CN219608164U - 用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，涉及信号处理技术领域。该系统包括脉冲电流发生器、波导丝、接收线圈、信号放大电路、信号幅度滤波器、信号脉冲宽度滤波器、带有高速计时器功能的处理芯片；脉冲电流发生器用于在波导丝上施加脉冲电流；波导丝用于在加载脉冲电流时产生扭转波信号；接收线圈用于响应于扭转波信号而产生感应电压脉冲信号；信号放大电路用于对信号进行放大处理；信号幅度滤波器用于对信号进行幅度滤波；信号脉冲宽度滤波器用于对信号进行脉冲宽度滤波；带有高速计时器功能的处理芯片用于根据接收信号测量扭转波信号的传播时间。本系统可以准确地测量出扭转波的传播时间，确保磁致伸缩式物位仪的测量精度。

Description

用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统

技术领域

本实用新型涉及信号处理技术领域，具体涉及一种用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统。

背景技术

磁致伸缩式物位仪是根据磁致伸缩魏德曼效应来测量物体位移、距离的一种仪器，其具体原理是，在圆柱状的磁致伸缩材料(波导丝)上加载脉冲电流，则在轴线方向会产生磁场，又在轴线垂直方向叠加环向磁场(由环形永磁体产生)，当两个磁场相遇时，会产生一个应力扭转波(魏德曼效应)，此扭转波将沿波导丝以音速传播，当扭转波传播到接收线圈后，根据磁致伸缩的逆效应，在线圈中会产生一个感应电压脉冲信号，由于扭转波的速度已知，通过测量扭转波的传播时间，就能测得环形永磁体的位移。

通常，脉冲电流发生器和接收线圈在同一位置，脉冲电流以超高速传播到环形永磁体后，产生扭转波以音速返回传播到接收线圈，因此，可以忽略脉冲电流的传播时间，以产生脉冲电流为起始，以接收线圈扭转波电压信号为终止，测量时间差，即扭转波的传播时间，就可以得出永磁体的位移量。如果扭转波的传播时间的测量不准确，则直接导致永磁体位移量的测量结果不准确。因此，高精度测量扭转波的传播时间成为确保永磁体位移量测量精度的关键。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，以解决扭转波传播时间的高精度测量问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供了一种用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，该系统包括脉冲电流发生器、波导丝、接收线圈、信号放大电路、信号幅度滤波器、信号脉冲宽度滤波器、带有高速计时器功能的处理芯片；

脉冲电流发生器用于在波导丝上施加脉冲电流；

波导丝用于在加载脉冲电流时产生扭转波信号，并将扭转波信号传播至接收线圈；

接收线圈用于响应于接收到的扭转波信号而产生感应电压脉冲信号，并将感应电压脉冲信号传送至信号放大电路；

信号放大电路用于对接收到的感应电压脉冲信号进行放大处理，并且经放大的信号传送至信号幅度滤波器；

信号幅度滤波器用于对接收到的信号进行幅度滤波，以滤除幅度值小于预设滤波幅值的干扰信号，并将经幅度滤波的信号传送至信号脉冲宽度滤波器；

信号脉冲宽度滤波器用于对接收到的信号进行脉冲宽度滤波，以滤除脉冲宽度小于预设时间宽度的干扰信号，并将经脉冲宽度滤波的信号传送至带有高速计时器功能的处理芯片；

带有高速计时器功能的处理芯片用于根据接收到的信号测量扭转波信号的传播时间，带有高速计时器功能的处理芯片还包括第一信号发生器和第二信号发生器，第一信号发生器用于产生施加于脉冲电流发生器的脉冲信号，第二信号发生器用于产生施加于信号脉冲宽度滤波器的方波信号。

可选地，脉冲电流发生器包括三极管，第一信号发生器产生的脉冲信号施加于三极管的栅极，然后经由三极管向波导丝施加脉冲电流，脉冲信号的频率为200Hz，脉冲宽度为5μS。

可选地，信号幅度滤波器包括比较器以及第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻串联连接，并且第一电阻的未与第二电阻连接的一端接5V直流电压，第二电阻的未与第一电阻连接的一端接地，第一电阻与第二电阻的连接端同时与比较器的负端连接，比较器的正端与信号放大电路的输出端连接，预设滤波幅值由第一电阻和第二电阻的阻值来确定。

