（测试计量技术及仪器专业论文）振动式液料位仪硬件的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 容器的料位是生产、生活和科学实验中的重要参数。实现料位自动测量的方法很多，它 们都在特定的范围内得到了很好的应用。但是在物料位测量中如果被测对象具有易板结，易 结晶，易黏附等物性时，许多测量方法都将不再适用。较好的测量方法是完全非接触测量。 对于大型金属薄壳罐，通过理论分析与实验研究，我们开发了种以冲击与振动的方法 进行测量的新型完全非接触式物料测量方法：测量、分析冲击振动在金属罐体上产生的机械 波来确定物料深度的方法。本文阐述了这种冲击振动式液料位仪的主要原理。另外主要论述 了针对冲击振动式液料位仪原理所设计的各种硬件及计算机外围设备的设计思路和实现过 程中所遇到的各种困难。特别是重点对整个仪器中较为重要也是较困难的小信号放大和功率 放大两部分进行了较为详细的说明。最后还通过“冲击振动式液料位仪”整体实测物料位 试验的结果说明了本仪器在方法上是有效、可行的，实际实现设计整体思路的硬件和计算机 外围设备是实用和可靠的。 关键词：液料位仪，小信号放大，功率放大，电磁感应 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a t e r i a ll e v e lo fb i gv e s s e li sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri no u rm a n u f a c t u r el i f ea n ds c i e n t i f i c e x p e r i m e n t a t i o n t h e r ea 托m a n yw a y st or e a l i z a t i o na u t oi n e a s u r e ；w ec a l lo f t e nr e c e i v eg o o dr e s u l tf r o m u s i n gt h e s ew a y si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s b u ts o m e o ft h e mb e c o m eu s e l e s sw h e nt h eo b j e c t so fm e a s u r eh a v e t h ec h a m c t e mo f e a s yt 0h a k l e n e a s yi oc r y s t a lo r e m p l a s t i c w e d e v e l o p e dan e we n t i r e l yc o n t a c d e s sw a y t on l e a s u r et h em a t e r i a ll e v e lb y a n a l y s i st h er a e c h a n i c a l w a v es p r e a do nt h ew a l lo f t h ev e s s e l t h i sp a p e r e x p a t i a t e su p o nt h ep r i n c i p l et h e o r yo f t h ei n e s l l r cm e t h o d a n dt h ed e s i g ni d e a sa n dd i f f i c u l t yi nm a l i z a t i n nt h e s ei d e a so f a l lh a r dw a r e sa n d c o m p u t e r p e r i p h e r a l e q u i p m e n ti nt h i sm a t e r i a ll e v e lm s u r c i n s t r u m e n ta l ed i s c u s s e di nd e t a i l t h sp a p e r e s p e c i a le x p l a i n st h e m o s ti m p o r t a n ta n dd i f f i c u l t yp o i n t so nh o wt od e s i g nt h et i n ys i g n a la m p l i f i e ra n d p o v m ra m p l i f i e r a t l a s tw e p r o v et h a tt h ep r i n c i p l eo f o u r m a t e r i a ll e v e li i t a s u i ci n s t r u m e n ti se f f e c t i v e l ya n dt h eh a r dw a r e st oa c h i e v e t h et h e o r yi sc o n v c m c n c ea n dh i g h l yr e l i a b l e k e y w o r d s ：m a t e r i a ll e v e lf f l e a s u r ei n s t r u m e n t 。