磁致伸缩技术应用于长度计量，已有几十年的历史，在液位检测方面则是近十年开始的。磁致伸缩位移传感器具有可靠性高、精度高、可以同时测量产品的液位、界面（双浮子）、不用定期标定和维修、安全性好、安装容易等优点，因此在国外已广泛应用于石油、化工、纺织、轻工、电力、医药、食品、国防等部门，特别已被广泛用于易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的物料液面测量。然而磁致伸缩液位传感器进入我国较晚，目前我国处于引进国外产品进行使用、研究及国产化开发阶段。
随着大规模集成电路和单片机的迅速发展，仪器仪表的更新换代速度日益加快。复杂可编程逻辑器件（CPLD）具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点，在电子产品设计中得到了广泛的应用。CPLD可实现在系统编程，而且能重复多次，而且还兼容IEEE1149.1(JTAG)标准的测试激励端和边界扫描能力，使用CPLD器件进行开发，不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性，而且还可大大缩短产品的设计周期。单片机、CPLD的应用，使磁致伸缩液位传感器朝着高精度、高可靠性、小型化、智能化和网络化的方向发展。
本文在简述磁致伸缩液位传感器工作原理的基础上，分析讨论了磁致伸缩液位传感器实现高精度的关键技术——高分辨力的时间量检测电路的设计方法，介绍采用可编程逻辑器件CPLD进行时间量检测的设计方案，该方案大大简化了整个电路的设计，提高了系统的抗干扰能力。

1.磁致伸缩液位传感器的组成及工作原理
磁致伸缩液位传感器基于磁致伸缩和逆磁致伸缩效应。磁致伸缩效应是指磁化使铁磁材料产生机械应变的效应。反过来，铁磁材料受到机械应力之后，其磁化状态也会发生改变，称之为逆磁致伸缩效应。
磁致伸缩液位传感器结构如图1所示，主要由外管、波导管、磁性浮子和测量头组成。
其中测量头内装电子部件，波导管安装在不锈钢外管内，磁性浮子套在外管上可随液位沿波导管滑动。

仪表工作时，测量头中的脉冲发射电路不断向波导管发射询问电流脉冲，该电流产生周向磁场并沿波导管传播，与磁浮子形成的轴向磁场相交时矢量叠加，形成螺旋磁场。在该磁场作用下，波导管发生磁致伸缩效应而产生波导扭曲，该应变波以超声波速沿波导管向两端传播，当传回测量头一端时，基于逆磁致伸缩效应，通过回波接收线圈转换为电脉冲[2]。
由于电流以光速传递，从发射端到磁浮子之间电流传递时间可忽略不计，因此只要测出发射电脉冲与返回应变脉冲之间的时间间隔，即可得到浮子距检测零点的距离h，实现液位检测。这个过程是连续不断的，所以，每当磁浮子随液位移动时，新的液位就被检测出来，如下式：
h = TV　　　　（1）
H = L – TV （2）
式中H为液位；L为罐高；T为时差；V为应变波传播速度。
测量头内含单片机控制系统，可以探测到同一询问脉冲所产生的连续返回脉冲，所以可以在同一传感器上安装两个浮子，同时进行液位、界面的测量。若在波导管底部（罐底）也固定一个磁环，还可完成自校准功能，消除温度对波速V的影响。[4] 如图2所示。

图2中T1、T2和T3 分别代表扭转弹性波从液位磁浮子、界面磁浮子和校准磁环返回的时间，则H1＝ L（1－T1/ T3），H2＝ L（1－T2/ T3）式中H1表示液位，H2表示界面高度,通过T1/ T3和T2/ T3项，可消除温度对弹性波传播速度的影响。[2]

2.磁致伸缩液位传感器时间量检测电路设计
2.1提高时间量检测电路分辨率的意义与方法
由磁致伸缩传感器工作原理可知，传感器是通过测量应变脉冲传播时间来确定液位的，从式h = T V 可知，液位测量误差Δh = TΔV + VΔT 其中应变波速V = ，式中G、ρ分别为波导管材料的弹性模量和密度。对于具体的波导管来说，在一定的温度范围之内，G和ρ都是恒定的，因此V可以认为是恒定的，那么液位测量误差主要由时间量检测的误差所决定，Δh = V ΔT，时间分辨力越高，液位测量误差越小。所以高分辨力的时间量检测是传感器实现高精度测量的关键。
要提高时间分辨力，提高计数器脉冲源的频率是有效的方法。如图3所示，在发射脉冲电流的同时，触发计数器开始对计数器脉冲源计数，产生的回波脉冲经整形放大后对计数器复位，使其停止计数，则时间间隔T为计数器的计数值N与计数脉冲源的频率F倒数的乘积。
时间分辨力ΔT =T / N =1/ F（3）
所对应的当量距离为
ΔH = V ΔT = V / F （4）
从(3)、（4）式可以看出，时间量检测的分辨力取决于计数器输入脉冲源频率F，计数器脉冲源的频率越高，单位计数脉冲所对应的当量距离越小，时间分辨力越高。
以常用几种规范频率的时钟晶振作为计数脉冲源，所对应的时间量分辨力及当量距离列出见表1。由表1可见，要使时间量检测电路给液位测量带来的误差ΔH限定在0.1mm，那么计数源频率要在30MHz以上。

