磁场B相互迭加，合成一个螺旋形的磁场B:B=+ （2-1）沿的方向产生的纵向磁致伸缩就表现为扭转现象。这种由B、B共同作用产生的扭转磁致伸缩现象即为威德曼效应。图2-1为通电螺线管，用以在磁性体的轴向上产生稳恒磁场。图2-1威德曼效应的产生磁致伸缩的逆效应也称为维拉里效应，他表现为处于外磁场中的铁磁体，当受到弹性力的作用时，材料内部磁导率、磁化强度等发生改变的现象。他说明应变可影响磁化，所以有时候也称为铁磁体的压磁现象。12磁致伸缩系数时表征材料的磁致伸缩大小的量。如果铁磁材料沿长度L的方向磁化，产生L的伸长量，则有磁致伸缩系数： (2-2)其中，为正表示伸长，为负表示缩短。磁致伸缩系数随外加磁场变化而变化，当材料磁化状态达到饱和时，也达到相应的饱和值，此时磁场强度继续增加，也不会增加，这时沿外加磁场方向的磁致伸缩系数被称为饱和磁致伸缩系数，用表示。（4）磁致伸缩波的发生及传输效应：若在细长高磁导率材料的一端发生磁场变化，则磁致伸缩也会随时间变化，即发生磁致伸缩波。该磁致伸缩波在材料中传输，也会诱发磁化随时间的变化，并传输到材料的另一端。2.1.2 磁致伸缩的产生机制 图2-2磁致伸缩模型图 2-3形状效应模型铁磁体的磁致伸缩同磁晶各向异性的来源一样，是由于原子或离子的自旋与轨道的耦合作用而产生的。磁致伸缩是由于要满足能量最小条件的必然结果，可以用两个简单模型予以形象说明，如图2-2、图2-3所示。图2-2表示两个小磁针A和B间相互作用。在外磁场中，A和B之间处于能量最小的平衡位置，表示A和B间的平衡距离。如果把磁场H的方向转动90，则小磁针A和B之间的相互作用能发生变化，因而能量最小的平衡距离变成了r,r-r即为随着磁化状态的能量变化而产生的线磁致伸缩。这说明，各向异性的作用引起了线磁致伸缩。图2-3表示自发磁化时，交换作用能将导致体积磁致伸缩。一个单畴球体由于自发磁化而具有的退磁场能为NMV/2,其中N是退磁因子，是空气中的磁导率，M是磁化强度，V是球的体积。为了降低这个退磁能量，球的中V要减小，同时在自发磁化方向要伸长而变为椭球形状，以便减小退磁因子N，这就是所谓的形状效应。形状效应与铁磁体的形状有关。与其它磁致伸缩效应相比，它一般是很小的，因为自发磁化引起的自发形变，来自交换作用及各向异性，这两者的作用比静磁作用大得多。 (a) (b)图2-4磁化过程中磁畴转动并伴随着自发形变轴的转动如果铁磁体是多畴结构，则磁化过程中磁致伸缩的变化如图2.4所示。图2-4（a）为H0的未磁化状态，在这个状态下，各个自发磁化的磁畴在铁磁体内混乱排列，相应于自发磁化的形变在各个方向上都有分布。因而，就整个铁磁体而言，宏观上并不显示在某一方向上的伸长或缩短，相当于未变形前的尺寸。图2-4（b）则是在很强的磁场H作用下的磁化状态，各个磁畴的取向基本上沿外磁场方向，各个自发磁化的形变方向也都排列在外磁场方向。因此，铁磁体在外磁场H的方向上显示出伸长，而在垂直于外磁场的方向缩短。随着外磁场增大到某一数值，各个畴完全平行于外磁场方向，铁磁体将不会再伸长，即达到饱和磁致伸缩状态。132.1.3 磁致伸缩材料的物理特性（1）温度特性铁磁性物质有一个磁性转变温度，即居里温度，以T表示。在TC以上，铁磁性消失，呈现顺磁性；此时，其磁化率很小，仅显示出微弱磁性，磁化率与温度的关系服从居里外斯定律，即X=C/(TT)，其中X为磁化率，C为居里常数，T为铁磁性物质的顺磁居里温度，T为绝对温度。在T以下，表现出铁磁性；此时，其磁化率很大，X的值达10量级，而需要的外加磁场却很小。可见，居里温度是铁磁性物质由铁磁性转变为顺磁性的临界温度，是磁致伸缩材料的重要特性之一。（2）机械应力对磁致伸缩的影响当材料不受机械应力时，在各向同性磁致伸缩材料中，饱和磁致伸缩等于原子晶格自发形变。