基于Multisim的磁致伸缩传感器收发电路仿真
作者：胡志豪 刘曜 张宏伟
来源：《科技创新导报》2020年第19期
        摘; 要：磁致伸缩位移传感器利用磁致伸缩扭转波效应工作，广泛应用于石油、化工等易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。在磁致伸缩位移传感器设计过程中，脉冲信号产生电路和信号接收处理电路的准确性是提高传感器精度的关键。根据各部分电路的性能参数设计相应的电路并通过Multisim进行模拟仿真检验设计的电路是否满足设计要求，并运用于指导后续实物电路的搭建。
        关键词：磁致伸缩; Multisim仿真; 模拟仿真; 传感器
        中图分类号：TP212文献标识码：A;文章编号：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
        磁致伸缩位移传感器是一种以扭转波超声波作为传播媒介的位移式传感器。该传感器有测量范围大、测量精度高的特点。其位移磁体与控制电路分离的结构适用于易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。如航天加油系统、汽车加油系统及各种液压罐、水文检测、水处理等各种罐的液位计量和控制[1-2]。
        Multisim模拟仿真软件是美国国家仪器公司（NI）推出的原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其丰富的元器件库可便捷地完成各种实验电路的搭建，省去了实际电路搭接过程所需要的时间和材料，大大提高了电路设计效率、降低设计成本。其虚拟测试仪表种类齐备，有函数信号发生器、多通道示波器、直流电源、万用表等实验室常用仪器，为电路分析提供了丰富的手段[3-4]。
        在该磁致伸缩位移传感器设计过程中，合适频率脉冲信号产生电路和返回信号接收处理
电路的精确性和准确性直接关系着传感器的精度。因此，基于传感器原理，通过Multisim模拟仿真软件对磁致伸缩位移传感器相关硬件电路进行设计、测试有一定的研究意义。
        1; 磁致伸缩位移传感器电路设计
        在给传感器通电后，传感器通过处理器产生连续的检测脉冲，检测脉冲通过放大电路放大后进入波导丝，在检测磁场作用下产生扭转回波。感应线圈接收该回波后传入滤波放大电路后与检测脉冲时间做比较。再通过处理器运算输出对应的位置信号。在磁致伸缩位移传感器设计过程中，脉冲信号产生电路和信号接收处理电路的准确性是提高传感器精度的关键。
        1.1 检测脉冲产生放大电路的设计
        脉冲产生放大电路主要由检测脉冲方波控制电路（方波产生电路）和检测脉冲放大电路构成。
        初步选定传感器最大量程L为1000mm。扭转波在波导丝内传播速度V为2830m/s。[5]扭转波在波导丝中最大往返时间t=2L/V≈0.0006 s，脉冲激发电路周期T大于最大往返时间t。取T=0.001s。脉冲激发电路频率F=1/T=1kHz。
        检测脉冲方波控制电路根据磁致伸缩位移传感器的量程所必须达到的要求，设计该脉冲激发电路为占空比可调的电路，使用555 定时器接成占空比可调的震荡器电路。如图1左半部分，通过可变电阻R1、R2以及电容C来控制检测脉冲的频率以及占空比。通过实验将R1，R2，C分别取值为115kΩ，15kΩ，10nF，使得检测脉冲为占空比为90%，频率为1kHz。
        占空比：R1/（R1+R2）=90%
        频率F=（1.443C）/（R1+R2）=1kHz
        检测脉冲放大电路由一个场效应管驱动电路构成，场效应管驱动电路主要是为了放大检测脉冲方波控制电路传来的方波信号。磁致伸缩效应要求施加在波导丝上的瞬间脉冲电流达到一定条件，一是为了产生有足够强度的磁场，二是提高获得的感应信号的质量。因此必须使发射电流足够大，一般来说，波导丝的工作电流范围在 1.5～3.0A 范围。驱动电路如图所示，当输入为低电平时，即三极管1、2对应的基极电位处于低电位，三极管1截止，而2达到饱和，处于导通状态，此时 场效应管的栅极电位低，截止。当输入为高电平时，NPN 型三极管 1导通，2截止，场效应管的栅极电位接近5V，此时导通，传递出脉冲信号。此时out电
