1、磁致伸縮液位（wèi）計傳感器原理（lǐ）：

  磁致伸縮液位傳感器由金屬電子（zǐ）倉、Fe-Ni合金波導絲、探測杆、衰減阻尼等組成 (如圖1所示) 。液位傳感器工作時（shí）, 由脈衝發生電路產生一個周期性的大電流窄脈衝加載到波導絲上。由楞次定律可（kě）知, 在驅動脈衝的作用下（xià）, 周圍空間會產生一個垂直於波導絲的環向磁場, 環向磁場與活動（dòng）磁鐵產生的軸向磁場相（xiàng）遇時互相疊加產生螺旋形磁（cí）場（chǎng）。根據魏（wèi）德曼效應[4-7], 該螺旋形磁場（chǎng）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（liǎng）端傳播, 到達液位（wèi）傳感器底部的彈性機械波被衰減阻尼吸收, 到達（dá）頂端的彈性（xìng）機械波被超（chāo）聲換能（néng）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（shēng）改變。根據法拉第（dì）電磁（cí）感應定律, 超聲換能器可拾取變化的磁場產生的（de）電壓信號（hào）從而實現測量物位的目的。

2、磁致（zhì）伸縮液位傳感器感應信號分析：

  本文采用Tektronix公司生產的（de）型號（hào）為TCS 2024C的示波器, 其（qí）帶寬為200MHz, 采樣（yàng）率高達2GS/s, 采樣頻率為100MHz, 采（cǎi）樣點數為10000個。觀察超聲換能器（qì）拾（shí）取信號經放（fàng）大後的（de）時域（yù）波形 (如圖2所示) , 發現感應信號混雜著幹擾信號（hào）。經分析, 可知感應信號是混（hún）頻信號, 目標信號主（zhǔ）要集中在150kHz以下, 50kHz附近達到峰值, 同時還有（yǒu）一些高頻幹擾的成分, 在示波器（qì）上（shàng）表現為時域波形上的毛刺。這些噪聲對感應（yīng）信號的數字整形影響較大（dà）, 嚴重影響了液位傳感器測量的準確度和穩定性（xìng）。

3、二階有源帶通（tōng）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（wéi）了使電路穩定工作, 要求AVF<3。

文獻[11]中, 參數規律為:

將式 (2) 代入式（shì） (1) 中, 則有:

式 (3) 為（wéi）二階（jiē）帶通選頻電路傳遞函數的表達式, 其（qí）中ω0既是特征角（jiǎo）頻率, 也是該帶通選頻電路的中心角頻（pín）率。令s=jω, 則有:

由（yóu）式 (4) 可（kě）知, 當ω=ω0時, 圖4所示電路具有大電（diàn）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 時所包含的頻率範圍（wéi）定義為通帶寬度（dù）, 有（yǒu）:

由上述分析可知, 磁致（zhì）伸縮感應信（xìn）號為交流（liú）信號, 其（qí）中心頻率為50kHz。試驗中選用OP37A集成運（yùn）算放大器進行信號處理, 其帶寬增益為60MHz, 並具有優於一般運放的低噪（zào）聲（shēng）特點。設計方案如下。

(1) 技術參數:工作頻率ω0為50kHz;-3dB頻帶寬不大於100kHz。

(2) 設計選頻電路:OP37A開（kāi）環增益大於120dB, 輸入阻抗ri為3GΩ, 輸出阻抗ro為70Ω。由於該電路（lù）工作（zuò）於50kHz的固定（dìng）頻率附近, 因此（cǐ）采用具有（yǒu）良好選頻濾波效果的二階（jiē）帶通選頻電路, 如圖4所（suǒ）示。

由文獻[12-13]可知, 二階有源帶（dài）通選頻電路電阻滿足R2=2R, R3=R。取C=100nF, 根據:

得R=R3=32Ω, R2=64Ω;C1=C2=100nF。根據（jù）經驗取R4=50kΩ, R5=1kΩ。

4、放大電路設計：

  本（běn）文采用晶體（tǐ）管搭建負反饋放大電路, 該電路將NPN晶體管（guǎn）的共發射放大電（diàn）路與PNP晶體（tǐ）管的共發射放大電路串聯, 用電阻（zǔ）將反饋從（cóng）電路的輸出加到初級NPN晶體管的發射[14]。設計方案如下:

