摘 要：為提高磁致伸縮液位計的信噪比和穩定性，消除雜波對液位計測量準確性的干擾，以量程小于２ｍ的微型磁致伸縮液位計為研究對象，設計了二階有源帶通選頻放大電路，并利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ軟件進行仿真分析，論證了該調理方案提高微型磁致伸縮液位計感應信號信噪比和抗干擾性的可行性。
引言
隨著現代電子技術的飛速發展，自動化程度越來越高，使得
磁致伸縮液位傳感器應運而生。該類型傳感器技術新穎，相較于其它傳感器減少了人工參與帶來的隨機誤差，廣泛應用于非接觸、高精度、現場環境惡劣的場合［１－３］。感應信號是磁致伸縮液位傳感器實現物位精確測量的根本，通常磁致伸縮液位傳感器工作現場環境復雜，電磁干擾噪聲較大，該噪聲在波導絲上反射，被超聲換能器拾取，在上位機上表現為測量數據失真或跳變。目前，針對該情況的解決方案是采用鍺二極管限幅來濾除干擾雜波，然而對于感應信號質量和穩定性的優化等方面尚無探索。本文以量程小于２ｍ微型磁致伸縮液位傳感器感應信號為研究對象，設計了二階有源帶通選頻放大電路。
１磁致伸縮液位傳感器原理
磁致伸縮液位傳感器由金屬電子倉、Ｆｅ－Ｎｉ合金波導絲、探測桿、衰減阻尼等組成（如圖１所示）。液位傳感器工作時，由脈沖發生電路產生一個周期性的大電流窄脈沖加載到波導絲上。由楞次定律可知，在驅動脈沖的作用下，周圍空間會產生一個垂直于波導絲的環向磁場，環向磁場與活動磁鐵產生的軸向磁場相遇時互相疊加產生螺旋形磁場。根據魏德曼效應［４－７］，該螺旋形磁場使波導絲在活動永磁體處發生扭轉形變，形成彈性機械波沿波導絲向兩端傳播，到達液位傳感器底部的彈性機械波被衰減阻尼吸收，到達頂端的彈性機械波被超聲換能器拾取。由維拉利效應［８－１０］可知，波導絲形變會讓磁致伸縮材料的磁導率發生改變。根據法拉第電磁感應定律，超聲換能器可拾取變化的磁場產生的電壓信號從而實現測量物位的目的。
２磁致伸縮液位傳感器感應信號分析
本文采用Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ公司生產的型號為ＴＣＳ ２０２４Ｃ的示波器，其帶寬為２００ＭＨｚ，采樣率高達２ＧＳ／ｓ，采樣頻率為１００ＭＨｚ，采樣點數為１００００個。觀察超聲換能器拾取信號經放大后的時域波形（如圖２所示），發現感應信號混雜著干擾信號。經分析，可知感應信號是混頻信號，目標信號主要集中在１５０ｋＨｚ以下，５０ｋＨｚ附近達到峰值，同時還有一些高頻干擾的成分，在示波器上表現為時域波形上的毛刺。這些噪聲對感應信號的數字整形影響較大，嚴重影響了液位傳感器測量的準確度和穩定性。
3、二階有源帶通選頻電路設計
二階有源帶通選頻電路如圖３所示。設Ｒ２＝２Ｒ，Ｒ３＝Ｒ可導出該電路的傳遞函數為：
式中，ＡＶＦ為同相比例放大電路的電壓增益。為了使電路穩定工作，要求ＡＶＦ＜３。
式（３）為二階帶通選頻電路傳遞函數的表達式，其中ω０既是特征角頻率，也是該帶通選頻電路的中心角頻率。令ｓ＝ｊω，則有：
由式（４）可知，當ω＝ω０時，圖４所示電路具有最大電壓增益。Ｑ值越大，則通頻帶越窄，即選擇性越好。一般將｜Ａ（ｊω）｜下降至Ａ０／槡２時所包含的頻率范圍定義為通帶寬度，有：Ｂ＝（３－ＡＶＦ）ω０（５）
由上述分析可知，磁致伸縮感應信號為交流信號，其中心頻率為５０ｋＨｚ。試驗中選用ＯＰ３７Ａ集成運算放大器進行信號處理，其帶寬增益為６０ＭＨｚ，并具有優于一般運放的低噪聲特點。設計方案如下。
（１）技術參數：工作頻率ω０為５０ｋＨｚ；－３ｄＢ頻帶寬不大于１００ｋＨｚ。
