磁致伸縮技術應用于長度計量，已有幾十年的歷史，在液位檢測方面則是近十年開始的。磁致伸縮位移傳感器具有可靠性高、精度高、可以同時測量產品的液位、界面（雙浮子）、不用定期標定和維修、安全性好、安裝容易等優(yōu)點，因此在國外已廣泛應用于石油、化工、紡織、輕工、電力、醫(yī)藥、食品、國防等部門，特別已被廣泛用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的物料液面測量。然而磁致伸縮液位傳感器進入我國較晚，目前我國處于引進國外產品進行使用、研究及國產化開發(fā)階段。
隨著大規(guī)模集成電路和單片機的迅速發(fā)展，儀器儀表的更新換代速度日益加快。復雜可編程邏輯器件（CPLD）具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點，在電子產品設計中得到了廣泛的應用。CPLD可實現在系統(tǒng)編程，而且能重復多次，而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標準的測試激勵端和邊界掃描能力，使用CPLD器件進行開發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴充性，而且還可大大縮短產品的設計周期。單片機、CPLD的應用，使磁致伸縮液位傳感器朝著高精度、高可靠性、小型化、智能化和網絡化的方向發(fā)展。
本文在簡述磁致伸縮液位傳感器工作原理的基礎上，分析討論了磁致伸縮液位傳感器實現高精度的關鍵技術——高分辨力的時間量檢測電路的設計方法，介紹采用可編程邏輯器件CPLD進行時間量檢測的設計方案，該方案大大簡化了整個電路的設計，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1.磁致伸縮液位傳感器的組成及工作原理
磁致伸縮液位傳感器基于磁致伸縮和逆磁致伸縮效應。磁致伸縮效應是指磁化使鐵磁材料產生機械應變的效應。反過來，鐵磁材料受到機械應力之后，其磁化狀態(tài)也會發(fā)生改變，稱之為逆磁致伸縮效應。
磁致伸縮液位傳感器結構如圖1所示，主要由外管、波導管、磁性浮子和測量頭組成。
其中測量頭內裝電子部件，波導管安裝在不銹鋼外管內，磁性浮子套在外管上可隨液位沿波導管滑動。

儀表工作時，測量頭中的脈沖發(fā)射電路不斷向波導管發(fā)射詢問電流脈沖，該電流產生周向磁場并沿波導管傳播，與磁浮子形成的軸向磁場相交時矢量疊加，形成螺旋磁場。在該磁場作用下，波導管發(fā)生磁致伸縮效應而產生波導扭曲，該應變波以超聲波速沿波導管向兩端傳播，當傳回測量頭一端時，基于逆磁致伸縮效應，通過回波接收線圈轉換為電脈沖[2]。
由于電流以光速傳遞，從發(fā)射端到磁浮子之間電流傳遞時間可忽略不計，因此只要測出發(fā)射電脈沖與返回應變脈沖之間的時間間隔，即可得到浮子距檢測零點的距離h，實現液位檢測。這個過程是連續(xù)不斷的，所以，每當磁浮子隨液位移動時，新的液位就被檢測出來，如下式：
h = TV　　　?。?）
H = L – TV （2）
式中H為液位；L為罐高；T為時差；V為應變波傳播速度。
測量頭內含單片機控制系統(tǒng)，可以探測到同一詢問脈沖所產生的連續(xù)返回脈沖，所以可以在同一傳感器上安裝兩個浮子，同時進行液位、界面的測量。若在波導管底部（罐底）也固定一個磁環(huán)，還可完成自校準功能，消除溫度對波速V的影響。[4] 如圖2所示。

圖2中T1、T2和T3 分別代表扭轉彈性波從液位磁浮子、界面磁浮子和校準磁環(huán)返回的時間，則H1＝ L（1－T1/ T3），H2＝ L（1－T2/ T3）式中H1表示液位，H2表示界面高度,通過T1/ T3和T2/ T3項，可消除溫度對彈性波傳播速度的影響。[2]

2.磁致伸縮液位傳感器時間量檢測電路設計
2.1提高時間量檢測電路分辨率的意義與方法
由磁致伸縮傳感器工作原理可知，傳感器是通過測量應變脈沖傳播時間來確定液位的，從式h = T V 可知，液位測量誤差Δh = TΔV + VΔT 其中應變波速V = ，式中G、ρ分別為波導管材料的彈性模量和密度。對于具體的波導管來說，在一定的溫度范圍之內，G和ρ都是恒定的，因此V可以認為是恒定的，那么液位測量誤差主要由時間量檢測的誤差所決定，Δh = V ΔT，時間分辨力越高，液位測量誤差越小。所以高分辨力的時間量檢測是傳感器實現高精度測量的關鍵。
要提高時間分辨力，提高計數器脈沖源的頻率是有效的方法。如圖3所示，在發(fā)射脈沖電流的同時，觸發(fā)計數器開始對計數器脈沖源計數，產生的回波脈沖經整形放大后對計數器復位，使其停止計數，則時間間隔T為計數器的計數值N與計數脈沖源的頻率F倒數的乘積。
時間分辨力ΔT =T / N =1/ F（3）
所對應的當量距離為
ΔH = V ΔT = V / F （4）
從(3)、（4）式可以看出，時間量檢測的分辨力取決于計數器輸入脈沖源頻率F，計數器脈沖源的頻率越高，單位計數脈沖所對應的當量距離越小，時間分辨力越高。
以常用幾種規(guī)范頻率的時鐘晶振作為計數脈沖源，所對應的時間量分辨力及當量距離列出見表1。由表1可見，要使時間量檢測電路給液位測量帶來的誤差ΔH限定在0.1mm，那么計數源頻率要在30MHz以上。