d n ys i g n a la n s p l i f i c a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o n - i i 东南大学硕士学位论文 关于学位论文使用授权说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名 导师魏彩一f i , i 调：2 0 0 3 3 东南大学硕士学位论文 学位论文独创声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：2 0 0 3 3 东南大学硕士学位论文 第一章、绪论 容器的液料位是生产生活和科学实验中的重要工艺参数。实现液料位自动测量的方法很多，浮子 式、电容式、超声波式和光纤式等等。都在特定的范围内得到了很好的应用。存放物料和液料的容器 基本上都可以归结为：大型金属薄壳罐。测量这些金属罐的液料位。不仅是安全生产的需要，也是企 业实施内部结算。提高科学管理水平的需要。因此国内外已经有大量不同原理不同档次的液料位测量 装置，但是我们的测量装置有它自己独特的优势例如：完全非接触式的测量，使用安全可靠性高等。 1 1国内外液料位测量装置的研究现状 对液料位特别是固体料位进行在线的非接触式测量是一个世界级的难题，世界各国都没有一个特 别好的方法来解决所有的固体料位测量问题。我们查阅了大量的资料，现在将我们能够找到的具有典 型意义的液料位仪按照测量介质的不同分类并和我们设计的振动式液料位仪作一个比较。 1 、红外光学物位开关：这类仪器是以红外线作为测量的介质，它们的主要优点是测量装置简单， 安装方便，降格低廉。不过这类液料位仪只可以检测到液料的有无得到的只是一个表示有无的开关 量。红外光学物位开关的典型产品是o l s 2 2 型红外光学物位开关。可用于易燃的、有毒有害或腐蚀 性液体和固体块料。适用于爆炸危险区域。 2 、片式咀及倾斜开关式物位开关；这类开关是采用接触式的方法测量物料的有无，它们既不能给 出料位的具体深度又是一种接触式的测量方法唯一的优势只是测量装置简单，价格低廉。典型的产 品是5 0 1 系列防爆膜片式物位开关及n e m a 4 x 2 0 - - 4 3 型倾斜开关。 3 、放射性物位测量仪：射性物位测量仪是以具有放射性的高能射线来测量物料位的。这类测量仪 器的典型产品是采用盖革- 弥勒管计数器、g a m m ap i l o t 变送器及源盒组成的d g1 7 ( z ) 2 7 ( ，z ) 型料位仪 和h g l 3 2 3 、h g l 3 4 1y 料位计和q g0 2 0 1 1 0 0 放射线测量仪等。这类测量仪采用非接触检测方式可用 于储罐、搅拌器、反应器、煤仓和筒仓内的限位检测。特别适高温、高压、粘性、腐蚀性、毒性物料 料位的在线测量。不过它们的缺点也是非常明显的：安全性得不到保障，高能射线有可能对人体造成 不必要的伤害。 4 、声波物位测量仪：这也是一种非接触式的测量方法，采用在空气中传播的机械波作为测量介质。 优点是适用于对稀薄的液体、悬浮液及乳状液进行限位探测而且可以适用于金属、瓷漆、玻璃、塑 料等材料的罐体透过罐壁进行限位探测安装简便，无需过程连接测量不受过程压力影响。不过不 能在罐内有粘结和气层产生的场合进行测量，也不能用于p v d f 、p t f e 等材料的罐体，以及带双层罐 壁或塑料衬里的罐体。典型的产品是n i v o p u l sf d u 1 0 s 。 5 、重锤料位计：重锤料位测量方法是一种接触式的测量方法但是这类产品有其特有的优势，那 就是它可以对固体和气体分界线不是特别明显的各类罐体进行料位测量。特别是在各大水泥厂得到了 非常广泛的应用。这种测量方法的典型产品是s z l 系列产品。 6 、雷达料位计：雷达料位计是采用高频电磁波作为测量介质的非接触式测量方法。它们的优势在 于这是一种干净节能的非接触式测量装置，安装方便价格适中。缺点在原理方面：天线以波束的形 式发射最小5 8 g h z 的电磁波，反射回来的信号由天线接收雷达脉冲信号从发射到接收的运行时间 与天线到介质表面的距离以及料位成比例。这样的测量原理造成它们不能对固体和气体分界线不明显， 粘稠的物料进行测量，另外由于罐体内部物料平面不一定非常平整也势必带来测量误差。典型的产品 是v e g a p u l s 5 0 雷达料位计。 1 2 各类液料位仪存在的问题和论文的研究内容 在长期的使用中现有的各类液料位测量方法暴露出了致命的缺点。它们有的是接触式测量，测 量部件与介质接触必然使其故障维修很困难，常过早的报废；另一方面，接触式测量必然受温度、压力、 湿度、腐蚀性、蒸汽、液料面波动等工况及介质黏度，密度等的影响。另外一些非接触式液料位仪也 1 东南大学硕士学位论文 不能算作是“完全非接触式”的液料位仪，它们都需要在被测罐体内的某些发生装置放射出某些 测量介质( 如电磁波、g r a m m a 射线、红外线等) 来对物料进行探测。