磁致伸縮位移傳感器的測量機(jī)理是基于威德曼效應(yīng)( Wiedeman Effect) , 給磁致伸縮波導(dǎo)絲同時施加縱向磁場( 由浮子內(nèi)的永磁鐵產(chǎn)生,測量時浮子在保護(hù)套管上運(yùn)動) 和環(huán)向磁場( 即通以縱向激勵電流) 時,波導(dǎo)絲除長度發(fā)生變化外, 還會產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象。這種扭曲以固體中超聲波的速度向兩端傳播, 形成扭力波。通過測量發(fā)出的激勵脈沖與接收到的扭力波信號之間的時間差, 再根據(jù)其傳播速度可獲得準(zhǔn)確的測量位置值, 進(jìn)而把位置的測量轉(zhuǎn)換為時間的測量。它具有測量精度高、使用壽命長、耐腐蝕等一系列特點(diǎn), 已在行程測量和液位測量中得到了廣泛應(yīng)用。但在測量過程中通常會因引入多種噪聲而影響其測量精度, 為提高測量精度, 必須對噪聲進(jìn)行處理。
1 傳感器檢測信號特點(diǎn)
磁致伸縮位移傳感器工作時有兩種信號, 發(fā)出的激勵脈沖信號和檢測到的回波信號。傳感器的浮子( 產(chǎn)生縱向磁場的磁鐵) 與測桿相對靜止時,輸出信號中仍存在相對于其測量精度影響很大的擾動, 這是由于波導(dǎo)絲內(nèi)激勵脈沖電流對扭力波的影響( 有時強(qiáng)度可達(dá)到滿量程的 0.2%) [ 1] , 以及整個電子系統(tǒng)的電磁噪聲的影響。在浮子移動過程中影響更大。這些因素在高精度測量系統(tǒng)中是必須處理的。我們在分析了磁致伸縮位移傳感器工作機(jī)理的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)字信號處理理論對其進(jìn)行數(shù)字濾波。
經(jīng)過對傳感器檢測信號進(jìn)行采樣分析, 可知回波信號受到了較大的干擾。目前測量電路大都是通過一個預(yù)先設(shè)置了門限電平的比較器檢測收到回波的時間, 這樣的測量在噪聲的干擾下, 會導(dǎo)致比較點(diǎn)的前移或推后 , 若前移或推后 1 μs 將會帶來 2.838 mm( 波速 2.838 mm/μs) 的誤差。
2 數(shù)字濾波器的設(shè)計
為了提高測量精度 , 我們對回波信號進(jìn)行采樣、數(shù)字處理、特征值( 波峰以及過零等) 提取, 進(jìn)而求取位置值。在數(shù)字濾波器中主要有兩大類: 無限長單位脈沖響應(yīng)( IIR) 濾波器和有限長單位脈沖響應(yīng)( FIR) 濾波器[ 5] 。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中如圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ螖y帶信息的傳遞系統(tǒng), 都廣泛使用 FIR 濾波器
2.1 設(shè)計方法
一般來說, 這樣得到的理想單位脈沖響應(yīng)序列 h(d n) 往往都是無限長序列, 而且是非因果的。這樣一個無限長序列怎樣用一個有限長序列近似它呢? 的辦法就是直接截取它的一段來代替, 但是為保證所得到的是線性相位濾波器, 必須滿足 h( n) 的偶對稱性。這種直接截取的辦法可以形象地想象為 h( n) 好比是通過一個窗口所看到的一段 h(d n)。顯然, 對實(shí)際 FIR 濾波器的幅頻特性 H( ω) 有影響的只是窗函數(shù)的幅頻特性 W(R ω) 。實(shí)際 FIR 濾波器的幅頻特性是理想濾波器的幅頻特性與窗函數(shù)的幅頻特性的復(fù)卷積。
2.2 窗口函數(shù)的選擇
由上面討論可知, 窗函數(shù)不僅起截斷作用, 還能起平滑作用。因此,設(shè)計一個特性良好的窗口函數(shù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
一般希望窗口函數(shù)滿足兩項(xiàng)要求:
(1)窗譜主瓣盡可能的窄, 以獲取較陡的過渡帶。
(2)盡量減少窗譜的旁瓣的相對幅度, 也就是能量盡量集中于主瓣, 這樣使肩峰和波紋減小, 就可增大阻帶的衰減。
目前業(yè)已采用的窗口函數(shù)包括矩形窗、三角窗、漢寧( Hanning) 窗、海明( Hamming) 窗、布拉克曼( Blackman) 窗。由于篇幅所限, 本文只討論海明窗( 又稱改進(jìn)的升余弦窗) 。這三部分之和, 使旁瓣互相抵消 , 能量更集中在主瓣 , 海明窗可將99.963%的能量集中在窗譜的主瓣內(nèi), 它的旁瓣值比主瓣值約低 41 dB。