但当受到与同号的机械应力时(为正，加张应力;反之，加压应力)，则将减小，并趋于零;如果机械应力的符号与相反，则增大，并趋于3/2，静态磁致伸缩曲线接近于与M成正比的曲线。2.1.4 磁致伸缩扭转效应磁致伸缩传感器的应用主要是利用纵向效应和扭转效应，扭转效应产生扭转波。对纵波和扭转波的特性进行比较，虽然扭转波回波比较微弱，但是扭转波有很多优点，如扭转波能以较小的失真和波形偏移沿波导丝传递较长的距离，它不易受外部冲击或振动的干扰。对于波导丝的结构来说，扭转脉冲可以通过电流脉冲的环向磁场以及永久磁铁的轴向磁场相叠加方便得到，而产生一个强的纵向脉冲需要有一个环绕波导丝的线圈，这样不如在波导丝外面加一个可动磁铁实用和方便。如果在圆柱形磁致伸缩材料中，既有沿长度方向的磁感应强度，又有绕轴的环向磁场，那么合成的磁感应强度将会是螺旋形的，而沿螺旋形的伸缩激发扭转波，这就是weidemna效应。本课题所讨论的扭转波正是应用Weidemna效应产生的，其逆效应用来接收扭转波。图2-5波导丝磁场分布示意图扭转振动是磁致伸缩效应在波导丝中的技术体现。图2-5为磁致伸缩波导丝中的磁场分布示意图。H为轴向稳恒磁场，H为绕轴的环向交变磁场，合成的磁致伸缩液位传感器的基本原理场就将是螺旋形的。于是螺旋形的机械应变随交变磁场H的变化而变化，就成为扭转振动。扭转振动起振的微观解释是磁畴的结构磁矩在外磁场的作用下一致进动的结果，表现方式为在稳恒磁场的恒磁作用下的可逆畴壁位移过程和在交变磁场激励作用下的可逆磁畴壁扭转。起振过程为:稳恒磁场的恒磁:永久磁铁所产生的稳恒磁场的轴向磁化作用，不但使其作用部分磁畴结构区别于磁致伸缩波导丝的其他部位，而且使磁畴结构内的磁矩发生一致进动，引起磁畴体积的变化。磁畴的移动形成了稳恒磁场同向的强而有序的磁畴排列，当交变激励磁场到来时，起振扭转振动。当永久磁铁离开后，磁致伸缩波导丝内部的磁化状态必须可逆的回到最初的状态，无剩磁出现，以便于进行下一次起振。可以得出，稳恒磁场的作用应处于可逆磁化过程中，内部磁畴结构的变化方式应为可逆的磁畴运动。14交变磁场的激励:在测试点上，当出现正交于稳恒磁场的脉冲交变磁场时，磁致伸缩波导丝内部各相邻磁畴的磁化强度，开始做互为反向的一致进动，磁壁受到-扭转力矩的作用，便产生扭转波。2.2 磁致伸缩液位传感器的测量机理磁致伸缩液位传感器是综合利用浮力效应、磁致伸缩效应、电磁效应、超声效应等原理进行工作的。如图2-6所示，磁致伸缩液位传感器的系统结构，由测量头(包括脉冲发生、回波接收、信号检测与处理电路)，测量导杆和磁 图2-6磁致伸缩液位测量系统结构浮子组成。其中测量头装置在油箱之外，波导丝外有不锈钢或铝合金的保护套管，插入燃油中直达油箱底部，其末端固定在油箱底部。如图2-7测量部件中，测量头中的脉冲发生器用于向波导丝发射电流脉冲，以产生Weidemna效应所需要的环向磁场。磁浮子内含有永久磁铁，用以在波导丝周围产生沿波导丝轴向磁场。图2-7磁致伸缩液位测量系统结构图传感器工作时，由脉冲发生电路向磁致伸缩波导丝上加一个电流脉冲，电流脉冲沿磁致伸缩波导线传播，产生一个垂直与磁致伸缩波导丝轴向的环向磁场，该磁场将随电流脉冲以光速沿磁致伸缩导线向前传播。安装在浮子中的永久磁场产生轴向稳恒磁场时，产生叠加并形成一个螺旋磁场。根据磁致伸缩原理，它将使磁致伸缩波导线产生瞬时扭曲变形，即维拉里(Villari)效应，从而形成扭转波，该扭转波以恒定的速度沿磁致伸缩波导线向永久磁铁的两个方向传播，当传到末端时，被衰减阻尼装置吸收，防止扭转波反射对测量形成干扰。而返回的扭转波被固定在脉冲发射端的磁致伸缩换能器接受。磁致伸缩换能器如图2-8所示由扭转波接受带、感应线圈和偏置磁铁组成。扭转波沿磁致伸缩波导丝返回后，将拉动扭转波接受带使其产生一定的伸缩变形，偏置磁铁为其提供一个稳定的恒磁场。而磁致伸材料在磁场中发生物理形变时，会在材料内部引起磁场强度变化。因此通过磁致伸换能器的感应线圈的磁通也会发生变化。