园此当被测对象具有易板结， 易结晶，易黏附等物性时，以上几乎所有的测量方法都将不再适用。而且由于探测只能是在一个或某 几个点上进行不一定能够代表所有的物位，带来了受物料物理性质影响的测量系统误差a 较好的测量 方法是完全非接触测量。本课题的目的就是要研制一种不受工况影响、容易维护并能达到一定精度的 完全非接触式液料位测量装置。 目前仅有两种完全非接触式测量方法：放射式和称重式。这两种方法都有其各自的局限。放射式 料位计需要高能v 射线穿透被测容器，其运行中的安全防护与放射源的存储等是这类仪器的主要困难。 称重式料位测量仪器对介质密度有直接的依赖，需要有己知且稳定的介质密度，这在固体介质的测量 中往往很难满足。另外由于需要测量整体容器的重量，对容器的结构、连接等有严格要求。限制了这 类仪器的安装使用。 在此之前，我系很多老师同学在这个领域进行了许多有意义的工作主要在分析冲击式液位仪的 回波信号方面进行了很多有意义的工作。测量的基本原理是通过容器外部的激振器产生机械激励波， 经过传播后，携带容器内界面情况的信息被传感器所接受，通过一系列的建模与分析，以获得液位 的信息但是这种测量方法目前还有很多困难没有得到根本解决，主要要克服的困难有以下几点： 1 、冲击回波式测量算法必须在罐体之外挂接导轨，对于较大的罐体安装导轨很困难，且必然影响 精度。 2 、必须进行多次冲击测量且每次测量所得的大量数据都必须进行小波分析，这样造成测量分析 速度很慢，特别是较大的罐子几乎没有使用价值。 3 、分析算法太复杂。不利于推广和实时测量。 4 、控制、测量数据分析装置都是基于p c 机的实验装置，不实用，没有推广的意义。 5 、激振信号在频域内范围很宽，且该冲击对罐体的影响是不可知的。所以冲击可能会对罐体造成 不可恢复的损害，且冲击时发出刺耳的声音，对环境是一种污染。 为解决以上提出的所有问题我们进行了很多积极地尝试，也取得了一定的进展，本学位论文主要 就是对我们在这些尝试中遇到的问题，特别是硬件方面的问题进行分析和研究。 通过理论分析与实验研究，我们研究并实验了一种以冲击与振动的方法进行测量的新型完全非接 触式物料测量方法，本方法不使用高能射线，没有放射污染，不依赖被测介质密度，对容器结构没有 要求，全部仪器安装于容器外部与被测界面上下两种介质都不需接触，且仪器在硬件结构上高度冗 余，具有较高的可靠性，是一种干净，方便，廉价，适用广泛的新型料位测量方法，得到界面信息。 为了能够进行完全非接触测量，我们选择使用低频机械波可以从容器外壁产生与接受，不但容易产 生，容易检测，而且容器及被测介质对波的衰减小，在大量程时这一点尤为重要。 我们首先考虑使用如图1 1 所示的第一种测量原理结构。 传感器安装在容器外壁，自顶而下垂直均匀排列。激振器在一点激振，分析从各个不同的点采集 到的机械波形。 图1 1 第一种测量结构原理图 2 塞塑查兰堕圭兰垒丝茎 首先假设振动在有液料或没有液料的地方传播的速度是各自不变的，这样就可以通过分析波在不 同传感器之间传播的时间来计算液料的位置。不过在实践当中我们发现这种方法不能满足设计的要求。 一方面是振动的机械波在桶壁上传播的速度只因为有无液料的不同而有所差异这个假设不一定正确； 另一方面是传感器的冗余都不足。致使测量的精确性不高。 作为改进我们考虑到激振器的制造成本很低。如果采用多激振器多传感器的结构应该可以改善测 量精度，于是我们又采用了图1 2 所示的测量结构原理图。 图1 2 第二种测量结构原理图 激振器安装在容器外壁，自顶而下垂直均匀排列。传感器为加速度传感器，通过永磁铁基座吸附 在容器外壁上，同样自顶而下垂直均匀排列。采用这种多个激振器和传感器分布排列方式，各激振器 与传感器组成冗余多传感器结构，经过多传感器信息融合，不但扩展了量程。更具有硬件上的容错能 力，提高了系统可靠性。并且，冗余的信息也大大提高了测量的精度。数据的可靠性和仪器的抗干扰 能力。 本论文在以后各章中将分别介绍； 1 、冲击振动式液科位仪传感器调理电路的设计； 2 、激振器的设计： 3 、功率放大电路的设计： 4 、冲击振动式液料位仪计算机接口电路的设计。 在此之前先要介绍液料位仪的工作原理。 1 3 冲击振动式液料位仪的原理 对于测量使用的低频机械波的传播，我们可以把容器壁看作具有一定单位面积质量，具有各向同 性的剪切弹性模量，各向均匀的薄板介质。由于是连续均匀系统，从分布参数的角度观察介质，可以 看作为许多个相同参数的质量弹簧阻尼二阶单自由度系统的级联结构。由于容器容积有限， 特别在空容器时阻尼很小，容器各部分都对容器的振动情况有影响。为了达到高的空间分辨率，要 求使用短持续时间的激励脉冲。而对容器特性的了解我们知道只有窄的频率段对容器内的料位状况 反应敏感。测不准原理制约了我们同时在频域与时域获得高的分辨率，即： t u c 其中t 是时间分辨率，是频率分辨率c 是光速。 