磁致伸縮線性位移傳感器（是綜合利用磁致伸縮效應、電磁感應、電子技術、高精度時間間隔測量等多種技術而成的非接觸式測量儀器。由于它具有傳輸距離遠、非接觸式測量、可靠性高且適應惡劣環境等特點，被廣泛應用于各種控制領域．磁致伸縮線性位移傳感器具有更高的精度，設計增加HART現場總線通信，使其具備總線通信能力，實現儀表之間以及和控制室設備的多種信息交換，可大大減少安裝、運行及維護的費用．在經濟效益方面，由于磁致伸縮線性位移傳感器擁有自主知識產權，產品自行丌發、設計、生產，充分利用自儀公司的集團優勢，因此產品的成本相對比較低。

圖1為一種典型的安放于儲罐中的液位傳感器總體結構圖。測量頭裝置在罐體之外，包括脈沖發生、回波接收、信號檢測與處理電路．由不銹鋼或鋁合金材料做的保護套管套在波導管外，插入液體中直達罐底，底部固定在罐底。磁浮子可以有兩個，一個測量油位，另一個安放在波導管對應的油水界面處，用于測量界位。若在波導管底端再設置一塊磁鐵，還可以完成自校正功能，使傳感器無須定期標定。

如圖2磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分：波導絲、保護管套、移動磁鐵、電路板部分。測量管是整個傳感器的核心傳感部分，這一部分又包括：偏置磁鐵、波導絲、保護管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環、轉換器輸出。

在傳感器檢測電路得到的信號中，除了激勵脈沖與液位感應脈沖外，又增加了一個界面位置感應脈沖，如圖3所示。通過測量界位感應脈沖與激勵脈沖的時間差，就可計算出相界面位置兩種液體相界面的位置。

設計方案簡述、論證：

1、設計思想及原理

變送器采用磁致伸縮原理，物理學中稱作威德曼效應。產品主要由不銹鋼管做的測桿、測量電路和套在測桿上的非接觸的磁環和浮球組成。測桿內裝有磁致伸縮線（波導絲）。測桿由不銹鋼管制造成可靠地保護波導絲。工作時，由電子電路產生一起始脈沖，此起始脈沖在波導絲中傳輸時，同時產生了一沿波導絲方向前進的旋轉磁場，當這個磁場與浮球中的永久磁場相遇時，產生磁致伸縮效應，使波導絲發生扭動，這一扭動被感應線圈所感知并轉換成相應的電流脈沖，通過電子電路計算出兩個脈沖之間的時間差，即可精確測出被測液位。

2、硬件方案（功能框圖、電路、關鍵元器件、元器件通用性等）

關鍵元器件由元器件銷售代理商直接供貨，普通元器件采用通用元器件，在市場上幾直接購買，硬件電路選用成熟電路。

3、軟件方案（功能模塊、程序框圖等）

產品大部分功能有以下幾個模塊組成：

開發過程中關鍵問題：

硬件方面：

開發本產品的關鍵問題有以下幾點：

1、二線制儀表低功耗的要求；

2、按照儀表結構要求電路部分被拆分成3塊板子進行布局；

3、信號采樣的精度；

4、微弱信號檢測的問題；

5、樣機的全性能試驗；

6、HART協議技術掌握和應用。．

開發過程中碰到問題的解決措施：

在器件選型時選用低功耗器件，保證儀表4mA電流也能正常工作；

由于儀表的結構較小，所以拆分成了3塊電路板，根據功能分為電源板，主控板和顯示板；

為保證儀表精度選用了專用的時間測量芯片；

在信號輸入端，用兩個運放組成前級差動放大電路來檢測微弱的回波信號，再經過放大，比較電路得到的回波脈沖，用于時間測量與液位計算

在全性能試驗中，EMC試驗也遇到了問題，我們加了相應的防護措施，比如我們在電源端加了共模扼流圈以防止共模電磁干擾，加了壓敏電阻來抗浪涌，加了磁珠來抗靜電T擾和高頻噪聲，加了電感來抑制低頻交流信號，還加了二極管來防反接。