图2-8磁致伸缩换能器根据法拉第电磁感应定律 (2-3)式中，n为感应线圈的匝数，B磁感应强度，为磁通量，S为线圈面积。在感应线圈的两端，将产生一个感应电动势，并会被传感器的回波接受电路以脉冲的形式测到。扭转波在磁致伸缩波导线中的传播速度为V= (2-4)式中，G为波导丝的剪切弹性模量，为波导丝密度。对一定的波导丝来说，由于G和均是恒定的，所以传播速度也是恒定的。扭转超声波在磁致伸缩丝中的传播速度是一个常数，而磁性浮子中的永久磁铁距离传感头的距离是:S=VT=T (2-5)T=T+T (2-6)式中T为电流脉冲发射到检测到感应电动势的时间间隔，T为扭转波产生到检测到感应电动势的时间间隔，T为电流脉冲从发射到传输到磁浮子所用的时间，由于发射的电流脉冲是以光速传播的，所以电流脉冲从发射到传输到磁浮子所用的时间是可以忽略的。所以可以近似的认为，扭转波产生到检测到感应电动势的时间间隔等于电流脉冲发射到检测到感应电动势的时间间隔。所以只要测出电流脉冲发射到检测到感应电动势的时间间隔，就可以根据公式计算出S的值，再根据L=H-S，就可以得到液位值。这个过程是连续不断的，所以每当磁铁运动时，新的位置就被感测出来，其工作波形如图2-9所示。图2-9工作波形图由于传感器通过测量脉冲发射到产生感应电动势之间的时间间隔来确定液位的位置，所以时间量的测量精度直接决定着液位测量的精度。时间量的测量要多种方法，采用脉冲计数方法，可以达到很高的准确度，还可以直接输出数字信号。脉冲电流发射时，计数器开始计数，返回脉冲经转换装置转化为电脉冲到来时，计数器停止计数。所以计数脉冲频率越高，这个时间间隔内所计脉冲数越多，一个计数脉冲表示的当量就越小，即分辨率越高。由此可见，只要计数脉冲的频率足够高，磁致伸缩液位传感器的理论分辨力可以达到无穷小，所以传感器可以达到非常高的准确度。2.3 对测量精度的影响因素及解决措施磁致伸缩液位传感器采用浮子作为液位感应元件，液位的高精度测量建立在浮子可以准确反应液面位置这一前提此的基础上，浮子中的永久磁铁为产生扭转波的实际位置。事实上，根据阿基米德定律，浮子浸没在燃油中的体积会随着燃油密度的变化而变化，即浮子在液体中浸没的高度会随着燃油密度的变化而变化，而永磁铁相对于浮子的相对位置是不变的，所以燃油密度变化会导致永磁铁与液面之间的 相对位置发生变化，这必将给液测量精度带来一定的影响。浮子与液面的关系如图2-10所示。设浮子浸入燃油的深度为H，浮子的高度变化为H，浮子排开燃油的体积是V,燃油的密度是，浮子的体积和密度各为V ，利用阿基米德浮力定律，得：gV=gV (2-7)= (2-8)=() (2-9)= (2-10)V=V+V-V-V (2-11) (2-12)V=（- (2-13) (2-14)K= (2-15)由此可知，如果燃油的 密度的相对密度变化为，则浮子浸入深度H的变化量为-K，表示浮子浸入燃油的深度随密度的增加而减小。图2-10浮子与液位关系示意图在液位不变而燃油密度发生变化的情况下，浮子浸入燃油的高度H会发生变化，因此磁致伸缩液位传感器的读数会发生变化，造成测量误差。浮子浸入燃油的高度H越小，则K值越小，因此在选择浮子时，可以选择密度较小的浮子，减小浸入燃油的高度H，从而减小K的值，减小燃油密度的变化对测量精度的影响。 同时,H相同，浮子半径R不同时，K值也不同，半径越小，K值越小，因此减小浮子的外径R也能减小K值，所以要减小浮子外径。152.4 小结本章介绍了磁致伸缩效应的产生机制，在此基础上，对磁致伸缩液位传感器的作用机理进行了阐述，分析了对磁致伸缩液位传感器的测量精度的影响及减小误差的措施，重点分析了温度补偿措施。 3 磁致伸缩液位传感器的结构设计磁致伸缩液位传感器的机械结构部分由磁致伸缩测量尺、磁致伸缩换能器、磁性浮子、电路板仓盒等组成如图3-1所示。图3-1磁致伸缩液位传感器总体结构图3.1