基于Fe-Ga材料的磁致伸缩液位传感器

摘要

本发明为一种基于Fe-Ga材料的磁致伸缩液位传感器，该传感器的组成包括传感器头部、测量杆和浮子，其中，传感器头部通过螺纹连接与测量杆相连，活动浮子套在测量杆的下部；传感器头部为圆筒状结构，内部包括硬件电路系统、检测装置和前阻尼装置；波导丝为Fe-Ga材料，在测量杆内部；波导丝前端通过螺纹孔进入传感器头部，依次穿过检测装置中的线圈骨架和前阻尼装置的中心，直接连入硬件电路系统；波导丝末端穿过后阻尼装置的中心与返回导线相连接，返回导线接回到硬件电路，形成闭合的回路。本发明采用Fe-Ga合金作为磁致伸缩液位传感器的波导丝材料，能够应用在大量程的液位传感器中，并且能在较恶劣的环境下稳定工作。

说明书

技术领域

本发明属于磁致伸缩传感器领域，特别涉及一种Fe-Ga材料的磁致伸缩液位传感器。

背景技术

现有的液位传感器种类繁多，目前常用的液位传感器主要分为两种，接触型液位传感器 和非接触型液位传感器，接触型液位传感器又可分为电容式液位传感器、伺服式液位传感器、 浮体式液位传感器、人工检尺等，其中电容式液位传感器安装后需要重新标定和定期维修， 并且测量的重复性不高，寿命也不长；伺服式液位传感器安装复杂，因为它属于机械式测量 装置，机械磨损会直接影响测量精度，且不适用于有腐蚀、有毒、易燃爆、高纯度、无菌、 高黏度液体的测量；浮体式液位传感器在测量时浮子会随着液面的波动而上下波动，造成示 数误差，而且不适合压力容器和强腐蚀性液体的测量；人工检尺的测量精度低，每次测量时 间较长，且只能离线测量，不适用于在线实时测量。非接触型液位传感器又可分为微波雷达 液位传感器、振动液位传感器、超声波液位传感器和磁致伸缩液位传感器等，其中微波雷达 液位传感器在高粘度或高污染度，雷达液位传感器能很好地发挥作用，它无需重新标定和定 期维修，测量精度和重复性也较高，但在测量油水界面时就比较困难，并且价格偏高，安装 复杂；振动式液位传感器和超声波式液位传感器同样存在着安装复杂的问题，并且安装后都 需重新标定和定期维修。

磁致伸缩液位传感器是利用磁致伸缩材料完成对时间间隔的测量，其具有量程大、精度 高、易维护、免标定、寿命长和适应性强的特点，可广泛用于机械、矿山、轻工业等行业， 尤其见长的是它可应用在如火力电站锅炉汽包液位等工况恶劣的场合，磁致伸缩液位传感器 为绝对液位传感器，使用过程中即使电源中断也不会对测量结果产生任何影响，不需要重新 调整零位。此外，由于该传感器采用的是非接触式测量，所以其性能可靠，无故障工作时间 较长，成为液位测量领域的新宠儿，但目前在液位传感器上应用较多的磁致伸缩材料为Fe-Ni 合金，其磁致伸缩系数低大约在2.2×10^-5～2.7×10^-5ppm，磁场灵敏度低、温度特性差。研究 表明，在磁性Fe元素中加入非磁性Ga元素后，其磁致伸缩系数可达到20×10^-5ppm,它的饱 和磁场低，磁场的灵敏度高，同时它具有低饱和磁场，磁场灵敏度高，且该合金为金属固溶 体，强度高、脆性小，可以热轧，同时具有较高的抗拉强度，较高的磁导率，很好的温度特 性，能在较恶劣的环境下使用。目前尚无基于Fe-Ga合金作为波导丝材料的结构简单的液位 传感器的报道。

发明内容

本发明的目的是基于现有Fe-Ni合金的磁致伸缩液位传感器技术的不足，设计一种应用 Fe-Ga合金作为波导丝材料、结构简单、高精度的磁致伸缩液位传感器，Fe-Ga合金具有Fe-Ni 合金所不具有的高磁致伸缩系数，高磁场灵敏度，同时温度特性优越，克服了Fe-Ni合金材 料特性受温度影响较大的问题，能够稳定工作在工况恶劣的环境中，并可在大量程的液位传 感器中得到很好的应用。Fe-Ga合金具有较高的刚度，需要较大的扭力才能使其激发弹性波 信号，采用原有的检测装置则无法检测，本发明经过大量实验，通过优化各部分的配置，设 计得到了基于Fe-Ga材料的磁致伸缩液位传感器，该传感器可以获得检测信号并且使检测信 号最优。

