永磁式电磁流量传感器及其信号处理

1、永磁式电磁流量传感器及其信号处理刘可昌，李霞，李斌（上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072）摘要：采用永磁体励磁方式制成的电磁流量传感器，既保持了传统线圈励磁电磁流量计的不易堵塞、无压损等优点，又简化了电磁流量传感器的结构，降低了制造成本，并可充分发挥永磁体励磁方 式的功耗低、响应速度快等优点。同时，引入了动态反馈控制的方法来消除电极信号中的极化电 压，从而使永磁体励磁的电磁流量计应用于一般导电性流体的测量成为可能。关键词:永磁体；电磁流量计；极化；动态反馈*|j l I* y.J. al j r| l中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：167124776 （2007）

2、 07/ 0820213203十理q J “辿%11% X IX |FElectrom agnetic Flow Sensor Excited by PermanentMagnets and Its Signal Process MethodL IU Ke2chang , L I Xia , L I Bin（School of Mechat ronics and A utomation , Shanghai Universit y , Shanghai 200072 , China ）Abstract : An electromagnetic flow sensor excited by pe

3、rmanent magnet s was introduced. It has t he advantage of struct ure simplification , low cost, micro power and quick response. Dynamic feedback control method was presented to eliminate polarization voltage , which made it possible t hat electro magnetic flowmeter excited by permanent magnets was u

4、sed in the measurement of normal electric fluid.Key words : permanent magnets; electromagnetic flowmeter ; polarization ; dynamic feedback 1992009 China Acadtnic Joumal Electronic PublishingAll rights reserved, hltp;/cnki.ncl 1992009 China Acadtnic Joumal Electronic PublishingAll rights reserved, hl

5、tp;/cnki.ncl1引言电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的 一种测量导电性液体流量的仪表，其工作原理是当导电流体在工作磁场中作垂直方向流动而切割磁力 线时,会在两侧电极上产生感应电动势，感应电动势的大小与液体的流速和流量成正比，其中，励磁技术 和信号处理技术是衡量电磁流量计性能好坏的两个 关键技术，直接影响电磁流量计测量的稳定性和精 确度。电磁流量计的励磁技术有两种基本形式：一种是采用交变磁场的形式（包括工频正弦波励磁、低频 矩形波励磁和双频矩形波励磁）；另一种是采用恒定 磁场的形式（包括直流电源励磁和永磁体励磁）1其中交变磁场励磁形式是目前大部分电磁流量计所收稿日期：2007 2

6、04 224Microianteletroiic Fechndcgy/July Augus t 2007采用的励磁技术。采用交变磁场励磁方式的主要目 的是避免电磁流量计的电极产生极化电势，从而使电磁流量计成为测量导电性液体流量的一种通用仪 表。而交变磁场是通过在励磁线圈中加交变电流来 产生，磁场强度越大，流量信号所产生的感应电动势 越大，信号灵敏度越高。因此，一般来说交流励磁模 块的功耗在整个电磁流量计的功耗中占很大的比 重，很难实现低功耗2。而且励磁频率过高时，电磁 流量计的零点容易不稳定；励磁频率过低时，电磁流 量计的响应速度又会变慢 。目前广泛使用的电磁流 量计通常采用低频矩形波励磁方式

7、 ，以牺牲快速响 应性为代价来换取电磁流量计的稳定性和精确性。2恒定磁场励磁技术的研究直流励磁技术是利用直流电源给电磁流量传感213微纳电子技术 2007年第7/8期器励磁绕组供电或者直接利用永磁体（磁钢）以形成恒定的励磁磁场。直流励磁方法简单可靠，受工频 干扰影响小，流体中的自感现象可以忽略不计。尤其是利用永磁体励磁时，不但可以简化传感器的结构,而且励磁部分不产生功耗，极大地降低了电磁流 量计的总功耗。同时,磁钢产生的磁感应强度非常 大（本实验用励磁线圈通 100 mA电流产生的磁场 强度约为10 mT ,而永磁体产生的磁场强度可达 400 mT）,从而使流量信号所产生的感应电动势大 大增加

8、，提高了对信号测量的灵敏度，从而使微小流 量信号的测量成为可能。但是，直流励磁技术的最大问题是直流感应电 动势在两电极表面上形成固定的正负极性，引起被测流体电介质电解，导致电极表面产生极化现象，电极间存在极化电压，使流量信号减弱，甚至无法测得 流量信号。一般来说，反应流速的感应电动势非常 微弱约为0.1 mV/ （1 m/s）,而电极两端的极化电 压可达上百毫伏，远大于反应流体流速的感应电动 势。即使电极采用极化电压很小的铂、金等贵金属及其合金材料，也常常存在微弱的极化电压。故目前直流励磁技术仅限在原子能工业中，应用于导电率极高、流体内阻极小、而又不产生极化效应的液态 金属（例如汞）的流量测量