可选地，信号脉冲宽度滤波器包括第一高速计数器、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，信号幅度滤波器的输出端与第一与非门的第一输入端连接，第一与非门的第二输入端与处理芯片的复位信号输出端连接，来自复位信号输出端的信号用于复位信号脉宽滤波器，第一与非门的输出端与第二与非门的第二输入端连接，第二与非门的第一输入端接3V直流电压，第二与非门的输出端与第一高速计数器的第一输入端连接，第一高速计数器的第一输出端与第三电阻的一端连接，第一高速计数器的第二输出端与第四电阻的一端连接，第一高速计数器的第三输出端与第五电阻的一端连接，第一高速计数器的第四输出端与第六电阻的一端连接，第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻的未与第一高速计数器连接的另一端中的一者与第三与非门的第二输入端连接，第三与非门的第一输入端接3V直流电压，处理芯片包括第二高速计时器，第三与非门的输出端与第一高速计数器的第二输入端以及第二高速计时器的输入端连接。

可选地，第二高速计时器的启动在脉冲电流发生器产生脉冲电流36μS后触发，以滤除由脉冲电流产生的干扰，来自第三与非门的输出端的信号用于下调沿触发第二高速计时器停止计时。

可选地，第二信号发生器用于产生1MHz方波信号作为时钟信号施加于第一高速计数器。

本实用新型的有益效果包括：

本实用新型提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统包括脉冲电流发生器、波导丝、接收线圈、信号放大电路、信号幅度滤波器、信号脉冲宽度滤波器、带有高速计时器功能的处理芯片；脉冲电流发生器用于在波导丝上施加脉冲电流；波导丝用于在加载脉冲电流时产生扭转波信号，并将扭转波信号传播至接收线圈；接收线圈用于响应于接收到的扭转波信号而产生感应电压脉冲信号，并将感应电压脉冲信号传送至信号放大电路；信号放大电路用于对接收到的感应电压脉冲信号进行放大处理，并且经放大的信号传送至信号幅度滤波器；信号幅度滤波器用于对接收到的信号进行幅度滤波，以滤除幅度值小于预设滤波幅值的干扰信号，并将经幅度滤波的信号传送至信号脉冲宽度滤波器；信号脉冲宽度滤波器用于对接收到的信号进行脉冲宽度滤波，以滤除脉冲宽度小于预设时间宽度的干扰信号，并将经脉冲宽度滤波的信号传送至带有高速计时器功能的处理芯片；带有高速计时器功能的处理芯片用于根据接收到的信号测量扭转波信号的传播时间，带有高速计时器功能的处理芯片还包括第一信号发生器和第二信号发生器，第一信号发生器用于产生施加于脉冲电流发生器的脉冲信号，第二信号发生器用于产生施加于信号脉冲宽度滤波器的方波信号。本系统可以准确地测量出扭转波的传播时间，确保磁致伸缩式物位仪的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统的结构框图；

图2A至图2C示出了本实用新型实施例提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统的电路图；

图3示出了本实用新型实施例提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统的信号测量结果图；

图4示出了本实用新型实施例提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

磁致伸缩式物位仪是根据磁致伸缩魏德曼效应来测量物体位移、距离的一种仪器，其具体原理是，在圆柱状的磁致伸缩材料(波导丝)上加载脉冲电流，则在轴线方向会产生磁场，又在轴线垂直方向叠加环向磁场(由环形永磁体产生)，当两个磁场相遇时，会产生一个应力扭转波(魏德曼效应)，此扭转波将沿波导丝以音速传播，当扭转波传播到接收线圈后，根据磁致伸缩的逆效应，在线圈中会产生一个感应电压脉冲信号，由于扭转波的速度已知，通过测量扭转波的传播时间，就能测得环形永磁体的位移。通常，脉冲电流发生器和接收线圈在同一位置，脉冲电流以光速传播到环形永磁体后，产生扭转波以音速返回传播到接收线圈，因此，可以忽略脉冲电流的的传播时间，以产生脉冲电流为起始，以接收线圈扭转波电压信号为终止，测量时间差，即扭转波的传播时间，就可以得出永磁体的位移量。本实用新型是针对磁致伸缩式物位仪的信号处理问题，提出一种高精度的扭转波计时测量系统。

图1示出了本实用新型实施例提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统的结构框图；图2A至图2C示出了本实用新型实施例提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统的电路图。

如图1所示，本实用新型提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统包括脉冲电流发生器101、波导丝102、接收线圈103、信号放大电路104、信号幅度滤波器105、信号脉冲宽度滤波器106、带有高速计时器功能的处理芯片107，带有高速计时器功能的处理芯片107也就是MCU。

脉冲电流发生器101用于在波导丝102上施加脉冲电流。可选地，脉冲电流发生器101包括三极管，第一信号发生器产生的脉冲信号施加于三极管的栅极，然后经由三极管向波导丝102施加脉冲电流，脉冲信号的频率为200Hz，脉冲宽度为5μS。