本发明采用的技术方案是：

一种基于Fe-Ga材料的磁致伸缩液位传感器，该传感器的组成包括传感器头部、测量杆 和浮子，其中，传感器头部通过螺纹连接与测量杆相连，活动浮子套在测量杆的下部。

所述的传感器头部为圆筒状结构，内部包括硬件电路系统、检测装置和前阻尼装置；其 中，硬件电路系统包括电源、控制系统、功率放大与信号处理系统三部分，三部分两两相连， 其中，功率放大与信号处理系统包括功率放大电路和信号处理电路两部分；所述的检测装置 由线圈a、线圈b、线圈骨架、两个信号采集端以及公共地端组成；线圈a和线圈b在线圈骨 架上的绕制方向相同，将线圈a的末端和线圈b首端相连，作为中间的触头与模拟信号的地 相连，线圈a的首端为一个信号采集端，线圈b末端为另一个信号采集端，两个信号采集端 分别和硬件电路系统中信号处理电路系统的差分放大电路的两个输入端相连接。

所述的波导丝为Fe-Ga材料，在测量杆内部，波导丝外套有塑料管；波导丝前端通过螺 纹孔进入传感器头部，依次穿过检测装置中的线圈骨架和前阻尼装置的中心，直接连入硬件 电路系统中功率放大与信号处理系统的功率放大电路之中；塑料管末端开孔，波导丝末端穿 过后阻尼装置的中心与返回导线相连接，返回导线在塑料管外部、测量杆内部，返回导线也 向上穿过螺纹孔，接回到硬件电路系统的功率放大与信号处理系统的功率放大电路之中，形 成闭合的回路。

所述的传感器头部采用圆柱形不锈钢结构，内径40mm，外径65mm，高120mm。

所述的波导丝的长度为1m，直径为0.85mm；前阻尼装置和后阻尼装置分别选择长度为 15mm和25mm，直径为7.5mm的圆柱形橡胶棒。

线圈骨架外径为4.5mm，内径为2.8mm，线圈a和线圈b的绕制方向相同，在线圈骨架上 都缠绕500匝线径为0.06mm的漆包线。

浮子由固定螺栓、铝制圆环、永磁铁和不锈钢管组成，其中，三个永磁铁被安装在铝制 圆环上，互成120度，铝制圆环通过螺栓固定在不锈钢管上。

其中不锈钢管内径为16mm，长度为55mm，铝制圆环内径为20mm，外径为36mm，长度为 12mm，永磁铁为直径8mm，高度为15mm的圆柱体结构。

所述的Fe-Ga材料为Fe-Ga合金，合金中，镓元素占总质量的19%，铁为81%。

本发明的有益效果为：本发明采用了低饱和磁场，高抗拉强度，温度特性好的Fe-Ga合 金作为磁致伸缩液位传感器的波导丝材料，能够应用在大量程的液位传感器中，并且能在较 恶劣的环境下稳定工作；检测装置采用线圈检测方式，成本低，且安装方便，并且线圈采用 双线圈差分信号检测方式，增强了有效的检测信号，克服了单线圈检测中存在的高频噪声信 号干扰的问题；浮子内部采用三个永磁铁周向对称放置，选择三个等大小的圆柱形永磁铁互 成120度嵌入铝制的圆环上，铝制圆环再经过螺栓固定在不锈钢管上，一方面减轻了浮子的 重量，另一方面可以产生稳定的沿波导丝方向的轴向磁场。在实验中经测试，采用线径为 0.06mm的漆包线缠绕500匝得到的检测信号最优。

附图说明

图1磁致伸缩液位传感器结构剖面图。其中，1-硬件电路系统、2-前阻尼装置、3-检测 装置、4-传感器头部、5-波导丝、6-返回导线、7-测量杆、8-浮子、9-后阻尼装置。

图2传感器工作原理图。

图3检测装置结构示意图。其中a和b为线圈，31-信号采集端，32-信号采集端,33- 公共地端，34-线圈骨架。

图4浮子内部结构示意图。其中41-固定螺栓，42-铝制圆环，43-永磁铁，44-不锈钢 管。

图5实验结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。本实施例仅为对发明的具体说明，不视为对保护 范围的限定。