軟件方面：

按鍵設定方法：

4mA和20mA設定可以通過兩種方式完成，一是通過按鍵操作執行，另一種可由上位機通過Hart通訊來完成，同時上位機可以設定傳感器量程和與Hart協議相關的儀表信息長時間同時按SET按鈕和ZERO按鈕（超過5秒），進入輸出電流設定狀態，先設定對應4毫安輸出的液位值(RangeLow)：顯示當前液位值，（液位值變化用移動磁鋼來實現），當移動后的液位位置確認為4毫安對應液位時，單獨按ZERO按鈕，軟件記錄當前液位值（RangeLow）并且輸出為4毫安；再標定對應20毫安輸出的液位值（RangeHi）：顯示當前液位值（液位值變化用移動磁鋼來實現），當移動后的液位位置確認為4毫安對應液位時，再單獨按SET按鈕，軟件記錄當前液位值(RangeHi)并且輸出20毫安同時退出電流設定狀態。

在按鍵設定過程中，30秒內無按鈕輸入，退出電流設定狀態。

開發過程中主要技術難點：

1、我們早期傳感器技術尚未掌握，如波導絲材料的選取，如何安裝固定，脈沖激勵線圈參數如何確定等一系列問題；后來通過查閱了相關資料與參照國外同類產品技術，確定了波導絲的材料和安裝，并自己線繞激勵線圈，不斷加以改進，解決了傳感器技術的難題。

2、硬件電路上與傳感器相關部分的處理電路開始時并沒有相關的基礎，通過參考國外產品的處理電路后，結合了自己的傳感器特性后，設計了相應處理電路，最后通過實際的調試與完善，確定了傳感器處理電路。

3、測量精度的不斷提高，剛丌始的產品信號處理不夠穩定，所能達到的精度與目標精度0.05%相差很遠，達到0.05%的儀表精度的困難很大，最后通過調整信號處理電路電容、電阻的參數，調整運放參數，并增加相應濾波小電容，數字地與機殼地之間放置高壓瓷片電容，軟件加以濾波等一系列方法，終于達到精度要求。

4、溫度實驗丌始很容易就超過標準范圍，溫度穩定性比較差，有時甚至會階躍眺變，經過對傳感器接收的信號在不同溫度下的波形觀測，找出相應的溫度變化規律，發現在接收波形變化相對平滑的情況下，溫度性能比較好，而接收時比較電壓如果設置不當，接收波形稍有變化就會發生錯誤．

5、儀表絕緣性能不佳，在做性能實驗的時候，發現傳感器保護套管由于比較長，中間有彎曲使得保護套管與儀表外殼短路，造成了EMC：靜放電、浪涌等實驗的故障，后來通過套熱縮套管再加強隔離，但是由于距離還是太近，無法通過浪涌實驗，又增加了空氣放電管和TVS管保護。

6、儀表精度要求高，滿量程1M的儀表，0.05%的精度，即為1個基本精度是0.5mm，普通的米尺等計量設備根本無法滿足精度測量要求，而普通加液位的方式也無法達到如此精度的液位控制，于是通過使用2M長的0.1mm精度游標卡尺標定，人工模擬液位變化的方式完成精度測試．而一般儀表使用的2點、5點標定也無法滿足儀表精度，于是采用了11點標定。

7、儀表回差是0.02%的精度要求，由于磁致伸縮傳感器在原理上存在剩磁效應，所以在上下行程的過程中，同一個點的測量值存在很大的誤差，通過分析后，采用上下行程不同的標定方法，又增加了標定的點，最后使用22個標定點滿足回差要求。

最后該產品達到的主要技術指標如下．

1、測量范圍：300～3000mm；誤差：±0.05%FS

2、模擬輸出：4-20mADC（HART通信可選，現場指示可選）

3、適用環境：運行溫度25-70℃（帶液晶）

4、供電電源：24VDC.

5、負載輸出：0～620W

6、工作壓力：≤1.6Mpa

7、介質密度：≥0．8g/cm3

UMD系列磁致伸縮液位變送器，結構合理，產品的穩定性較強，調試簡單方便，多樣安裝形式，能適合各種惡劣環境、復雜場所的使用。主要用于測量液位、廣泛使用在煉油、化工、冶金、發電、制藥等行業，能耐高溫、高壓，耐腐蝕。適用于各種易燃易爆場合。輸出HART協議的4～20mADC標準信號遠距離傳送與集散控制DCS系統聯網使用，實現工藝流程的自動檢測和自動控制。

其性能與國外生產的老產品相比，具有技術先進、結構簡單合理、性能可靠、安裝調試使用維護方便、性能價格比高等諸多優點。新產品的開發適應了市場的需要，毛利率達到33%，經濟效益尚好。

由于物美價廉，有廣闊的市場前景。