1、磁（cí）致伸縮液（yè）位計傳（chuán）感器原理：

  磁（cí）致（zhì）伸縮液位傳感（gǎn）器由金屬（shǔ）電子倉、Fe-Ni合金波導絲、探測杆、衰減阻尼等組成（chéng） (如圖1所示) 。液位傳感器工作時, 由脈衝發生電（diàn）路產生一個（gè）周期性的大電流窄脈衝加載到波導絲上。由楞次（cì）定律可知, 在驅動脈衝的（de）作用下, 周圍空間會產（chǎn）生一個垂直於波導絲的環向磁場, 環向磁（cí）場與活動磁鐵產生的軸向磁場相遇時互相疊加產（chǎn）生（shēng）螺旋形磁場。根據魏德曼效（xiào）應[4-7], 該螺旋形（xíng）磁場使波（bō）導（dǎo）絲在活動永磁體（tǐ）處發生扭（niǔ）轉形變, 形成彈性機械波沿波導絲向兩（liǎng）端傳播, 到達液位傳感器底部的彈性機械波被（bèi）衰減阻尼吸（xī）收, 到達頂端（duān）的彈性機械波被超（chāo）聲換能器（qì）拾取。由維拉利效應[8-10]可知, 波導絲形變會讓（ràng）磁致伸縮材料的磁導率發生改變。根據法拉第電磁感應（yīng）定（dìng）律, 超聲換能器可拾取變化的磁場（chǎng）產生（shēng）的電壓信號從而實現測量物位的目的。

2、磁致伸縮液位傳感器感應（yīng）信號分析：

  本文采（cǎi）用Tektronix公司生產的型號為TCS 2024C的示波器, 其帶寬為200MHz, 采樣率高達2GS/s, 采樣頻率為100MHz, 采樣點數為10000個（gè）。觀察超聲換能器拾取（qǔ）信號經放大後的時域（yù）波形 (如圖2所示) , 發現感應信號混雜（zá）著幹（gàn）擾信號。經分析, 可知（zhī）感應信號是混（hún）頻信號, 目標信號主要集中在150kHz以下, 50kHz附近達到峰值, 同時還有一些高頻幹擾（rǎo）的成分, 在示波器上表現為時域波形上的毛刺（cì）。這些（xiē）噪聲對感應信號的數（shù）字（zì）整形影響較大, 嚴重影（yǐng）響了液位傳感（gǎn）器測量的（de）準確度和穩定性。

3、二階有（yǒu）源（yuán）帶通選頻電路（lù）設計：

  二階有源帶（dài）通選頻電路如（rú）圖3所示。設R2=2R, R3=R可導出（chū）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（yǒu）:

式 (3) 為二階（jiē）帶通選頻（pín）電路傳遞函數的表達式, 其中ω0既是特征角頻（pín）率, 也是該帶通選頻電路（lù）的中心角頻率。令s=jω, 則有:

由（yóu）式 (4) 可知（zhī）, 當ω=ω0時, 圖4所示電路具有（yǒu）大（dà）電壓增（zēng）益。Q值（zhí）越大, 則通頻（pín）帶越窄, 即選擇性越好。一般將|A (jω) |下降至 時所包含（hán）的頻率範圍定義為（wéi）通帶寬度, 有:

由上述分析可知（zhī）, 磁致伸縮感應信號為交流信號, 其中心頻率為50kHz。試驗（yàn）中選用OP37A集成運算放大器進行信號（hào）處（chù）理, 其帶寬增益為60MHz, 並具有優於一般（bān）運放的低噪聲特點。設計方案如下。

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

(2) 設（shè）計選頻電路:OP37A開環增益大於120dB, 輸入阻抗（kàng）ri為3GΩ, 輸出阻抗ro為70Ω。由（yóu）於該電路工作於50kHz的固定頻率附近, 因此采用具有良好選頻濾波效果的二階帶通選頻電路（lù）, 如圖4所示。

由文獻[12-13]可知, 二階有源帶通選頻電路電阻（zǔ）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（qǔ）R4=50kΩ, R5=1kΩ。

4、放大電路設計：

  本（běn）文采用晶體管搭建（jiàn）負反饋放大電（diàn）路, 該電路將NPN晶（jīng）體管的共發射放大電路與PNP晶體管的共發（fā）射（shè）放大電路串聯, 用電阻（zǔ）將反（fǎn）饋從電路的輸（shū）出加到初級NPN晶體管的發射[14]。設計方案如（rú）下:

(1) 技術（shù）參數:信號經選（xuǎn）頻電路後, 幅值（zhí）保持不變（biàn）, 輸入10mV, 輸出大於2V。

(2) 設計（jì）負（fù）反饋放大電路（lù）:電（diàn）源電壓是15V, 所以選擇集電-基間大額定值VCBO與集電-基間大額定值VCEO在15V以上的晶體管。本文選用常規通用小信號晶體管2SC2240 (東芝) 和2SA1020 (東（dōng）芝) ) 。放大電路模型如圖5所示。

(3) 參數（shù）確定:設（shè）Q1發射上所加的電壓（yā）為2V (若不在1V以（yǐ）上, 則（zé）發射電流的（de）溫度穩定性變差) 。忽略晶體管的基電流, 則（zé）IE1=IC1。令IE1=IC1=1mA, 則有:

R8的取（qǔ）值越大, Q1的（de）共（gòng）發射電（diàn）路的增（zēng）益就越大, 然而（ér）Q2的基是直（zhí）接連接到Q1的集（jí）電上的, R8增大, 其上的壓降也變（biàn）大, 因此取R8上的壓降IC1×R2=5V, 則:

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

為了使Q2發射電流為1mA, 由R9+R10=2kΩ得R10=2kΩ-100Ω≈2kΩ。

5、仿真（zhēn）分（fèn）析：

  本文采用Multisim10進行仿（fǎng）真, 在（zài）繪圖編輯器中選擇信號源XFG2、直流電源VCC等[15-16]。其中, 波特儀XBP1用來分析感應信（xìn）號的中心頻率和-3dB的通帶（dài）寬度;XSC2為四通道示波（bō）器, CH1通道接入信號發生器, CH2通道接入選頻電路輸出端, CH3接（jiē）入放大（dà）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（shì）。

  將信號源設置為10~190kHz, 步長為20kHz, 幅（fú）值為0.01V。啟動Multisim 10, 點擊運行按鈕, 將采集的數據進行多項式擬合, 二階有源帶通選頻放大電路輸出（chū）電壓幅值隨頻率變化如圖7所示。

由圖7可知, 二階帶通選頻（pín）放大電路中心頻率為50kHz, 輸出電壓幅值達到大, 和式 (4) 中（zhōng）的（de）分（fèn）析結論一致, 滿足了設計要求。將波特儀的輸入端接在信號源XFG2的正端, 輸出端接在選頻電路的輸出端, 負端共地。設置信（xìn）號源工作頻率為50kHz, 計算該二階有源選頻放大電（diàn）路-3dB通帶寬度為（wéi）B=73.813-21.911≈52kHz, 與理論分析相符。

6 實（shí）測結果

為驗證磁致伸縮（suō）位移傳感（gǎn）器感應信號的（de）調理方（fāng）法, 參照上麵所（suǒ）述的測量結構, 根（gēn）據設計的感應（yīng）信號（hào）選頻電路（lù）和（hé）放大電路進行測（cè）試。測試條件:波導絲長度為（wéi）2m, 單個永磁體位移浮球, 環境溫度為25℃, 采用12V直流穩壓電源供電。磁致伸縮位移檢測平台如（rú）圖8所示（shì）。

由（yóu）選頻放大電路放大後的效果（guǒ）圖 (如圖9所示) 可知, 二階有源帶通選頻放大電路能（néng）有效平滑信號並提高信噪比, 減（jiǎn）少對信號整形（xíng）計數的影（yǐng）響。

7 結語

本文針對磁致伸縮液位傳感器在複雜工況下環境噪聲（shēng）對感應回波信號產生的幹擾問題, 提出了相應的傳感器感應信號調理方案, 包括抗幹擾（rǎo）的二階有源帶通（tōng）選頻濾波和目標信號放大處（chù）理, 並分別通過（guò）試驗驗證（zhèng）了該調理（lǐ）方案能提升信號的信（xìn）噪比及係統的穩定性。同時, 該放大電路采用晶體管搭建, 避免了運算放大器級聯（lián）造成的噪聲（shēng）放大（dà）, 簡化了選頻（pín）放大器的設計, 並提（tí）高（gāo）了選頻放大器的性能, 節約了生產成本（běn）, 在實際運（yùn）用中取（qǔ）得了（le）良好效果。