9、中。目前，消除极化电压的方法大体上可分为两种：一种是研究极化电压的原理，分析两个电极上极化电压的相关性，试图从根本上消除极化电压的影响 ， 其代表有差分对比消除极化电压的方法。但是由于极化电压的随机性，以及目前对极化电压的原理还 不是十分了解，所以其消除极化的效果并不理想。另一种是避开极化电压的原理，设法在不影响流体感应信号测量的情况下将极化电压控制在一个稳定 的值,其代表有继电器电容反馈抑制极化的方法。但是由于电容充放电过程的不稳定性及其漏电现象 的存在，很难精确的抑制极化电压的影响，故本设计 提出了动态反馈来控制极化的方法。3整体设计思路本设计采用永磁体进行励磁，并针对直流励磁 所产生的极

10、化电压大而且缓慢变化的特点，提出了一种动态反馈来消除电极极化电压的方法，即采用对每个电极进行周期性的测量时段与控制时段相交 替的工作方式，使每个周期内控制时段的电极电势 总值等于负的测量时段的电极电势总值，从而有效地抑制电极信号中的极化电压。并且能够直接从两个电极电势信号的差值中得出流体流速值 ,使永磁微纳电子技术2007年第7/8期214 体励磁的电磁流量计能够应用于一般导电性液体流 量的测量。本设计所采用的动态反馈控制极化的原 理图如图1所示。图1中，首先对电极A ,B所采集到的流量信号 进行适当的信号处理，根据极化电压和感应电动势 性质的不同（极化电压变化缓慢，感应电动势变化快），分离出

11、极化电压，然后根据极化电压的幅值和 极性确定反馈量的大小和方向，最终将极化电压抑止到在一个很小范围内变化的稳定数值，消除其对感应电动势的影响。在充分抑制极化电压的情况 下，反映流体速度的感应电动势得到体现，其测量电路的工作原理如图2所示。图2测量电路工作原理图图2中，电极a ,b分别连接模拟开关K1 , K2和测控电路。测控电路包括同相放大器Ka和Kb、加法器、反相放大器Aa和Ab、时序发生器以及采样 保持器S/ H。时序发生器控制采样保持器和模拟 开关的断开或闭合。在控制方波的一个周期内，测量时间段内模拟开关打开，不进行反馈控制，采样保 持器采样电极上的信号;控制时间段内模拟开关闭 合，进行

12、反馈控制，采样保持器保持采样到的信号 值，从而实现了每个电极始终处于周期性的测量时 段和控制时段交替工作的方式，并且保证采样时段和控制时段电极上总的电势为零。模拟开关和采样 保持器的具体控制时序如图3所示1。在每相邻的两个测量、控制时序内，电极a上的 信号在本次测量时序内为Ua（n）,在下一个控制时序内为Ua（ n+1）,由图3可得两者存在如下关系Micronanelectronic FaDhndogy/JulyAugust 2007 1992009 China Acadtnic Joumal Electronic PublishingAll rights reserved, hltp;/cn

13、ki.ncl欖拟开关 8厶 一斷开采样保持器 采样；1111 |11 11 11 11 1111111课持一;L1 11图3模拟开关和采样保持器的控制时序图Ua(n + 1) = - Aa KaUa (n + 1) + KaUa ( n),经化简 后得 Ua( n+ 1) = - Ua ( n) (Aa Ka)/(1 + Aa Ka)。其 中Aa为反相放大器的放大倍数；Ka为前置同相放大器的放大倍数，当Aa Ka卩1时,Ua ( n+ 1)= - Ua (n) o 同理可得，Ub( n+1) = - Ub(n)。由上述推理可知，在保证同相放大倍数和反相 放大倍数的乘积远远大于1的条件下，两个测

14、量电极在每个控制时段的电极电势值等于负的测量时段 的电极电势测量值，从而保证每个周期内控制时段 的电极电势总值等于负的测量时段的电极电势总 值,有效地消除电极信号中的极化电压。两个电极上提取的经过采样保持器后的测量信 号Ua ,Ub作为仪表差分输入信号经信号后续处理 单元后，获得电压 AUe=Ue=Ua - Ub = KBD珚，K 为整个测量电路的放大倍数;B为传感器工作磁场的磁感应强度；D为传感器的管道内径； U经过单 片机处理后，即可直接获得流体的平均流速珔。4硬件实现电路永磁体励磁的电磁流量计的最大优点在于其功 耗低，因此在硬件电路的设计过程中，在满足设计要 求的前提下尽量选择功耗低的元

15、器件。本设计在3.3 V的供电电压下，总的工作电流在 4 mA以下， 并实现了电池供电。本设计总的硬件电路示意图如 图4所示。图4 永磁体励磁的电磁流量计硬件原理图在图4中,永磁体励磁的电磁流量传感器采集 到的流量信号经过信号调理(包括放大、滤波和消除 极化等)后，经由16位带有自动校正功能的X2 型低功耗精密模数转换芯片 ADS1112，把模拟信号转化为数字信号后送到单片机进行软件滤波和数值计 算。在本设计中采用 PIC18L F2520单片机，该款单 片机采用精简指令集(RISC)结构，哈佛总线的存储 结构，而且具有功耗低、性价比高等优点。单片机除 了对模数转换器发送过来的数据进行处理外，