2.2時間量檢測的特點及要求
磁致伸縮液位傳感器的量程越大，則應變波在波導管中的傳播時間越長。以20m量程為例，V按3000m/s 計算，應變波長的傳播時間可達6.67ms。對該時間量進行檢測，所要求計數器的位數C與量程R、計數源頻率F及應變波傳播速度V的關系應滿足：
(2 c / F) > ( R / V) （5）
如計數脈沖源頻率F采用30MHz，則不同量程R所要求計數器的位數C不同，如表2所示。
從表2中可以看出，對于大量程（20m）的磁致伸縮液位傳感器，采用的計數器位數至少要18位。而要實現磁致伸縮傳感器的多參數（同時測量液位、界面）及自校準，時間量檢測電路中需具備3個18位的計數器，從而滿足對相繼的3個時間量進行檢測。

3.時間量檢測電路邏輯功能的CPLD實現
對時間量檢測電路進行設計，不僅要考慮其功能要求，還要考慮電路的小型化和可靠性。
設計初期曾嘗試采用單片機內部計數器和74LS393計數器或8253可編程計數器配合的方法，結果都不近人意。一是這兩種方案所用器件都較多，占空間大。二是穩(wěn)定性差，單片8253不能滿足所要求的計數器位數，需將8253級連或在8253 前面另外擴展一片74LS393才行，實驗時常常出現計數誤差。
CPLD器件具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點，可實現在系統(tǒng)編程， 時間量檢測電路所需要的三個18位的計數器可在其內部由編程來實現。
本電路選用了Altera公司生產的型號為EPM7064SLC44-5的CPLD器件，在MAX+PLUSⅡ軟件環(huán)境下，采取圖形輸入和AHDL文本輸入相結合的方法進行設計，設計輸入完成后，進行整體的編譯和邏輯仿真，然后進行轉換、布局、布線，完成了時間量測量的功能。[3]由MAX+PLUSⅡ開發(fā)出來的時間量檢測單元形式簡單，具有一個起始端口START，停止計數端口STOP,清零端CLR和時鐘端CLK，數據選擇端口A、B、C,以及數據輸出端A{7..0}。
在CPLD內部主要開發(fā)出3個計數器單元、譯碼電路、計數器啟閉閘門，見圖4。

圖4中3個計數器分別用于液位、界面和校正磁環(huán)所對應的時間量的計數。譯碼電路在單片機的控制下通過A、B、C、D端口選擇對計數器的數據進行讀入，使每個計數器的數據分低8位、中8位、高2位依次被單片機讀入。單片機發(fā)射詢問脈沖的同時通過P1口使START端口出現高電平，打開計數啟閉閘門，使三個計數器都開始計數；返回脈沖使STOP端口依次出現三個由低到高的跳變，通過計數啟閉閘門，分別使三個計數器依次停止計數，并觸發(fā)單片機中斷，通過單片機換算得到對應的油位、水位等信號輸出。3個計數器都可實現18位計數功能，其功能是由AHDL硬件描述語言進行描述的，采用的是文本輸入方式，然后將這個AHDL設計文件創(chuàng)建成MAX+PLUSⅡ軟件系統(tǒng)默認的符號（.sym），加入圖形設計文件（.gdf）中。具體的AHDL設計文件如下所示:


4．結束語
磁致伸縮液位傳感器是能同時測量液位和界面、精度高、無須定期校驗的儀表，本文提出的采用 CPLD進行時間量測量的設計方案，滿足大量程、多參數磁致伸縮液位傳感器的時間量檢測高精度和高可靠性的要求。該方案簡化了整個電路的設計，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，可供業(yè)內國產化開發(fā)研制的技術人員參考。
作者簡介：
　　齊榮 (1966～ ) 女，講師，現在北京理工大學就讀碩士研究生，研究方向：檢測與自動化裝置。
姜波 (1953～ ) 女，副教授，研究方向：檢測技術與自動化裝置。
陳祥光 (1953～ ) 男，教授，博士生導師，研究方向：傳感與智能檢測技術。