(1) 技術參數:信號經選（xuǎn）頻（pín）電路後, 幅值保持不變, 輸入10mV, 輸出大於2V。

(2) 設計負反（fǎn）饋放（fàng）大電路:電源電（diàn）壓是15V, 所以選擇集電-基間大額定值（zhí）VCBO與集電-基間大額定值（zhí）VCEO在15V以上（shàng）的晶體（tǐ）管（guǎn）。本文選用常（cháng）規通（tōng）用小信號（hào）晶體管2SC2240 (東芝) 和2SA1020 (東芝) ) 。放大電路模（mó）型如圖5所示。

(3) 參數確定:設Q1發射上所（suǒ）加的電壓為2V (若不在1V以上, 則發射電流的溫度穩定性變（biàn）差) 。忽略晶體（tǐ）管的基（jī）電流, 則IE1=IC1。令IE1=IC1=1mA, 則（zé）有:

R8的取值越大, Q1的共（gòng）發射電（diàn）路的增益就越大, 然（rán）而Q2的基是直接連接（jiē）到Q1的集電上（shàng）的（de）, R8增大, 其上的壓降也變大, 因此取R8上的壓（yā）降IC1×R2=5V, 則:

令VBE=0.6V, 則加在R4上的電壓為4.5V。設Q2集電電流IC2為3mA, 由IC2≈IE2, 得:

為了（le）使（shǐ）Q2發射電流為1mA, 由R9+R10=2kΩ得（dé）R10=2kΩ-100Ω≈2kΩ。

5、仿真（zhēn）分析：

  本文采用Multisim10進行（háng）仿真（zhēn）, 在繪圖編（biān）輯器中選（xuǎn）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（de）中心頻率和-3dB的通（tōng）帶寬度;XSC2為四通道示波器, CH1通（tōng）道接入（rù）信（xìn）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（niǔ）, 將采集的數據進（jìn）行多項（xiàng）式擬合, 二階有源帶通選（xuǎn）頻放大（dà）電路（lù）輸出電壓幅（fú）值隨頻率變化如圖7所示。

由圖7可知, 二階帶通選頻（pín）放大電路中（zhōng）心頻率為50kHz, 輸出電壓幅值達到大, 和式 (4) 中的分析結論一（yī）致（zhì）, 滿足了設計要求。將（jiāng）波特儀的輸入端接在信號源XFG2的正端, 輸（shū）出端接在選頻電路的輸出端, 負端共地（dì）。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（kuān）度為B=73.813-21.911≈52kHz, 與理（lǐ）論分（fèn）析相符。

6 實測結果（guǒ）

為驗（yàn）證磁致伸（shēn）縮位移傳感器感應（yīng）信號的（de）調（diào）理方法, 參照上麵所述的測量結構, 根據設計的感應信（xìn）號選頻電路和（hé）放大電路進行測試。測試條件:波（bō）導絲長度為2m, 單個永磁（cí）體（tǐ）位移浮球（qiú）, 環境溫度為25℃, 采用12V直流穩壓電源供電。磁致伸（shēn）縮位移檢測平台如圖8所示。

由選頻放大電路放大後的效果圖 (如圖9所示) 可知, 二階有源帶通選頻放大電路（lù）能有效平（píng）滑信號並提高信噪比, 減少對信號整形計數的（de）影響。

7 結語

本文針對磁致（zhì）伸縮液位傳感器在複雜工況下環（huán）境噪聲對感應（yīng）回波信號產生的幹（gàn）擾（rǎo）問題, 提出了相應（yīng）的傳感器感應（yīng）信號調理方案, 包括抗幹擾的二階有源帶通選頻濾波和目標信號放大處理, 並分別通過試驗驗證了該調理方案能提升信號的信噪比及係統的（de）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（chéng）的噪聲放（fàng）大, 簡化了選頻放大器的設（shè）計, 並提高了選頻放（fàng）大器的性能, 節約了生產成本（běn）, 在實際運用中取得了良（liáng）好效果（guǒ）。