2.3 FIR 濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
FIR 濾波器的特點(diǎn)是它的單位脈沖響應(yīng) h( n) 是一個有限長序列, 設(shè)FIR 數(shù)字濾波器的 h( n) 的長度為 N。FIR 濾波器的結(jié)構(gòu), 稱之為橫截型結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)利用輸入信號 (x n) 和濾波器單位脈沖響應(yīng) h( n) 的線性卷積來描述輸出信號 y( n) , 所以 FIR 濾波器的橫截型結(jié)構(gòu)又稱為卷積型結(jié)構(gòu), 有時也稱為直接型結(jié)構(gòu)。
為了看清楚濾波效果, 將濾波結(jié)果向下平移 1 個單位。從濾波前后比較可以看出, 本濾波器很好地濾掉了系統(tǒng)所帶來的干擾成分, 從噪聲中提取了有用的特征信號, 為我們進(jìn)行高精度液位測量提供了重要的理論基礎(chǔ)。
基于磁致伸縮傳感器的基本機(jī)理, 結(jié)合 FIR 濾波器的特性,我們提出一種新的磁致伸縮傳感器檢測液位方法———全波采樣法。系統(tǒng)在發(fā)出激勵脈沖的同時啟動 A/D 轉(zhuǎn)換, 將 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存, 然后對其進(jìn)行數(shù)字濾波, 接著尋找波形的特征點(diǎn)( 如谷點(diǎn)、零點(diǎn)、峰點(diǎn)) , A/D 轉(zhuǎn)換速率是已知的, 進(jìn)而能求得特征點(diǎn)處的時間 t, 乘以波速 v 即得液位 L。
通過尋找回波信號的特征點(diǎn)求取液位的方法有以下優(yōu)點(diǎn): 第 0.085一, 由于波導(dǎo)絲本身的不連續(xù)性, 超聲波在傳播過程中會發(fā)生幅 0.000值上的衰減, 采用比較器檢測的方式, 比較器的門限電平是預(yù)先 0.000設(shè)定的, 這無疑會使翻轉(zhuǎn)時間推后, 從而造成較大的測量誤差。采 0.085用提取特征點(diǎn)的方法( 如波峰) 可以有效避免這方面的干擾。第 0.000二, 便于進(jìn)行數(shù)字濾波, 充分發(fā)揮數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)。第三, 可以消 0.085除放大器零點(diǎn)漂移帶來的影響。 0.000從上面幾組數(shù)據(jù)的測量可以看出, 采用 FIR 濾波算法前同一位置10 次測量的值與最小值之差為 3.41 mm, 測量的誤差為- 2.55 mm, 采用 FIR 濾波算法后 10 次測量的值與最小值之差為 0.85 mm,測量的誤差為- 0.86 mm, 濾波后分辨率已經(jīng)達(dá)到采樣頻率值。
下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)加以說明, 表 1～表 4 是 FIR 濾波前后的測量 0.000值及誤差。實(shí)驗(yàn)中采樣周期 T=0.3 μs, 波速 v=2.838 mm/μs, 波速 0.000是通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的。由采樣周期所限, 測量值只能精確到 0.851 4 0.085 mm。真實(shí)值以精度為 1 mm 的鋼板尺作為測量工具。采用回波信
號的波峰來測量液位, FIR 濾波前、后分別做多次測量。以一組數(shù)據(jù)為例, 取 10 個位置, 每個位置做 10 次測量。以每輪測量的值與最小值之差以及測量值與真實(shí)值之間的誤差作為系統(tǒng)的衡量指標(biāo)。表頭中次數(shù)即為測量次數(shù), 差值即為 10 次測量的值與最小值之差。
3 結(jié)論
試驗(yàn)結(jié)果表明, 本文提出的 FIR 數(shù)字濾波方法, 具有動態(tài)特性好、測量精度高的特點(diǎn), 很好地解決了磁致伸縮傳感器檢測信號的濾波問題。這為使用專門的 DSP 芯片構(gòu)建高精度磁致伸縮測量系統(tǒng)提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
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