位接近于VH电位。VH的值作为一个可调的电平值，在这里取为24V。[6]
        1.2 检测脉冲接收、滤波与放大电路
        检测脉冲接收电路对传感器接收到的波进行采集，转化为脉冲电信号，通过两级滤波和放大电路对接收到的电信号进行过滤和放大。滤波和放大电路使接收到信号稳定，拥有足够大的放大倍数，且有足够的抑制噪声的能力。此外，应尽可能使电路结构简单。
        感应线圈接收波导丝上传来的扭转波，并将其转换为脉冲电信号。感应线圈遵循法拉第电磁感应定律将波导丝上传来的感应波转换为脉冲电信号。通过感应线圈得到的脉冲电信号是热噪声、传感器振动，外部磁场等混合在一起的共模信号。在Multisim中采用与检测脉冲相同频率的方波信号与热噪声的叠加来完成对感应波的模拟，其电路如图2。RC电路初步过滤后，通過两级滤波、放大电路对接收到的波形过滤、放大，得到适合处理器处理的波形用于后续处理，如图4。
        2; Multisim仿真分析
        2.1 檢测脉冲产生放大电路的仿真[7]
        通过Multisim中的示波器，可以检测到图3电路中激发出的脉冲波以及通过放大后输入波导丝的波形。
        如图4所示，上方波形为可调震荡电路发出的检测脉冲波，下方波形为放大后的检测脉冲波。
        通过检测，555震荡电路产生的检测脉冲以及放大后的检测脉冲符合设计要求。
        2.2 检测脉冲接收、滤波与放大电路的仿真
        检测脉冲相同频率的方波信号与热噪声的叠加来完成对感应波的模拟的波形如图5。
        通过RC电路初步过滤得到一峰值在20mV左右的脉冲信号，通过图4中的第一级滤波以及第一级放大电路将信号进行放大并过滤。得到一峰值1.2V的脉冲信号，其波形如图6。
        在通过第一级滤波放大电路之后，信号达到1.2V左右，但还是掺杂许多干扰信号;因此需要第二级滤波电路将杂波进行彻底的过滤，后将得到的信号通过第二级放大电路进一步地放大，图3右半部分为实验后满足要求的第二级滤波和放大电路。通过输入的信号与设定的
电平值进行比较，去除电压低于1.5V的干扰信号，并且输出一个能够达到4.5V的反馈信号，波形如图7。该信号用于后续的信号处理。
multisim示波器怎么连
        3; 结语
        通过Multisim模拟仿真软件对磁致伸缩传感器进行设计及模拟实验，完成了所需的脉冲产生放大电路与检测脉冲接收、滤波与放大电路的模拟仿真，得到的指标基本符合设计参数，为后续实物电路的搭建提供了指导以及改进方向。
        参考文献
        [1] 董俊威.磁致伸缩效应的研究现状及其应用[J].柴油机设计与制造，2019，25（4）：1-5，11.
        [2] 刘开绪. 油田套损磁测应力检测技术研究[D].大庆：东北石油大学，2016.
        [3] 李响，赵耀.Multisim在数字电路实验教学中的应用 [J].信息技术与信息化，2020（2）：210-212.
        [4] 付扬.基于Multisim技术的电子电路综合设计改革 [J].实验技术与管理，2017，34（4）：112-114，198.
        [5] 王德利. 磁致伸缩液位计原位校准技术的研究[D].郑州：战略支援部队信息工程大学，2018.
        [6] 张静秋，胡燕瑜.共射共基和共集三种基本放大电路特性的仿真研究[J].电子制作，2016（23）：40-43.
        [7] 刘永永，李国平，左国坤，等.基于STM32的力传感器信号采集与处理系统设计[J].传感器与微系统，2017，36（7）：112-115.

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