图1为磁致伸缩液位传感器结构剖面图。

该传感器的组成包括传感器头部4、测量杆7和浮子8，其中，传感器的上部为传感器头 部4，传感器头部4下通过螺纹连接与测量杆7相连，活动浮子8套在测量杆7的下部。

所述的传感器头部4为圆筒状结构，内部包括硬件电路系统1、检测装置3和前阻尼装 置2；其中，硬件电路系统1包括电源、控制系统、功率放大与信号处理系统三部分，三部 分两两相连，其中，功率放大与信号处理系统包括功率放大电路和信号处理电路两部分；所 述的检测装置3由线圈a、线圈b、线圈骨架34、信号采集端31、信号采集端32以及公共地 端33组成；线圈a和线圈b在线圈骨架34上的绕制方向相同，将线圈a的末端和线圈b首 端相连，作为中间触头与模拟信号的地相连，线圈a的首端为信号采集端31，线圈b末端为 信号采集端32；信号采集端31和信号采集端32分别和硬件电路系统1中的功率放大与信号 处理系统的两个输入端相连接。

波导丝5在测量杆7内部，波导丝5外套有塑料管；波导丝5前端通过螺纹孔进入传感 器头部4，依次穿过检测装置3中的线圈骨架34和前阻尼装置2的中心，直接连入硬件电路 系统1中功率放大与信号处理系统的功率放大电路之中；塑料管末端开孔，波导丝5末端穿 过后阻尼装置9的中心与返回导线6相连接，返回导线6在塑料管外部、测量杆7内部，返 回导线6也向上穿过螺纹孔，接回到硬件电路系统1的功率放大与信号处理系统的功率放大 电路之中，形成闭合的回路。

所述的波导丝5，采用长度为1m，直径为0.85mm的Fe-Ga材料。测量杆7选择长度为 1m的不锈钢材料，直径为14mm，测量杆7与波导丝5之间通过长度为1m，外径为8.3mm的 塑料管隔离。所述的Fe-Ga材料为Fe-Ga合金，合金中，镓元素占总质量的19%，铁为81%。 研究显示当镓元素含量为19%时，Fe-Ga材料的磁致伸缩系数达到峰值点，为23×10^-5ppm。

传感器头部4采用圆柱形不锈钢结构，内径40mm，外径65mm，高120mm，内壁开有六个 三组1.6*85mm的凹槽和一个25*25*10mm凹槽，三组凹槽固定硬件电路系统1电路板， 25*25*10mm凹槽用于固定中锐智诚公司生产的卡槽，检测装置3和前阻尼装置2被安装在卡 槽内；传感器头部4底部带有连接螺纹。

硬件电路系统1包括三个硬件电路板：电源、控制系统、功率放大与信号处理系统，三 个硬件结构电路板可以卡在三组1.6*85mm的凹槽之中。功率放大与信号处理系统包括功率放 大电路和信号处理电路两部分。电源通过排线连接控制系统、功率放大与信号处理系统的电 源端，为各电路芯片提供稳定的工作电压；控制系统的PWM信号输出端通过排线连接到功率 放大电路的输入端，功率放大电路的输出端连入波导丝5，使功率放大后的激励脉冲作用到 波导丝5上，功率放大电路与信号处理电路之间并无物理上的连接关系；信号处理电路的差 分放大电路的两个信号输入端连接检测装置3的信号采集端31和信号采集端32，当检测装 置3的两个信号采集端采集到扭转波信号后便把信号送到信号处理电路，在信号处理电路完 成时间计时后，得到的时间数据将会被控制系统读取，从而在液晶上显示。其中，控制系统、 电源、功率放大和信号处理系统具体为：

硬件电路系统1中的控制系统电路的主控制芯片采用Atmel公司的ATmega16A；用于发 射起始脉冲信号以及液位显示，在控制板上集成RS232、ISP与JTAG接口，并带有1602液 晶显示模块，由ATmega16A芯片控制，在实验的过程中，我们使用慧净电子生产的HJ-ISP下 载器进行在线的下载和程序调试；电源电路分为数字电源部分和模拟电源部分，数字电源可 输出+15V、+5V、+3.3V的稳压电源，模拟电源可输出+15V、-15V的稳压电源，以及范围为 1.2V～30V的可调电源，模拟电源和数字电源采用市面较常见的电源芯片，其中，本实施例的 模拟电源具体采用LM7815、LM7915、LM317线性电源芯片，数字电源具体为LM7815、LM7805、 LD3.3电源芯片；功率放大电路采用典型的推挽式输出结构，由ATmega16A芯片输出的5V的 PWM信号作用到功率放大电路的输入端，通过光耦TLP250的隔离，经推挽式结构输出，得到 的电平信号通过IRF540进行功率放大，经过放大后可在波导丝上产生16～20V的PWM信号； 信号处理电路包括差分放大电路，比较电路和计时电路，检测装置3的信号采集端31和信号 采集端32采集到的信号接入信号处理电路的差分放大电路的两个信号输入端，放大后的输出 信号作为比较电路的输入信号，经过比较电路之后能够获得5V的电脉冲，此脉冲信号作为计 时电路的终止信号，完成时间计时后，时间数据将会被控制系统读取，可以在液晶上显示。 其中差分放大电路和比较电路均采用典型的电路结构设计，分别选择OP37芯片和LM393芯片 实现功能，计时电路采用的是ACAM公司的TDC-GP2芯片。

