C8051F020在磁致伸缩液位传感器中的应用

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1、C8051F020在磁致伸缩液位传感器中的应用李一博3金翠云

2、祈世久

3、王立坤

4、7天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072)欣哈尔滨理工大学哈尔滨150040)摘要本文采用美国Cygnal公司最新推出的C8O51FO2O单片机•利用其速度快、功耗低、运算处理能力强以及有高速信号捕捉功能等特点，实现了基于磁致伸缩原理的液位测量传感器。关键词C8051F020磁致伸缩液位传感器ApplicationofC8051F020onMagnetostrictionLiquid-levelTransducerSensorLiYibo1,2JinCuiyunJinShiji

5、u1WangLikun11(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments•7ianjinUnixfersity•lianjin300072^China)2{HarbinUniversityofScienceandTechnologyHarbin150040^China}AbstractThispapcusesC8051F020torealizeliquidlevelmeasuringsensorbasedonprincipleofmagnetostriction.C8051F020hascha

6、racteristicsofhighspeed>lowpowerconsumption,strongoperatorabilityandhighspeedsignalcatchingfunction.Itfilstouseindesigningmagnetostrictionliquid-levelsensor.KeywordsC8051F020MagnetostrictionLiquidlevelSensor1引言磁致伸缩液位传感器是利用智能材料的维德曼(Wiedemann)效应、维拉里(Viuary)效应及超声效应,将液位信息转换成最易高精度测量的时间量，来实现对液位

7、、界位的超高精度计量⑴,其测量分辨率可以达到甚至优于0・1mm。另外因为磁致伸缩液位传感器儿乎没有可动的机械部件，故具有可靠性高、安装维护方便、适用范围广等特点，是当前最理想的接触型大罐液位测量装置之一⑵。作为一种高精度智能型数字传感器•要求:其核心处理器必须具有速度快、功耗低、运算处理能力强、具有较大的RAM.ROM以及掉电不丢失的数据存储器等特点。同时由于传感器的主要工作是高精度时间计量，所以耍求MCU必须具有很好的信号捕捉功能。这些都是传统8051单片机所不能胜任的。美国Cygnal公司最新推出的C8O51FO2O系列单片机是完步霁嫄期混合信号系统级芯片(SoC),

8、具有与8051兼容的高瞿CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容•除具备传感器所需的全部特性及功能外,还提供2个独立UART,为传感器信号远传提供了极大的方便。而其具有的片内调试电路•使得设计人员通过4脚的JTAG接口就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。这些特性都使得C8051F020成为磁致伸缩液位传感器核心处理器的理想选择。2磁致伸缩液位传感器工作原理磁致伸缩液位传感器由传感头、波导管、磁致伸缩波导丝以及内含磁铁的浮子纟II成(如图1所示)。工作时，传感头屮的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号，根据电磁场理论•此电脉冲同时伴随一个环型磁场以光速

9、沿磁致伸缩波导丝向下传递。当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时.将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。根据磁致伸缩原理，当磁致伸缩材料所处的磁场发生变化时.磁致仲缩材料本身的物理尺寸也会跟着发主变化⑷,即维德曼(Wiedemann)效应。因此当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩波导丝会产生伸缩变形，而沿螺旋形磁场的仲缩，将导致波导丝产生扭曲形变，从而激发扭转波。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到传感头中的感应线圈时，将转换成横向应力。出致伸编波甘饮图1磁致伸缩液位传感器结构示意图根据维拉里(Viuary)效应，磁致伸缩材料发生物理形变时，会在此致伸缩材

10、料内引起磁场强度的变化,因此通过传感器线圈的磁通将发生变化。根据法拉第电磁感应定律：e=d①/df=dBS/dt~S・dB/dt在传感器线圈两端将产生一个町以被检测到的感应电动势5超声扭转波的传播速度为:v=TgTp式中:G为磁致伸缩波导丝的弹性模量;p为磁致伸缩波导丝的密度。通过以上公式可以看出，超声扭转波的传播速度为一常数，因此只需通过测量从发射电脉?卩到检测到感应电动势€的时间差T,就可根据L=T・V=T・精确地计算岀浮子的位置。测量精度仅与计时精:度相关，超声扭转波的传播速度一般在180()〜2()0()m/s，所以当