磁致伸縮技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)度計(jì)量，已有幾十年的歷史，在液位檢測(cè)方面則是近十年開(kāi)始的。磁致伸縮位移傳感器具有可靠性高、精度高、可以同時(shí)測(cè)量產(chǎn)品的液位、界面（雙浮子）、不用定期標(biāo)定和維修、安全性好、安裝容易等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于石油、化工、紡織、輕工、電力、醫(yī)藥、食品、國(guó)防等部門(mén)，特別已被廣泛用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的物料液面測(cè)量。然而磁致伸縮液位傳感器進(jìn)入我國(guó)較晚，目前我國(guó)處于引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行使用、研究及國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)階段。
隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)的迅速發(fā)展，儀器儀表的更新?lián)Q代速度日益加快。復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。CPLD可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，而且能重復(fù)多次，而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試激勵(lì)端和邊界掃描能力，使用CPLD器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴(kuò)充性，而且還可大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。單片機(jī)、CPLD的應(yīng)用，使磁致伸縮液位傳感器朝著高精度、高可靠性、小型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
本文在簡(jiǎn)述磁致伸縮液位傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，分析討論了磁致伸縮液位傳感器實(shí)現(xiàn)高精度的關(guān)鍵技術(shù)——高分辨力的時(shí)間量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方法，介紹采用可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行時(shí)間量檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案，該方案大大簡(jiǎn)化了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1.磁致伸縮液位傳感器的組成及工作原理
磁致伸縮液位傳感器基于磁致伸縮和逆磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)是指磁化使鐵磁材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變的效應(yīng)。反過(guò)來(lái)，鐵磁材料受到機(jī)械應(yīng)力之后，其磁化狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，稱(chēng)之為逆磁致伸縮效應(yīng)。
磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外管、波導(dǎo)管、磁性浮子和測(cè)量頭組成。
其中測(cè)量頭內(nèi)裝電子部件，波導(dǎo)管安裝在不銹鋼外管內(nèi)，磁性浮子套在外管上可隨液位沿波導(dǎo)管滑動(dòng)。

儀表工作時(shí)，測(cè)量頭中的脈沖發(fā)射電路不斷向波導(dǎo)管發(fā)射詢(xún)問(wèn)電流脈沖，該電流產(chǎn)生周向磁場(chǎng)并沿波導(dǎo)管傳播，與磁浮子形成的軸向磁場(chǎng)相交時(shí)矢量疊加，形成螺旋磁場(chǎng)。在該磁場(chǎng)作用下，波導(dǎo)管發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，該應(yīng)變波以超聲波速沿波導(dǎo)管向兩端傳播，當(dāng)傳回測(cè)量頭一端時(shí)，基于逆磁致伸縮效應(yīng)，通過(guò)回波接收線(xiàn)圈轉(zhuǎn)換為電脈沖[2]。
由于電流以光速傳遞，從發(fā)射端到磁浮子之間電流傳遞時(shí)間可忽略不計(jì)，因此只要測(cè)出發(fā)射電脈沖與返回應(yīng)變脈沖之間的時(shí)間間隔，即可得到浮子距檢測(cè)零點(diǎn)的距離h，實(shí)現(xiàn)液位檢測(cè)。這個(gè)過(guò)程是連續(xù)不斷的，所以，每當(dāng)磁浮子隨液位移動(dòng)時(shí)，新的液位就被檢測(cè)出來(lái)，如下式：
h = TV　　　?。?）
H = L – TV （2）
式中H為液位；L為罐高；T為時(shí)差；V為應(yīng)變波傳播速度。
測(cè)量頭內(nèi)含單片機(jī)控制系統(tǒng)，可以探測(cè)到同一詢(xún)問(wèn)脈沖所產(chǎn)生的連續(xù)返回脈沖，所以可以在同一傳感器上安裝兩個(gè)浮子，同時(shí)進(jìn)行液位、界面的測(cè)量。若在波導(dǎo)管底部（罐底）也固定一個(gè)磁環(huán)，還可完成自校準(zhǔn)功能，消除溫度對(duì)波速V的影響。[4] 如圖2所示。