图2为传感器工作原理图。其中，ATmega16A单片机可以输出稳定的频率在1000Hz～2000Hz, 占空比为0.5%的PWM起始脉冲，该起始脉冲同时作用于硬件电路系统1的功率放大电路和计 时电路的输入端，启动计时器开始计时，波导丝5连接在功率放大电路的输出端，经过放大 后的激励脉冲信号作用于波导丝5上，并沿着波导丝5的方向传播，在该激励脉冲的作用下， 会在波导丝5上产生环绕波导丝的周向磁场，由定位磁铁组成的浮子8会在传播方向产生一 个轴向的磁场，当两磁场相遇时，会使波导丝产生扭曲形变，从而激发扭转弹性波，弹性波 以恒定的超声波速向波导丝5两端传播，超声波被固定在波导丝5上的信号检测装置3接收 转化为电信号，该信号经硬件电路系统1的信号处理电路后形成电脉冲，被送到计时器，作 为计时器的终止信号，前阻尼装置2和后阻尼装置9分别选择长度为15mm和25mm，直径为 7.5mm的圆柱形橡胶棒，阻尼装置可用于吸收和衰减扭转波信号。多余的回波信号被安放在 波导丝两端的前阻尼装置2和后阻尼装置9吸收，超声波在波导丝5中是以恒速传播的，因 此只要测量出脉冲发射与脉冲接收之间的时间间隔，乘以波速，即可得到浮子8的位置，实 现液位的测量。这个过程是连续的，所以，每当浮子8移动时，新的位置就会被测出来。

图3为检测装置2的结构示意图。扭转波检测装置采用结构简单、非接触测量、成本低 的线圈检测方式，检测装置2由线圈a、线圈b、线圈骨架34、信号采集端31、信号采集端 32以及公共地端33组成。线圈骨架34选择稳定性好、膨胀系数小的非铁磁性材料，线圈骨 架34外径为4.5mm，内径为2.8mm，将线圈骨架34安装在中锐智诚公司设计的专用的卡槽内 部，为了减少高频噪声信号的干扰，将线圈设计成双线圈差分检测形式，线圈a和线圈b的 绕制方向相同，在线圈骨架34上都缠绕500匝线径为0.06mm的漆包线，将线圈a的末端和 线圈b首端相连，作为中间的触头33，此触头33和模拟信号的地相连，两端的触头31和触 头32作为信号的采集端，可实现两路差分信号的采集，配合差分放大电路，不仅避免了高频 噪声信号的干扰，同时还可以增强有效信号的强度。

图4为浮子8的结构示意图。浮子由固定螺栓41、铝制圆环42，永磁铁43，不锈钢管 44组成，其中，三个永磁铁43被安装在铝制圆环42上，互成120度，铝制圆环42通过螺 栓41固定在不锈钢管44上。其中不锈钢管44内径为16mm，长度为55mm，铝制圆环42内径 为20mm，外径为36mm，长度为12mm，永磁铁43为直径8mm，高度为15mm小圆柱体结构。活 动浮子8套在测量杆7上，工作时浮子8可以随着液位的变化而上下浮动。此设计一方面大 大减轻了浮子的重量，另一方面可以产生稳定的沿波导丝方向的轴向磁场。在永磁铁的作用 下，沿着波导丝的方向上会产生轴向的磁场，该磁场与激励脉冲产生的周向磁场相遇时，两 磁场会发生矢量叠加，激发波导丝发生机械扭转。

图5为实验结果。在水温10℃的条件下测量水面的液位，通过改变浮子8的位置，就可 以得到扭转波信号从浮子8传播到检测装置3所需的时间间隔，也就是扭转波信号从水面传 播到检测装置3所需的时间间隔，扭转波信号作为机械波信号传播速度是恒定的，为2850m/s, 因此在实验中得到的时间间隔的基础上乘以扭转波信号的传播速度，就能够测量水面的深度， 实现液位的测量。在实验过程中选取的传感器的量程为650mm，浮子每滑动50mm做一次时间 间隔采样，通过ATmega16A单片机的控制,我们可以显示得到浮子的位置与对应的时间间隔的 关系，选取纵坐标为采样时间间隔，横坐标为浮子8的位置，从图中可以看出，在所设计的 检测装置和浮子的作用下，浮子位置的变化和采样的时间间隔基本呈线性关系，确保了测量 的精度，保证了Fe-Ga材料作为磁致伸缩液位传感器波导丝材料的可靠性。

本发明未尽事宜为公知技术。