磁致伸縮線性位移傳感器（是綜合利用磁致伸縮效應(yīng)、電磁感應(yīng)、電子技術(shù)、高精度時(shí)間間隔測量等多種技術(shù)而成的非接觸式測量儀器。由于它具有傳輸距離遠(yuǎn)、非接觸式測量、可靠性高且適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域．磁致伸縮線性位移傳感器具有更高的精度，設(shè)計(jì)增加HART現(xiàn)場總線通信，使其具備總線通信能力，實(shí)現(xiàn)儀表之間以及和控制室設(shè)備的多種信息交換，可大大減少安裝、運(yùn)行及維護(hù)的費(fèi)用．在經(jīng)濟(jì)效益方面，由于磁致伸縮線性位移傳感器擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品自行丌發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，充分利用自儀公司的集團(tuán)優(yōu)勢，因此產(chǎn)品的成本相對比較低。

圖1為一種典型的安放于儲(chǔ)罐中的液位傳感器總體結(jié)構(gòu)圖。測量頭裝置在罐體之外，包括脈沖發(fā)生、回波接收、信號(hào)檢測與處理電路．由不銹鋼或鋁合金材料做的保護(hù)套管套在波導(dǎo)管外，插入液體中直達(dá)罐底，底部固定在罐底。磁浮子可以有兩個(gè)，一個(gè)測量油位，另一個(gè)安放在波導(dǎo)管對應(yīng)的油水界面處，用于測量界位。若在波導(dǎo)管底端再設(shè)置一塊磁鐵，還可以完成自校正功能，使傳感器無須定期標(biāo)定。

如圖2磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分：波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、移動(dòng)磁鐵、電路板部分。測量管是整個(gè)傳感器的核心傳感部分，這一部分又包括：偏置磁鐵、波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環(huán)、轉(zhuǎn)換器輸出。

在傳感器檢測電路得到的信號(hào)中，除了激勵(lì)脈沖與液位感應(yīng)脈沖外，又增加了一個(gè)界面位置感應(yīng)脈沖，如圖3所示。通過測量界位感應(yīng)脈沖與激勵(lì)脈沖的時(shí)間差，就可計(jì)算出相界面位置兩種液體相界面的位置。

設(shè)計(jì)方案簡述、論證：

1、設(shè)計(jì)思想及原理

變送器采用磁致伸縮原理，物理學(xué)中稱作威德曼效應(yīng)。產(chǎn)品主要由不銹鋼管做的測桿、測量電路和套在測桿上的非接觸的磁環(huán)和浮球組成。測桿內(nèi)裝有磁致伸縮線（波導(dǎo)絲）。測桿由不銹鋼管制造成可靠地保護(hù)波導(dǎo)絲。工作時(shí)，由電子電路產(chǎn)生一起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)這個(gè)磁場與浮球中的永久磁場相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被感應(yīng)線圈所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過電子電路計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，即可精確測出被測液位。

2、硬件方案（功能框圖、電路、關(guān)鍵元器件、元器件通用性等）

關(guān)鍵元器件由元器件銷售代理商直接供貨，普通元器件采用通用元器件，在市場上幾直接購買，硬件電路選用成熟電路。

3、軟件方案（功能模塊、程序框圖等）

產(chǎn)品大部分功能有以下幾個(gè)模塊組成：

開發(fā)過程中關(guān)鍵問題：

硬件方面：

開發(fā)本產(chǎn)品的關(guān)鍵問題有以下幾點(diǎn)：

1、二線制儀表低功耗的要求；

2、按照儀表結(jié)構(gòu)要求電路部分被拆分成3塊板子進(jìn)行布局；

3、信號(hào)采樣的精度；

4、微弱信號(hào)檢測的問題；

5、樣機(jī)的全性能試驗(yàn)；

6、HART協(xié)議技術(shù)掌握和應(yīng)用。．

開發(fā)過程中碰到問題的解決措施：

在器件選型時(shí)選用低功耗器件，保證儀表4mA電流也能正常工作；

由于儀表的結(jié)構(gòu)較小，所以拆分成了3塊電路板，根據(jù)功能分為電源板，主控板和顯示板；

為保證儀表精度選用了專用的時(shí)間測量芯片；

在信號(hào)輸入端，用兩個(gè)運(yùn)放組成前級差動(dòng)放大電路來檢測微弱的回波信號(hào)，再經(jīng)過放大，比較電路得到的回波脈沖，用于時(shí)間測量與液位計(jì)算

在全性能試驗(yàn)中，EMC試驗(yàn)也遇到了問題，我們加了相應(yīng)的防護(hù)措施，比如我們在電源端加了共模扼流圈以防止共模電磁干擾，加了壓敏電阻來抗浪涌，加了磁珠來抗靜電T擾和高頻噪聲，加了電感來抑制低頻交流信號(hào)，還加了二極管來防反接。

軟件方面：

按鍵設(shè)定方法：

4mA和20mA設(shè)定可以通過兩種方式完成，一是通過按鍵操作執(zhí)行，另一種可由上位機(jī)通過Hart通訊來完成，同時(shí)上位機(jī)可以設(shè)定傳感器量程和與Hart協(xié)議相關(guān)的儀表信息長時(shí)間同時(shí)按SET按鈕和ZERO按鈕（超過5秒），進(jìn)入輸出電流設(shè)定狀態(tài)，先設(shè)定對應(yīng)4毫安輸出的液位值(RangeLow)：顯示當(dāng)前液位值，（液位值變化用移動(dòng)磁鋼來實(shí)現(xiàn)），當(dāng)移動(dòng)后的液位位置確認(rèn)為4毫安對應(yīng)液位時(shí)，單獨(dú)按ZERO按鈕，軟件記錄當(dāng)前液位值（RangeLow）并且輸出為4毫安；再標(biāo)定對應(yīng)20毫安輸出的液位值（RangeHi）：顯示當(dāng)前液位值（液位值變化用移動(dòng)磁鋼來實(shí)現(xiàn)），當(dāng)移動(dòng)后的液位位置確認(rèn)為4毫安對應(yīng)液位時(shí)，再單獨(dú)按SET按鈕，軟件記錄當(dāng)前液位值(RangeHi)并且輸出20毫安同時(shí)退出電流設(shè)定狀態(tài)。