图2A是脉冲电流发生器101与波导丝102连接关系的电路图。图2A中P3代表波导丝，通过三极管Q1对其施加脉冲电流，脉冲信号由MCU(也就是带有高速计时器功能的处理芯片107)产生，频率200Hz，脉冲宽度5μS，引脚MCU 5uS 200Hz代表MCU的第一信号发生器。

波导丝102用于在加载脉冲电流时产生扭转波信号，并将扭转波信号传播至接收线圈103。接收线圈103用于响应于接收到的扭转波信号而产生感应电压脉冲信号，并将感应电压脉冲信号传送至信号放大电路104。图2B是接收线圈103、信号放大电路104、信号幅度滤波器105以及信号脉冲宽度滤波器106连接关系的电路图。如图2B中，P1代表接收线圈103，其接收扭转波信号，并送入信号放大器U1(也就是信号放大电路104)进行放大处理，电阻R36可以调节放大倍数。

信号放大电路104用于对接收到的感应电压脉冲信号进行放大处理，并且经放大的信号传送至信号幅度滤波器105。可选地，信号幅度滤波器105包括比较器以及第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻串联连接，并且第一电阻的未与第二电阻连接的一端接5V直流电压，第二电阻的未与第一电阻连接的一端接地，第一电阻与第二电阻的连接端同时与比较器的负端连接，比较器的正端与信号放大电路的输出端连接，预设滤波幅值由第一电阻和第二电阻的阻值来确定。

具体地，如图2B所示，经过放大后的信号，进入由比较器U6A和电阻R26、R16组成的幅度滤波器(也就是信号幅度滤波器105)，其作用是滤除幅度值较小的干扰，根据R26和R16的分压设定滤波幅值。

信号幅度滤波器105用于对接收到的信号进行幅度滤波，以滤除幅度值小于预设滤波幅值的干扰信号，并将经幅度滤波的信号传送至信号脉冲宽度滤波器106。信号脉冲宽度滤波器106用于对接收到的信号进行脉冲宽度滤波，以滤除脉冲宽度小于预设时间宽度的干扰信号，并将经脉冲宽度滤波的信号传送至带有高速计时器功能的处理芯片107。带有高速计时器功能的处理芯片107用于根据接收到的信号测量扭转波信号的传播时间，带有高速计时器功能的处理芯片107还包括第一信号发生器和第二信号发生器，第一信号发生器用于产生施加于脉冲电流发生器的脉冲信号，第二信号发生器用于产生施加于信号脉冲宽度滤波器的方波信号。

可选地，信号脉冲宽度滤波器106包括第一高速计数器、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，信号幅度滤波器的输出端与第一与非门的第一输入端连接，第一与非门的第二输入端与处理芯片的复位信号输出端连接，来自复位信号输出端的信号用于复位信号脉宽滤波器，第一与非门的输出端与第二与非门的第二输入端连接，第二与非门的第一输入端接3V直流电压，第二与非门的输出端与第一高速计数器的第一输入端连接，第一高速计数器的第一输出端与第三电阻的一端连接，第一高速计数器的第二输出端与第四电阻的一端连接，第一高速计数器的第三输出端与第五电阻的一端连接，第一高速计数器的第四输出端与第六电阻的一端连接，第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻的未与第一高速计数器连接的另一端中的一者与第三与非门的第二输入端连接，第三与非门的第一输入端接3V直流电压，处理芯片包括第二高速计时器，第三与非门的输出端与第一高速计数器的第二输入端以及第二高速计时器的输入端连接。可选地，第二高速计时器的启动在脉冲电流发生器产生脉冲电流36μS后触发，以滤除由脉冲电流产生的干扰，来自第三与非门的输出端的信号用于下调沿触发第二高速计时器停止计时。可选地，第二信号发生器用于产生1MHz方波信号作为时钟信号施加于第一高速计数器。

具体地，如图2B所示，经过幅度滤波后的信号，进入由与非门U11B、U11B、U11D和高速计数器U18组成的脉宽滤波器(也就是信号脉冲宽度滤波器106)，由MCU产生1MHz方波(第二信号发生器产生)作为时钟信号进入计数器U18，当U6A输出5V高电平后，U18开始根据时钟信号计数，其输出为Q1、Q2、Q3、TC引脚，对应计数的数值1、2、4、8，单位是μS，任意选取某一引脚，输入与非门U11B可以让计数器U18进入保持模式，输出引脚不再翻转，就可以从时间宽度上滤除小于设定时间宽度的干扰，电阻R64A、R64B、R64C和R64D用于设定滤波时间，选其一个使用。图2C是带有高速计时器功能的处理芯片107的引脚图，如图2C所示，MCUcounter引脚进入MCU(也就是带有高速计时器功能的处理芯片107)，下调沿触发MCU的高速计时器停止计时，MCU的高速计时器用于测量扭转波的传播时间，其启动在产生脉冲电流36μS后触发，以滤除由脉冲电流产生的干扰。MCU reset引脚用于复位脉宽滤波器(也就是信号脉冲宽度滤波器106)。