圖2中T1、T2和T3 分別代表扭轉(zhuǎn)彈性波從液位磁浮子、界面磁浮子和校準(zhǔn)磁環(huán)返回的時(shí)間，則H1＝ L（1－T1/ T3），H2＝ L（1－T2/ T3）式中H1表示液位，H2表示界面高度,通過(guò)T1/ T3和T2/ T3項(xiàng)，可消除溫度對(duì)彈性波傳播速度的影響。[2]

2.磁致伸縮液位傳感器時(shí)間量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
2.1提高時(shí)間量檢測(cè)電路分辨率的意義與方法
由磁致伸縮傳感器工作原理可知，傳感器是通過(guò)測(cè)量應(yīng)變脈沖傳播時(shí)間來(lái)確定液位的，從式h = T V 可知，液位測(cè)量誤差Δh = TΔV + VΔT 其中應(yīng)變波速V = ，式中G、ρ分別為波導(dǎo)管材料的彈性模量和密度。對(duì)于具體的波導(dǎo)管來(lái)說(shuō)，在一定的溫度范圍之內(nèi)，G和ρ都是恒定的，因此V可以認(rèn)為是恒定的，那么液位測(cè)量誤差主要由時(shí)間量檢測(cè)的誤差所決定，Δh = V ΔT，時(shí)間分辨力越高，液位測(cè)量誤差越小。所以高分辨力的時(shí)間量檢測(cè)是傳感器實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的關(guān)鍵。
要提高時(shí)間分辨力，提高計(jì)數(shù)器脈沖源的頻率是有效的方法。如圖3所示，在發(fā)射脈沖電流的同時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)計(jì)數(shù)器脈沖源計(jì)數(shù)，產(chǎn)生的回波脈沖經(jīng)整形放大后對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位，使其停止計(jì)數(shù)，則時(shí)間間隔T為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N與計(jì)數(shù)脈沖源的頻率F倒數(shù)的乘積。
時(shí)間分辨力ΔT =T / N =1/ F（3）
所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量距離為
ΔH = V ΔT = V / F （4）
從(3)、（4）式可以看出，時(shí)間量檢測(cè)的分辨力取決于計(jì)數(shù)器輸入脈沖源頻率F，計(jì)數(shù)器脈沖源的頻率越高，單位計(jì)數(shù)脈沖所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量距離越小，時(shí)間分辨力越高。
以常用幾種規(guī)范頻率的時(shí)鐘晶振作為計(jì)數(shù)脈沖源，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間量分辨力及當(dāng)量距離列出見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，要使時(shí)間量檢測(cè)電路給液位測(cè)量帶來(lái)的誤差ΔH限定在0.1mm，那么計(jì)數(shù)源頻率要在30MHz以上。

2.2時(shí)間量檢測(cè)的特點(diǎn)及要求
磁致伸縮液位傳感器的量程越大，則應(yīng)變波在波導(dǎo)管中的傳播時(shí)間越長(zhǎng)。以20m量程為例，V按3000m/s 計(jì)算，應(yīng)變波長(zhǎng)的傳播時(shí)間可達(dá)6.67ms。對(duì)該時(shí)間量進(jìn)行檢測(cè)，所要求計(jì)數(shù)器的位數(shù)C與量程R、計(jì)數(shù)源頻率F及應(yīng)變波傳播速度V的關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足：
(2 c / F) > ( R / V) （5）
如計(jì)數(shù)脈沖源頻率F采用30MHz，則不同量程R所要求計(jì)數(shù)器的位數(shù)C不同，如表2所示。
從表2中可以看出，對(duì)于大量程（20m）的磁致伸縮液位傳感器，采用的計(jì)數(shù)器位數(shù)至少要18位。而要實(shí)現(xiàn)磁致伸縮傳感器的多參數(shù)（同時(shí)測(cè)量液位、界面）及自校準(zhǔn)，時(shí)間量檢測(cè)電路中需具備3個(gè)18位的計(jì)數(shù)器，從而滿(mǎn)足對(duì)相繼的3個(gè)時(shí)間量進(jìn)行檢測(cè)。