在按鍵設(shè)定過程中，30秒內(nèi)無按鈕輸入，退出電流設(shè)定狀態(tài)。

開發(fā)過程中主要技術(shù)難點(diǎn)：

1、我們早期傳感器技術(shù)尚未掌握，如波導(dǎo)絲材料的選取，如何安裝固定，脈沖激勵(lì)線圈參數(shù)如何確定等一系列問題；后來通過查閱了相關(guān)資料與參照國外同類產(chǎn)品技術(shù)，確定了波導(dǎo)絲的材料和安裝，并自己線繞激勵(lì)線圈，不斷加以改進(jìn)，解決了傳感器技術(shù)的難題。

2、硬件電路上與傳感器相關(guān)部分的處理電路開始時(shí)并沒有相關(guān)的基礎(chǔ)，通過參考國外產(chǎn)品的處理電路后，結(jié)合了自己的傳感器特性后，設(shè)計(jì)了相應(yīng)處理電路，最后通過實(shí)際的調(diào)試與完善，確定了傳感器處理電路。

3、測量精度的不斷提高，剛丌始的產(chǎn)品信號(hào)處理不夠穩(wěn)定，所能達(dá)到的精度與目標(biāo)精度0.05%相差很遠(yuǎn)，達(dá)到0.05%的儀表精度的困難很大，最后通過調(diào)整信號(hào)處理電路電容、電阻的參數(shù)，調(diào)整運(yùn)放參數(shù)，并增加相應(yīng)濾波小電容，數(shù)字地與機(jī)殼地之間放置高壓瓷片電容，軟件加以濾波等一系列方法，終于達(dá)到精度要求。

4、溫度實(shí)驗(yàn)丌始很容易就超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，溫度穩(wěn)定性比較差，有時(shí)甚至?xí)A躍眺變，經(jīng)過對傳感器接收的信號(hào)在不同溫度下的波形觀測，找出相應(yīng)的溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在接收波形變化相對平滑的情況下，溫度性能比較好，而接收時(shí)比較電壓如果設(shè)置不當(dāng)，接收波形稍有變化就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤．

5、儀表絕緣性能不佳，在做性能實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)傳感器保護(hù)套管由于比較長，中間有彎曲使得保護(hù)套管與儀表外殼短路，造成了EMC：靜放電、浪涌等實(shí)驗(yàn)的故障，后來通過套熱縮套管再加強(qiáng)隔離，但是由于距離還是太近，無法通過浪涌實(shí)驗(yàn)，又增加了空氣放電管和TVS管保護(hù)。

6、儀表精度要求高，滿量程1M的儀表，0.05%的精度，即為1個(gè)基本精度是0.5mm，普通的米尺等計(jì)量設(shè)備根本無法滿足精度測量要求，而普通加液位的方式也無法達(dá)到如此精度的液位控制，于是通過使用2M長的0.1mm精度游標(biāo)卡尺標(biāo)定，人工模擬液位變化的方式完成精度測試．而一般儀表使用的2點(diǎn)、5點(diǎn)標(biāo)定也無法滿足儀表精度，于是采用了11點(diǎn)標(biāo)定。

7、儀表回差是0.02%的精度要求，由于磁致伸縮傳感器在原理上存在剩磁效應(yīng)，所以在上下行程的過程中，同一個(gè)點(diǎn)的測量值存在很大的誤差，通過分析后，采用上下行程不同的標(biāo)定方法，又增加了標(biāo)定的點(diǎn)，最后使用22個(gè)標(biāo)定點(diǎn)滿足回差要求。

最后該產(chǎn)品達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下．

1、測量范圍：300～3000mm；誤差：±0.05%FS

2、模擬輸出：4-20mADC（HART通信可選，現(xiàn)場指示可選）

3、適用環(huán)境：運(yùn)行溫度25-70℃（帶液晶）

4、供電電源：24VDC.

5、負(fù)載輸出：0～620W

6、工作壓力：≤1.6Mpa

7、介質(zhì)密度：≥0．8g/cm3

UMD系列磁致伸縮液位變送器，結(jié)構(gòu)合理，產(chǎn)品的穩(wěn)定性較強(qiáng)，調(diào)試簡單方便，多樣安裝形式，能適合各種惡劣環(huán)境、復(fù)雜場所的使用。主要用于測量液位、廣泛使用在煉油、化工、冶金、發(fā)電、制藥等行業(yè)，能耐高溫、高壓，耐腐蝕。適用于各種易燃易爆場合。輸出HART協(xié)議的4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送與集散控制DCS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制。

其性能與國外生產(chǎn)的老產(chǎn)品相比，具有技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單合理、性能可靠、安裝調(diào)試使用維護(hù)方便、性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)點(diǎn)。新產(chǎn)品的開發(fā)適應(yīng)了市場的需要，毛利率達(dá)到33%，經(jīng)濟(jì)效益尚好。

由于物美價(jià)廉，有廣闊的市場前景。