我们采用m a f l e t e ，j x 波母函数仅做伸缩作为激励信号函数： s “1 = a e l 口，c o s ( 2 n r l t ) 在频域这个信号变换为： 东南大学硕士学位论文 s ( ) ：垂( e 一* 2 托一击( 2 ) 叫口，7 如果对传感器接收信号做消回波处理，仅以直达波作为响应，这样对于激励远处未波及的容器壁没 有参加振动所以整个容器壁可以看作为无限个质量弹簧一阻尼二阶单自由度系统的无限长级 联结构见图i 3 。 图1 ，3 质量一弹簧一阻尼模型 这个无限个质量弹簧阻尼二阶单自由度系统的无限长级联结构的特征阻抗： z：sm+、m(szm-i-4(sc+k) 2 m ( s o + 置1 m 位质量，c 位阻尼系数，k 位弹簧的弹性系数。 这样我 l i e u 道了第n + l 点和第r l 点的位移之比为： p ( s ) = i x n + l2 砸再( s c 面+ k 丽) z 另一方面我们知道x 点的跨点导纳具有以下简洁的形式： e ( 耻南 这样由以上两式我们也得到了第n 点的跨点导纳的简洁形式： l ( s ) = k ( s ) p ( s ) ”2 当我们知道了激励信号在频域的形式以及第n 点的跨点导纳以后求取第n 点的响应也变得易如反 掌： 以( s ) = k ( s ) s ( s ) 对上式两边求模得到了任意点的振动幅值表达式： = i u s ) l ：l y , l l s i 再将y 。( s ) 的表达式带入得到了实用的任意点幅值的表达式： “( 厅) = 够“ 其中的b 和e 分别是由图13 质量一弹簧一阻尼模型所示模型相关的常数决定的常量。当容器内壁与物 料接触时，可以认为由于其振动质量增加，振动阻尼增加，月h 度则忽略其变化。认为不变。这样我们 可以看到jy 。( s ) j 和i p ( s ) l 都在减小也就是说b 和e 分别减小。这可以从日常经验中得到验证：装满沙 子的桶不如空桶敲击起来声音大。我们应当在n 点接收到的信号频域中的模的最大值我们称其为信号 指数。容器内有物料和没有物料时有不同的参数b 。、b ：和e 、e 。我们使用图1 1 0 所示的激励器 和传感器矩阵，建立多输入，多输出的测量系统。将n 再换算为距离群( f ) = u ( k n ) 即可建立起测量系统 的模型： 4 瓤 东南大学硕士学位论文 y = u k s 其中，= ( ；i ，歹：；。) 7 ，砖为第i 次测量传感器信号指数向量。瓦为激振器效率系数向量( 试验中激 振器为自制电磁激振器，离散性较大，需要校正) 。( 1 1 ) 式为一含有参数b 、bz 、e 一、ez 和k 的多元高阶不相容矩阵方程，在其最小二乘意义上以网格法配合迭代法求其近似最佳数值解。求得全 部参数后模型即可确定。测量时根据模型，将测量数据与不同料位时的模型信号指数作比较，即 可得到误差最小时的料位。 东南大学硕士学位论文 第二章、冲击振动式液料位仪传感器调理电路的设计 由于我们设计的整个装置是工作于情况较为复杂的工业环境当中，而测试的性质决定了测试使用 的低频机械波在物料位之下必然衰减的很快，这就给调理电路的设计提出了较高的要求：第一要尽量 提供一个放大倍数很大而且倍数可调的信号采集、放大系统以适应液料位以下不同深度测试的要求。 第二为了保证微弱的测试信号不受到工业现场的电磁干扰，必须要做好隔离和抗干扰措旖 下面分成几节来从不同方面讨论调理电路的设计问题。 2 1 传感器电源的设计 按照振动测量的习惯我们选用加速度计作为我们测量的对象。我们选用的是上海北智公司的加速 度传感器( 其外形如图2 5 所示) ，这个传感器的特点是：频率测量范围宽。调理电路简单，省电，最 重要的是它可以在强磁场环境下工作，这一点对于我们来说是非常重要的。 北智公司的这一款加速度传感器需要一个恒流源作为其供电电源，当然这个恒流源电源只能由整 个调理电路的恒压源电源转换而来因此这个转换装置的频率响应、温度漂移、时间漂移、噪声都将 直接影响到传感器及调理电路整体的频率响应、温度漂移、时间漂移、噪声。 组成恒流源的方法很多可以使用运算放大器、三极管、场效应管等很多方法来构成恒流源。在 经过仔细思考以后我们初步提出了如图2 1 - 2 4 所示的几种恒流源电路。 v c c 图2 2 使用单个晶体管设计的恒流源 6 东南大学硕士学位论文 稳压= 极 v c c 图2 3 使用运放和场效应管设计的恒流源 + v i n b a s i cc u r r e n ts o u r c e 载 图2 4 恒流源集成电路l m x 3 4 示意图 比较这四个电路我们可以发现它们各有所长，图2 1 所示的由一个运算放大器组成的恒流源特点是 结构简单，实现方便不需要调试，稳定性好。但是其动态和静态性能都受运算放大器的限制，不可 能达到太高的随时间和温度的稳定性，动态性能也因为运算放大器的带宽影响而非常有限。图2 2 所 示的由一个三极管组成的恒流源也具有电路简洁的优点，但是使用过程中还应该根据不同的三极管和 恒压源的特性进行一定的调试。它的显著特点是动态性能优越，可以说在考虑恒压源是理想的这种情 况下这个恒流源的带宽和噪声就是一个三极管的带宽和噪声。当然这种设计的缺点也是明显的，首先 其直流精度明显的受三极管发射结的影响，更为致命的是在整个电路的负反馈中由于没有极大倍数的 放大环节，使得这个极易受温度、时间、个体之间差异影响的发射结压降很容易就耦合到了恒流源的 输出。