3.時(shí)間量檢測(cè)電路邏輯功能的CPLD實(shí)現(xiàn)
對(duì)時(shí)間量檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅要考慮其功能要求，還要考慮電路的小型化和可靠性。
設(shè)計(jì)初期曾嘗試采用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器和74LS393計(jì)數(shù)器或8253可編程計(jì)數(shù)器配合的方法，結(jié)果都不近人意。一是這兩種方案所用器件都較多，占空間大。二是穩(wěn)定性差，單片8253不能滿(mǎn)足所要求的計(jì)數(shù)器位數(shù)，需將8253級(jí)連或在8253 前面另外擴(kuò)展一片74LS393才行，實(shí)驗(yàn)時(shí)常常出現(xiàn)計(jì)數(shù)誤差。
CPLD器件具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程， 時(shí)間量檢測(cè)電路所需要的三個(gè)18位的計(jì)數(shù)器可在其內(nèi)部由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本電路選用了Altera公司生產(chǎn)的型號(hào)為EPM7064SLC44-5的CPLD器件，在MAX+PLUSⅡ軟件環(huán)境下，采取圖形輸入和AHDL文本輸入相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)輸入完成后，進(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、布局、布線(xiàn)，完成了時(shí)間量測(cè)量的功能。[3]由MAX+PLUSⅡ開(kāi)發(fā)出來(lái)的時(shí)間量檢測(cè)單元形式簡(jiǎn)單，具有一個(gè)起始端口START，停止計(jì)數(shù)端口STOP,清零端CLR和時(shí)鐘端CLK，數(shù)據(jù)選擇端口A(yíng)、B、C,以及數(shù)據(jù)輸出端A{7..0}。
在CPLD內(nèi)部主要開(kāi)發(fā)出3個(gè)計(jì)數(shù)器單元、譯碼電路、計(jì)數(shù)器啟閉閘門(mén)，見(jiàn)圖4。

圖4中3個(gè)計(jì)數(shù)器分別用于液位、界面和校正磁環(huán)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間量的計(jì)數(shù)。譯碼電路在單片機(jī)的控制下通過(guò)A、B、C、D端口選擇對(duì)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入，使每個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)分低8位、中8位、高2位依次被單片機(jī)讀入。單片機(jī)發(fā)射詢(xún)問(wèn)脈沖的同時(shí)通過(guò)P1口使START端口出現(xiàn)高電平，打開(kāi)計(jì)數(shù)啟閉閘門(mén)，使三個(gè)計(jì)數(shù)器都開(kāi)始計(jì)數(shù)；返回脈沖使STOP端口依次出現(xiàn)三個(gè)由低到高的跳變，通過(guò)計(jì)數(shù)啟閉閘門(mén)，分別使三個(gè)計(jì)數(shù)器依次停止計(jì)數(shù)，并觸發(fā)單片機(jī)中斷，通過(guò)單片機(jī)換算得到對(duì)應(yīng)的油位、水位等信號(hào)輸出。3個(gè)計(jì)數(shù)器都可實(shí)現(xiàn)18位計(jì)數(shù)功能，其功能是由AHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行描述的，采用的是文本輸入方式，然后將這個(gè)AHDL設(shè)計(jì)文件創(chuàng)建成MAX+PLUSⅡ軟件系統(tǒng)默認(rèn)的符號(hào)（.sym），加入圖形設(shè)計(jì)文件（.gdf）中。具體的AHDL設(shè)計(jì)文件如下所示:


4．結(jié)束語(yǔ)
磁致伸縮液位傳感器是能同時(shí)測(cè)量液位和界面、精度高、無(wú)須定期校驗(yàn)的儀表，本文提出的采用 CPLD進(jìn)行時(shí)間量測(cè)量的設(shè)計(jì)方案，滿(mǎn)足大量程、多參數(shù)磁致伸縮液位傳感器的時(shí)間量檢測(cè)高精度和高可靠性的要求。該方案簡(jiǎn)化了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，可供業(yè)內(nèi)國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)研制的技術(shù)人員參考。
作者簡(jiǎn)介：
　　齊榮 (1966～ ) 女，講師，現(xiàn)在北京理工大學(xué)就讀碩士研究生，研究方向：檢測(cè)與自動(dòng)化裝置。
姜波 (1953～ ) 女，副教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。
陳祥光 (1953～ ) 男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：傳感與智能檢測(cè)技術(shù)。