（２）設計選頻電路：ＯＰ３７Ａ開環增益大于１２０ｄＢ，輸入阻抗ｒｉ為３ＧΩ，輸出阻抗ｒｏ為７０Ω。由于該電路工作于５０ｋＨｚ的固定頻率附近，因此采用具有良好選頻濾波效果的二階帶通選頻電路，如圖４所示。
選頻電路的閉環增益應滿足：
４放大電路設計
本文采用晶體管搭建負反饋放大電路，該電路將ＮＰＮ晶體管的共發射極放大電路與ＰＮＰ晶體管的共發射極放大電路串聯，用電阻將反饋從電路的輸出加到初級ＮＰＮ晶體管的發射極［１４］。設計方案如下：
（１）技術參數：信號經選頻電路后，幅值保持不變，輸入１０ｍＶ，輸出大于２Ｖ。
（２）設計負反饋放大電路：電源電壓是１５Ｖ，所以選擇集電極－基極間最大額定值ＶＣＢＯ與集電極－基極間最大額定值ＶＣＥＯ在１５Ｖ以上的晶體管。本文選用常規通用小信號晶體管２ＳＣ２２４０（東芝）和２ＳＡ１０２０（東芝））。放大電路模型如圖５所示。
（３）參數確定：設Ｑ１發射極上所加的電壓為２Ｖ（若不在１Ｖ以上，則發射極電流的溫度穩定性變差）。忽略晶體管的基極電流，則ＩＥ１＝ＩＣ１。令ＩＥ１＝ＩＣ１＝１ｍＡ，則有：
Ｒ８的取值越大，Ｑ１的共發射極電路的增益就越大，然而Ｑ２的基極是直接連接到Ｑ１的集電極上的，Ｒ８增大，其上的壓降也變大，因此取Ｒ８上的壓降ＩＣ１×Ｒ２＝５Ｖ，則：
令ＶＢＥ＝０．６Ｖ，則加在Ｒ４上的電壓為４．５Ｖ。設Ｑ２集電極電流ＩＣ２為３ｍＡ，由ＩＣ２≈ＩＥ２，得：
為了使Ｑ２發射極電流為１ｍＡ，由Ｒ９＋Ｒ１０＝２ｋΩ得Ｒ１０＝２ｋΩ－１００Ω≈２ｋΩ。
５仿真分析
本文采用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０進行仿真，在繪圖編輯器中選擇信號源ＸＦＧ２、直流電源ＶＣＣ等［１５－１６］。其中，波特儀ＸＢＰ１用來分析感應信號的中心頻率和－３ｄＢ的通帶寬度；ＸＳＣ２為四通道示波器，ＣＨ１通道接入信號發生器，ＣＨ２通道接入選頻電路輸出端，ＣＨ３接入放大電路輸出端，以觀察輸入輸出信號的波形。仿真電路模型如圖６所示。將信號源設置為１０～１９０ｋＨｚ，步長為２０ｋＨｚ，幅值為０．０１Ｖ。啟動Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０，點擊運行按鈕，將采集的數據進行多項式擬合，二階有源帶通選頻放大電路輸出電壓幅值隨頻率變化如圖７所示。
由圖７可知，二階帶通選頻放大電路中心頻率為５０ｋＨｚ，輸出電壓幅值達到最大，和式（４）中的分析結論一致，滿足了設計要求。將波特儀的輸入端接在信號源ＸＦＧ２的正端，輸出端接在選頻電路的輸出端，負端共地。設置信號源工作頻率為５０ｋＨｚ，計算該二階有源選頻放大電路－３ｄＢ通帶寬度為Ｂ＝７３．８１３－２１．９１１≈５２ｋＨｚ，與理論分析相符。
６實測結果
為驗證磁致伸縮位移傳感器感應信號的調理方法，參照上面所述的測量結構，根據設計的感應信號選頻電路和放大電路進行測試。測試條件：波導絲長度為２ｍ，單個永磁體位移浮球，環境溫度為２５℃，采用１２Ｖ直流穩壓電源供電。磁致伸縮位移檢測平臺如圖８所示。
由選頻放大電路放大后的效果圖（如圖９所示）可知，二階有源帶通選頻放大電路能有效平滑信號并提高信噪比，減少對信號整形計數的影響。
７結語
本文針對磁致伸縮液位傳感器在復雜工況下環境噪聲對感應回波信號產生的干擾問題，提出了相應的傳感器感應信號調理方案，包括抗干擾的二階有源帶通選頻濾波和目標信號放大處理，并分別通過試驗驗證了該調理方案能提升信號的信噪比及系統的穩定性。同時，該放大電路采用晶體管搭建，避免了運算放大器級聯造成的噪聲放大，簡化了選頻放大器的設計，并提高了選頻放大器的性能，節約了生產成本，在實際運用中取得了良好效果。
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