毫无疑问就整个电路的随时间、温度的稳定性和精度而言图2 3 所示的电路无疑都是最为优异 的，它综合了图2 1 和图2 2 在改善直流特性方面的优势，可是由于引入了较多的环节其缺点也是非常 明显的动态特性大打折扣。由于有多个环节其带宽只可能比所有环节之中最低的一个还要低而噪 声却是所有环节噪声的叠加。而且由于环节数的增多势必大大增加安装和调试的难度。采用图2 4 所 示的恒流源集成电路l m 3 3 4 也是一种非常不错的选择，它接线简单，精度高，时间和温度漂移都非常 小。 根据电路实现简单，调试方便，元件易于购买的原则我们首先选择了如图2 1 和图2 4 所示的电路， 图2 i 中由运算放大器构成的恒流源，在使用中我们明显的感觉到组成恒流源运算放大器对整个信号 7 东南大学硕士学位论文 调理电路的影响因为这是整个调理电路系统的前端，由它所产生的噪声、时间漂移、温度漂 移都将被后面的隔离和放大电路上万倍的放大，即使我们选用目前市面上所能购买倒的最精密的运算 放大器，其噪声、时间漂移、温度漂移经过放大后亦将远远的大于我们后面选用的信号放大电路所选 用的低噪音精密运放a d 6 0 3 ，使得我们所选用的高精度信号放大器变得没有意义，而且对于运算放大 器而言其带宽和精密性是矛盾对立的，既有非常高的精度又有一定的带宽的运算放大器势必价格惊人。 图2 4 所示的恒流源集成电路l m 3 3 4 在使用中我们发现其带宽不够宽，仅在1 兆左右，与我们的放大 级9 0 兆的带宽还有很大的差异，故也不予考虑。至于图2 1 3 所示的电路虽然获得了较高的时间和温度 稳定性，但其缺点更是非常显著以致于我们根本没有考虑采用。首先这个电路同样没有办法解决图 2 1 中我们所提出的运算放大器的问题；其次这整个电路的带宽由于场效应管的引入必然受到场效应管 和布线的影响，使其带宽更是难以接近后级放大器a d 6 0 3 九十兆带宽的性能：最后为了提高电路整体 的温度稳定性我们没有选用晶体管而是选用了耗尽性的n 沟道场效应管，目前市面上比较容易见到的 是功率型的耗尽性n 沟道场效应管( 如：l r f 5 4 0 ，i r f 6 4 0 ，i r f p 2 4 0 等等) ，这类的场效应管体积大，额 定功率高，额定电流大、带宽窄显然不符合我们对前级调理电路电流小、精度高、带宽宽的要求。所 以图23 所示电路也不适宜选用。 经过以上所述的多次比较我们还是选用了图22 所示的单晶体管式的恒流源，这个电路的缺点是精 度受不同个体的晶体管的个体差异限制而造成精度不够高，而且对时间和温度的稳定性也不够高。仔 细思考这些缺点不是不可以克服的。首先，我们测量的振动信号是一个动态的信号，关键的是相对变 化的幅度的精度而绝对大小的精度似乎并不十分重要，即使因为晶体管个体的差异使得恒流源的电流 有所不同，这种绝对大小的差异对结果的影响也不明显。其次，任何一次的测量从开始到结束时间都 不会超过三十分钟在这段时间内所能产生的对时间和温度的漂移可谓微乎其微。不足以对结果产生 影响：当然两次测量之间的时间可以非常漫长，足以产生巨大的时间和温度漂移不过由于它们属于不 同次的测量，它们的差异就只能算是绝对大小的差异，如前所述这种差异是不太重要的。最后，传感 器对恒流源的电流要求并不太高仅为4 m a 左右，可是对恒流源的电压要求却较高达到2 4 v ，这个电压 对于一般双电源运放的单边电源是个较高的要求( 一般双电源运放如l m 3 1 8 , u a 7 4 1 等的极限单边电 源仅有1 8 2 0 v ) 。而采用单个晶体管却可以非常容易的达到这个要求。 当然图2 2 所示的恒流源电路只是一个原理示意图，要变成一个符合实际应用要求的电路还需要进 行一定的改进。首先因为传感器是导体的全钢制的外壳如图2 5 所示。 图2 5 加速度传感器 这个铸感器将被直接贴在被测量钢罐的表面也就是说直接接地。这就要求传感器诵理电路的参考电 压是“地”，而图2 2 所示的电路显然达不到这一要求。如果使用图2 2 所示的电路，并且调理电路的 地接火地的话提供恒定电流的晶体管将被短路而起不到恒流源的作用。为此我们决定选用p n p 型的 晶体管和正2 4 v 的电源，为提高恒流源对恒压电源的抗干扰性，采用了旁路电容改进后的电路如图 26 所示。 8 东南大学硕士学位论文 图2 6 实际电路当中使用的恒流源电路 至此我们完成了恒流源基本电路的设计，下面我们要解决的是恒流源所需要的恒压源电路的问题。 前面已经提到过，这一款加速度传感器所需要的电流并不大，但是必须要能够给负载提供高达2 4 v 的 电源。+ 2 4 v 的电源并不是我们所常用的一种电源以我们设计的这个传感器调理系统为例这个系 统只需要正负5 v 的电源。当然我们可以用变压器产生大于2 4 v 的交流电( 尽管这样的变压器已不常 见) 然后再用2 4 v 的三端稳压模块产生2 4 v 的直流电源。但是如果我们需要正负5 v 的直流电源有两 种方法：其一，从2 4 v 用5 v 的三端稳压把电压降下来。其二，使用另外的变压器产生正负5 v 的直 流电源。