C8051F020在磁致伸缩液位传感器中的应用

磁致伸缩液位传感器是利用智能材料的维德曼(W iedem ann) 效应、维拉里(V iuary) 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、界位的超高精度计量 , 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几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, 是当前的接触型大罐液位测量装置之一。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, 所以要求M CU 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 公司推出的C8051F020 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 (SoC) , 具有与8051 兼容的高速 CIP – 51 内核, 与M CS- 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UA R T , 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 JTA G 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。1、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组成。工作时, 传感头中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,磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会跟着发生变化 ,即维德曼(W iedem ann) 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, 而沿螺旋形磁场的伸缩, 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。 根据维拉里 (V iuary) 效应, 磁致伸缩材料发生物理形变时, 会在此致伸缩材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。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冲到检测到感应电动势 Ε的时间差 T , 就可根据L = T ·V = T ·GΘ, 精确地计算出浮子的位置。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 1800～2000m s, 所以当计时精度达到 0. 05Λm 时, 液位仪的测量分辨率就可以达到甚至优于 0. 1mm。