16、还要发出采样保持器L F398和模拟开关CD4066所需的 控制时序，并对按键进行控制，同时把数据处理的结 果送到液晶显示模块 LCM141进行输出。LCM141 是一款新型的压力、流量和温度测量仪表专用低功 耗液晶显示模块。整个电路系统采用XL2205F型19Ah的锂2亚硫酰氯电池进行供电，完全可以满足设计的要求。5实验结果及其分析-it本设计在硬件和软件都调试通过的基础上，在50 mm管道直径的实验装置上进行了大量的实验,并通过与标准的电磁流量计进行对比实验的方法,来确定永磁体励磁的电磁流量计的稳定性和可行 性。实验装置示意图如图 5 所示3。实验装置包括 50 mm 口径管道、永磁体(磁

17、钢)励磁的电磁流量 计、经过标定的ADMACSE交流线圈励磁的电磁流 量计、丫90S22三相异步电机、水泵、水箱和阀门等。ADMACSE 电M 计丫脳-2=帽律少电动机图5永磁体励磁的电磁流量计的实验装置图6是根据经标定的标准电磁流量计所测的实际流速V1和永磁体励磁的电磁流量计所测流速V2的一组实验数据对比图。从图6可以看出，实际流速和测量流速两者之 间有良好的线性关系，基本符合法拉第电磁感应定 理的线性关系。通过MA TL AB进行曲线拟合，可 得两者的关系基本满足V2 = 0.4923 v - 0. 0183。经过多次重复实验发现，虽然每次实验的初始零点略 有差别，但是测量结果都基本满足线

18、性关系。Microianoletroiic Fechndcgy/July Augus t 2007215微纳电子技术2007年第7/8期(下转第221页)4实验研究以聚酰亚胺为绝热材料，利用离子注入工艺制 作电极接触层制备了非晶硅薄膜晶体管室温红外探 测器。工艺流程简述如下：在硅衬底上热生长一层400 nm的氧化层；旋涂三次聚酰亚胺，得到约 60卩m厚度的绝热层；溅铝并光刻得到背栅金属；PECVD低温淀积栅绝缘层SiOx和非晶硅有源层并光刻，源漏接触区进行离子注入，退火后形成电极 接触层，溅铝后光刻源漏电极；最后淀积并光刻SiNx钝化层兼做红外吸收层完成器件制备。图2所示为实际制备得到的宽长比

19、 （W/ L）为50的探测 器的SEM图。图2实际制备得到的插指结构非晶硅薄膜晶体管本研究自行搭建了黑体测试台，对探测器的电压响应率和探测率进行了测试和计算 。沟道长度设 定为10 um ,当W/ L分别为50 ,100 ,200时得到探测率 D3 分别为 1.58 X108 cmHz1/2W-1 ,1.93 X108 cmHz1/2W-1 ,2.02 X108 cmHz1/2W-1 ,说明调节探 测器的宽长比可以改善探测器的性能。5结论基于非晶硅薄膜晶体管制备的室温红外探测器 具有很高的沟道电流温度系数，调节敏感单元的宽长比能够在一定程度上改善探测器的性能。作为一种新型的热绝缘材料，聚酰亚胺

20、制备工艺简单，成本 低廉，具有较为广阔的应用前景。将聚酰亚胺和非晶硅薄膜晶体管相结合，利用简单的工艺实际制备 了具有较高成品率的室温红外探测器，探测率最高达到了 2.02 X108 cm Hz1/2W-1，具有和传统微桥绝 热结构相当的性能，但成本更低，成品率更高，工艺 更为简单。 参考文献：1 董良.MEMS集成室温红外探测器研究D .北京:清华大学，2004 .2 STREET R A. Technology and applications of amorphous sili2 con M . New York : Springer , 2000 .3 HORN S. Uncooled

21、sensor technology J. Proceeding of SPIE , 1993 , 2020 : 304 2323 .4 WADA H , MITSU HIRO N , NAO KI O , et al. Design and performance of 256 X 256 bolometer 2type uncooled infrared dectectorJ . Proceeding of SPIE , 1996 , 3379 : 902100.作者简介：刘兴明（1978 ，男 ,博士研究生，主要从事MEMS技术、新 结构室温红外探测器及焦平面阵列的研究工作，E2mail : liuxing 2ming 03 mails. t hu. edu. cn。2009 China Acatfcmic Jcunial Llectronic PublishingA1 rights reserved,2009 China Acatfcmic Jcunial Llectronic PublishingA1 rights reserved,图6实际流速和测量流速对比图综上所述，本文设计的永磁体励磁的电磁流量 计具有功耗低、动态响应快、分辨率高和结构简单等 优点。同时，本