第一种方法的问题是效率，从2 4 v 降到5 v 效率在百分之二十以下，而且我们主要消耗的电 流是在正5 v 的电源上( 加上后级的光耦隔离器我们对+ s v 电源的要求大约是几百m a ) ，将在+ s v 的三端稳压上产生近1 0 w 的功耗，这是一件非常讨厌的事，需要四个较大的变压器和散热片，所以我 们没有采用。第二种方法的缺点是变压器的数目太多：因为需要前后隔离，各通道隔离等原因，我们 如果采用这个方法将需要四个以上的变压器。这使设备变得非常复杂而沉重是我们所不愿看到的。 为此根据恒流源要求电流不大的特点我们设计了如图2 7 所示的一个升压电路。 图2 7 三倍升压电路 这个电路采用双9 v 的交流电源供电，工作时一个变压器分别从a 端和b 端提供相位相反有效值 为9 v 的交流电压，当a 点电压高于b 点时二极管d 1 2 和d 1 4 正向导通。d 1 1 和d 1 3 反响截至，这 样电容c 1 9 就被有效值为1 8 v 的交流电充电：同理当b 点电压高于a 点时二极管d 1 1 和d 1 3 正向 导通，d 1 2 和d 1 4 反响截至，这样电容c 1 8 ，就被有效值为1 8 v 的交流电充电。也就是说假设这个电 路的负载趋于0 的话，电容c 1 8 和c 1 9 分别获得了相对于a 点和b 点的有效值为1 8 v 的电压。这样 这个相对电压有效值再加上从电源a 点或b 点获得的9 v 的相对于地的绝对电压值我们就从电容c l l 0 上获得了，相对于地的三倍于供电电压的有效值的电压，就图2 7 而言即为2 7 v 。 这个升压电路的缺点就是所能够提供的电流非常有限，不过我们所需要的相对于地为2 4 v 的恒压 源电流并不大，1 0 m a 即可，另外这个缺陷可以通过加大电容c 1 8 c 1 9 c 1 1 0 来在一定程度上加以 弥补。 9 东南大学硕士学位论文 2 2 小信号放大电路的设计 对于振动信号放大也应该有一系列要求，在设计中应该注意：因为考虑到振动信号在料位以下衰 减得非常迅速，所以在料位以下较深处振动信号会变得非常微弱。因此我们的小信号放大器的放大倍 数应该可以在非常宽的范围内进行调节：既可以衰减信号( a v p 也可以用非常大的倍数来放大非常 徼弱的信号 1 3 罐形磁芯，用它制成4 m l - i 的电感时，只要绕4 3 匝线圈就行了，如不用罐形磁芯， 改为空心线圈，须绕6 0 0 匝才能得到4 m h 的电感器。由此可见使用了磁芯后可大大缩小电感器( 激 振器) 的体积。 铁氧体磁芯的材料牌号较多几何形状也繁多有柱形、工字形、帽形、单空、双空、四空、u 形、罐形、e 形、e i 形、e c 形、r m 形、p q 形、e p 形、每一种形状的磁芯自成一系列，供用户选用。 软磁铁氧体材料科分为两大类：镍锌材料和锰锌材料。一般镍锌材料的初始磁导率p 约为l o 至 1 5 0 0 。使用频率从5 0 0 k i - i z 到几百m l - i z 。一般锰锌材料的初始磁导率约从4 0 0 至1 0 0 0 0 ，使用频率从 几千h z 到5 0 0 k h z 。 现将几种常见的磁棒的性能罗列如表3 2 ： 表3 2 常见铁氧体磁棒性能 材料牌号工厂牌号使用频率初始磁导率 r 4 0 0m x _ 4 0 01 ，6 m 以下4 0 0 士1 0 0 r 6 0n x 6 01 2 m 以下印+ 1 5 2 0 r 4 0n x 4 02 6 m 以下4 0+ 1 0 一1 5 国内生产铁氧体铁芯的厂家很多，产品的命名方法各不相同，有的铁氧体材料命名为 n x o 一1 0 ，m x o 2 0 0 0 等。n x 0 1 0 材料中的n 表示镍，x 表示锌，o 表示氧化物，l o 是初始化磁导率， 一般称这种材料为镍锌1 0 ：m x o 2 0 0 0 材料中m 表示锰，x 表示锌，o 表示氧化物，2 0 0 0 是初始化 磁导率。按照国际规定。铁氧体材料的命名方法是r x ，其中r 表示软字汉语拼音的第一个字母， x 表示初始磁导率即材料特性。 3 8 查塑查堂堡主兰垡垫皇一 曰曰 擘孔 碴舀 b ：嚣 、卿 直 哟眵 够哟 图3 5 各种形状的铁氧体 铁氧体生产厂一般都提供磁芯的电感系数a l 的数值。在常用的线圈中。a l 与电感量及匝数有下 列关系： a l = l n 2 ( 1 0 ) l 是加上磁芯后的电感量，单位是微毫亨( n i - - i ) ，n 表示匝数。a l 的单位是n i l 匝2 如果已知磁芯的a l 值和需要的l 值，则可计算出所需要的匝数。 n = ( l a l ) 1 。 由于生产厂提供的a l 值为最小值，所以绕成的电感器的l 值一般比上式的计算结果大，还要根据 需要调整。 3 3 激振器电路设计 激摄器电路的设计应该和整个振动式液料位仪的设计思路密切相关。由于单点激振多点采集方法 在设计过程中的失败，我们不得不采用多点激振多点采集的方法。这就要求我们的激振器不但可咀由 计算机控制激振信号而且可以由计算机同时控制多个激振器的激撮时间和顺序而且最好还是可扩展 的( 即能够方便的增加和减少激振器的数目) 。因此如接1 3 电路一章所述，我们设想将所有激振器和放 大器作为外设进行统一编址。