2.2时间量检测的特点及要求
磁致伸缩液位传感器的量程越大，则应变波在波导管中的传播时间越长。以20m量程为例，V按3000m/s 计算，应变波长的传播时间可达6.67ms。对该时间量进行检测，所要求计数器的位数C与量程R、计数源频率F及应变波传播速度V的关系应满足：
(2 c / F) > ( R / V) （5）
如计数脉冲源频率F采用30MHz，则不同量程R所要求计数器的位数C不同，如表2所示。
从表2中可以看出，对于大量程（20m）的磁致伸缩液位传感器，采用的计数器位数至少要18位。而要实现磁致伸缩传感器的多参数（同时测量液位、界面）及自校准，时间量检测电路中需具备3个18位的计数器，从而满足对相继的3个时间量进行检测。

3.时间量检测电路逻辑功能的CPLD实现
对时间量检测电路进行设计，不仅要考虑其功能要求，还要考虑电路的小型化和可靠性。
设计初期曾尝试采用单片机内部计数器和74LS393计数器或8253可编程计数器配合的方法，结果都不近人意。一是这两种方案所用器件都较多，占空间大。二是稳定性差，单片8253不能满足所要求的计数器位数，需将8253级连或在8253 前面另外扩展一片74LS393才行，实验时常常出现计数误差。
CPLD器件具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点，可实现在系统编程， 时间量检测电路所需要的三个18位的计数器可在其内部由编程来实现。
本电路选用了Altera公司生产的型号为EPM7064SLC44-5的CPLD器件，在MAX+PLUSⅡ软件环境下，采取图形输入和AHDL文本输入相结合的方法进行设计，设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、布局、布线，完成了时间量测量的功能。[3]由MAX+PLUSⅡ开发出来的时间量检测单元形式简单，具有一个起始端口START，停止计数端口STOP,清零端CLR和时钟端CLK，数据选择端口A、B、C,以及数据输出端A{7..0}。
在CPLD内部主要开发出3个计数器单元、译码电路、计数器启闭闸门，见图4。

图4中3个计数器分别用于液位、界面和校正磁环所对应的时间量的计数。译码电路在单片机的控制下通过A、B、C、D端口选择对计数器的数据进行读入，使每个计数器的数据分低8位、中8位、高2位依次被单片机读入。单片机发射询问脉冲的同时通过P1口使START端口出现高电平，打开计数启闭闸门，使三个计数器都开始计数；返回脉冲使STOP端口依次出现三个由低到高的跳变，通过计数启闭闸门，分别使三个计数器依次停止计数，并触发单片机中断，通过单片机换算得到对应的油位、水位等信号输出。3个计数器都可实现18位计数功能，其功能是由AHDL硬件描述语言进行描述的，采用的是文本输入方式，然后将这个AHDL设计文件创建成MAX+PLUSⅡ软件系统默认的符号（.sym），加入图形设计文件（.gdf）中。具体的AHDL设计文件如下所示:


4．结束语
磁致伸缩液位传感器是能同时测量液位和界面、精度高、无须定期校验的仪表，本文提出的采用 CPLD进行时间量测量的设计方案，满足大量程、多参数磁致伸缩液位传感器的时间量检测高精度和高可靠性的要求。该方案简化了整个电路的设计，提高了系统的抗干扰能力，可供业内国产化开发研制的技术人员参考。
作者简介：
　　齐荣 (1966～ ) 女，讲师，现在北京理工大学就读硕士研究生，研究方向：检测与自动化装置。
姜波 (1953～ ) 女，副教授，研究方向：检测技术与自动化装置。
陈祥光 (1953～ ) 男，教授，博士生导师，研究方向：传感与智能检测技术。