这样做有几个优点，方面，在不改变主测量计算机软件的情况下可以 非常便利的改变激振器和放大器的地址和顺序：另一方面，可以灵活地扩展或减少激振器的数量。 鉴于上述根本条件和基本设计思路，有两种激振器的设计思路。其一、在一块印制电路板上对多 3 9 鹃噼昏固枷 瓣 臂鬯口席 同u 岍口 墨壹查兰堡主兰垡堡苎 个激振器( 最多可多达2 5 6 - - 4 = 2 5 2 个) 进行统一的译码，根据译码的结果再分别驱动给各激振器工 作。由这种设计思路我们设计了统一译码电路。它的缺点是非常明显的它不具有可扩展性，一旦 统一译码电路板做好后激振器的上限己确定，而且为使我们的振动式液料位仪具有普适性，统一译码 的地址还不能留得太少至少应该在8 个( 三位) 以上。一方面造成外设地址的极大浪费，另一方面因 为每一个电路都有可能通过非常大的电流( 根据功率放大电路的设计应该在1 0 2 0 个安培) 因此控制 这些激振器必须采用继电器，而且不能采用较小的继电器，额定电流至少应该在1 0 安培左右( 2 0 个 安培的电流是功率放大器所能提供的峰值电流，不太可能长时间出现，因此继电器的额定电流可以在 1 0 个安培左右) 这种大电流的继电器不太可能做得太小，这就造成统一译码电路的印制电路板比较大 提高成本且不方便。 针对统一译码电路的缺点我们又设计了逐个译码电路如图3 5 所示。 图3 5 激振器译码电路 这个译码电路的优点是明显的，它克服了统一译码电路最主要的缺点：不够灵活，可扩展性差。 它没有采用常用的7 4 1 s 1 3 8 ，7 4 1 s 1 3 9 等等这些译码器，而是针对这个译码器要求灵活这个特点选择了 比较的方式来译码。这样可以采用如图3 , 5 所示的电路生产多个相同的激振器电路，只要将它们挂接 在数据地址总线上它就会根据总线上的数据和预先设定的激振器地址进行比较式的译码按照计算机 的意图工作或停止，总线上可挂接的激振器数目可以是从零到2 5 2 的任意整数，这几乎可以适应所有 的应用场台。 它的工作原理是以两片四位数字比较器7 4 1 s 8 5 为核心，它们组成一个八位的数字比较器( 连接方 法如图所示) ，这个八位的数字比较器的一个八位被比较数字由计算机所提供的总线给出。另一个八位 的被比较数字由八位d i p 开关及上拉电阻组成。使用时我们先将d i p 开关制成所需要的任意八位地址， 工作时如果计算机提供的八位地址与由d i p 开关预先制定的八位地址一致则高四位数字比较器的相等 输出脚( 7 4 1 s 8 5 的第6 脚) 就会输出高电平。使用这个高电平就可以选通在同块电路板上的继电器， 同时使任一波形发生卡发出激振信号即可使该激振器工作。 当然这种设计除了设计灵活扩展性好，节约制版费用以外亦有其缺点。第一、由于每一个激振 都需要两个集成电路作为译码，相对于同一译码电路采用7 4 1 s 1 3 8 、7 4 1 s 1 3 9 等集成译码器要使用更多 数量的集成电路和电源电流，加大了生产成本和电源的负担。不过这些困难不是不可克服的：首先使 用逐个比较式的译码极大的节约了一个中心统一译码板的大小，而可以采用相同的印制电路板而生产 多个拷贝，不但节约了空间其实也节约大量的制版费用。其次7 4 系列的集成电路是一种非常常见的标 准集成电路。世界各大集成电路生产商均有其系列产品，因此价格非常便宜( 7 4 1 s 8 5 的价格约在l 一2 4 0 东南大学硕士学位论文 元之问) 。因此这个设计并不会因为集成电路的增加而太大地加大费用。最后为减小多个激振器条件下 总的电流激增对电源的负担，我们选用c m o $ 工艺的四位比较器7 4 h c 8 5 ，它的静态工作电流仅有l u a 以下，可以大大的减少电源负担，另外。因为它的输入阻抗非常赢所以预制地址的d i p 开关所需要的 上拉电阻也可以取得小一些，同样可以大大减小电源的负担。 使用逐个译码方式的第二个缺点是因为各个激振器是分离，散布于被测对象的各个高度位置的， 因此要通过总线传递信息给他们，将它们连在一起需要一个比较长的较多根数的总线，这一方面给安 装调试带来麻烦，另一方面使用计算机的较弱的t t l 电平传递信息可能带来不必要的干扰。针对这个 可能出显的问题我们进行了实验，实践证明，在我们试验的工业环境中使用5 v 的t r l 电平传递信息 不会产生干扰现象，当然如果将来要考虑在更加复杂的工业环境中使用这个激振装置还需要采用更加 严密的抗干扰措施。另外即使采用统一译码装置同样存在要将一个经过功率放大的大电流信号长距离 传输的问题，这个信号可能不会受到别的信号的干扰，但是它显然会给别的装置带来电磁干扰。 至于继电器及其控制装置我们采用图3 6 所示的电路。 图3 。6 激振器继电器开关电路 在这个驱动电路中我们使用的是高放大倍数、小功率、低价格的三级管9 0 1 4 ；电阻r e 和电容c 是考虑到可能因为负载的感性太大而加的补偿电路：l e d 是用来观测这个激振器是否正常工作的，当 选通该激振器时继电器吸合发光二极管应该工作，如果没有发亮则该激振器很可能已经损坏。 这个设计最大的失误还是出现在这个电路上，问题出在三极管的接法上，这里采用了三极管的共 集电极接法，这种接法虽然输入阻抗大，频率带宽高，可是放大倍数约等于1 或小于1 。我们采用的 是c m o s 工艺的集成电路和5 v 的继电器。h c 系列的标准数字电路的驱动能力非常有限，且当负载 较大时高电平的电压常常下降的很快。我们使用图3 5 所示的电路时因为集成电路在电阻r 上及9 0 1 4 发射极上的压降使得提供给继电器的电压不足5 v ，以致继电器无法吸台。为不重新制作印制电路板而 克服这个困难我们采取了两个措施，第一采用高质量的7 4 h c 8 5 ，通过试验我们选择了意法半导体( s t c o r p ) 公司的7 4 h c 8 5 ，在我们所选择的1 5 m a 的继电器和9 0 1 4 的条件下它的输出高电平可以达到 4 ，8 v 以上，基本满足要求。第二减小电阻r 的阻值，降低集成电路输出在其上的压降。以致最后我 们取消了电阻r ，而将其短路。最后图3 5 所示电路终于能够正常工作了。 4 l 东南大学硕士学位论文 东南大大学硕士学位论文 第四章、功率放大电路的设计 功率放大电路是为激振器设计的，而激振器是一个近乎于纯电感的电磁铁负载，这就给设计带 来了难度。首先为提高感性负载的激振器的功率，必须使设计能够通过负载及激振器的电流非常大， 有一定的带宽才有可能使激振器对罐体的激励有力而准确。另外，为了使激励响应和激励输入成更加 直观的关系，计划使流过负载的电流和激励输入电压成正比关系，因此将该功率放大器设计为电流反 馈形式。这样做还有一个很大的优势那就是由于全局反馈的形式是电流式的，这个功率放大器就不必 像一般的电压反馈式的功率放大器那样注意过流保护，防止烧坏器件因为它的反馈过程本身就是过 流保护的过程。下面逐一介绍我们怎样实现以上设计要求的。 4 1 设计要求与思路 首先是功率放大基本电路的选择。常见的功率放大电路是使用三极管的共集电极接法，如图4 1 所示。 v c c 图4 1基本单管功率放大电路图4 2 双电源单管功率放大电路 这种共集电极的缺点是显而易见的。第一、输出是单极性的只能有电源的极性( 如图只能是正 极性的) ；第二、负载r l 上除了所须的交流成分还不可避免的有直流成分，造成电路效率最高为 2 二 i s i n 。( x l d x 卫百一= ，提高了对三极管和电路的要求却没有提高性能。 l 2 z + i s i n 。( x l c 6 c 。 j 0 作为一种改进可以使用如图4 2 所示的双电源的单管功率放大电路，这个电路虽然解决了不能 提供极性输出和附带直流输出的缺点，但是为使负半边静态工作点工作正常，必须在负电源边加上 限流电阻r e 。这样的缺点也是显而易见的，那就是正负两边内阻不相等即正负两边的负载能力不相 等负半周的跟随效果不好，信号幅度较大时波形产生严重失真。 利用图4 2 的思路进行改进，按照负向也有一个跟随器起作用的原则，将r e 换成一个p n p 的三 极管，就形成一个双向的跟随电路，如图4 3 所示。 东南大大学硕士学位论文 v c c - v = 图4 3推挽输出的功率放大图4 4 克服交越失真的推挽输出 在有正信号电压输出的基础上，只有t l 管是导通的，t 2 管处于截止状态；而电压为负值时，则是t 2 导通t l 截止。若信号为正弦波则t 1 只放大正半周，t 2 只放大负半周信号，在负载上形成一个完整 的信号。不过这个电路离我们的设计要求还是有一定的差距。首先是交越失真问题，所谓“交越失真” 是指在输入的绝对值小于t 1 、t 3 的导通电压则t 1 、t 3 无法导通，而在零点附近形成的不导通的误差 区域。为克服这个致命缺点只有提商静态工作点q 。使管子处于临界状态最常见的方法是利用二极 管的压降来设置q 点，如图4 4 所示。 在这种状态下基本克服了交越失真，但是它的缺点是不可调节t l 、t z 基极之间的电压，即无法精 确地控制贯穿t 1 、t 2 之间的静态电流。在本设计中这个缺点尤其不可轻视为了使感性的负载在较高 的频率下仍然可以有一定的电流，势必要加大电源电压( 最后实际使用的电源电压是正负5 2 v ) ；另外， 为加大输出电流我们在输入和推挽放大之间又加入了一级电流放大。这就使得较小的t 1 、t 2 基极之间 的电压和贯穿电流i 。将在t 1 、t 2 上产生很大的功耗( 例如，1 0 0 l n a 的贯穿电流将在t l 、t 2 上产生1 0 p 左右的无用功率) 。为此我们采用了另外一种控制t i 、t 2 基极电压的电路“v “放大电路”如图4 5 图4 5v * 放大电路图4 6 恒流源电路 这使得两个基极之间的电压可以精确的被r 。，控制其大小为k 。k 2 = 二二喾其中v 。为 三极管t a 的基极和发射极之间的电压。这样作的优点除了精确的控制功率推挽管的贯穿电流之外还可 以获得t a 的发射结湿度系数，在这样的大功率、大散热电路中起到了温度补偿的作用。 “v n 。放火电路”要正常工作必须要给这个电路一个稳定恒流源，这个恒流源不必提供太大的电 流( 仅须1 0 m a 左右) ，只需要有较高的频率响应能力，因为作为出入级的直流偏置电路其带宽将直接 影响整个功率放