图3示出了本实用新型实施例提供的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统的信号测量结果图。如图3所示，曲线1表示5μS的脉冲电流，曲线2是经过放大后的信号，信号左侧的尖峰是由脉冲电流引起的干扰，应将其滤除，信号右侧的尖峰是扭转波信号，测量它与脉冲电流的时间差，就可以得出永磁体的位移量。实际使用物位仪时，会有很多干扰，可以从信号的幅值、宽度、时间相关性方面进行滤波处理。

综上所述，本系统通过波导丝在加载脉冲电流时产生扭转波信号，由接收线圈响应于接收到的扭转波信号而产生感应电压脉冲信号，然后对信号进行放大、幅度滤波以及脉冲宽度滤波，最后由处理芯片测量扭转波信号的传播时间。其中，产生脉冲电流的脉冲信号、用于脉冲宽度滤波的方波信号、接收信号并测量传播时间均由同一处理芯片完成，因此可以准确地测量出扭转波的传播时间，从而确保磁致伸缩式物位仪的测量精度。

磁致伸缩式物位仪信号处理系统的工作流程由图4给出。引脚MCU 5μS 200Hz代表MCU的第一信号发生器，用于产生脉宽为5μS的脉冲电流，频率为200Hz。引脚MCU 1MHz代表MCU的第二信号发生器，产生频率为为1MHz的时钟信号，用于脉宽滤波器。引脚MCU counter代表MCU的第二高速计时器，对外部计时，用于测量扭转波的传播时间，分辨率为0.05μS。已知扭转波的传播速度为2777m/S，检测1mm长度的时间是0.36μS，为排除脉冲电流引起的干扰，MCU的高速计时器在产生脉冲电流36μS后启动计时，MCU counter引脚下调沿触发MCU的第二高速计时器停止计时。

可选地，系统还可以加载相关性滤波处理算法。相关性滤波是考虑到在同等的测量条件下干扰是随机产生的，而信号是恒定的，因此对连续记录的5个扭转波的传播时间数值，取最接近的两个值，对其做平均值运算，就可以滤除随机干扰。输出的测量结果为位移L，单位mm，扭转波的传播时间为t，单位μS，脉宽滤波长度为n，单位是μS，扭转波传播速度为2.777mm/μS，则位移计算公式为

L＝(t+36-n)×2.777。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，其特征在于，所述系统包括脉冲电流发生器、波导丝、接收线圈、信号放大电路、信号幅度滤波器、信号脉冲宽度滤波器、带有高速计时器功能的处理芯片；

所述脉冲电流发生器用于在所述波导丝上施加脉冲电流；

所述波导丝用于在加载脉冲电流时产生扭转波信号，并将扭转波信号传播至所述接收线圈；

所述接收线圈用于响应于接收到的扭转波信号而产生感应电压脉冲信号，并将感应电压脉冲信号传送至所述信号放大电路；

所述信号放大电路用于对接收到的感应电压脉冲信号进行放大处理，并且经放大的信号传送至所述信号幅度滤波器；

所述信号幅度滤波器用于对接收到的信号进行幅度滤波，以滤除幅度值小于预设滤波幅值的干扰信号，并将经幅度滤波的信号传送至所述信号脉冲宽度滤波器；

所述信号脉冲宽度滤波器用于对接收到的信号进行脉冲宽度滤波，以滤除脉冲宽度小于预设时间宽度的干扰信号，并将经脉冲宽度滤波的信号传送至所述带有高速计时器功能的处理芯片；

所述带有高速计时器功能的处理芯片用于根据接收到的信号测量所述扭转波信号的传播时间，所述带有高速计时器功能的处理芯片还包括第一信号发生器和第二信号发生器，所述第一信号发生器用于产生施加于所述脉冲电流发生器的脉冲信号，所述第二信号发生器用于产生施加于所述信号脉冲宽度滤波器的方波信号。

2.根据权利要求1所述的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，其特征在于，所述脉冲电流发生器包括三极管，所述第一信号发生器产生的脉冲信号施加于所述三极管的栅极，然后经由所述三极管向所述波导丝施加脉冲电流，所述脉冲信号的频率为200Hz，脉冲宽度为5μS。

3.根据权利要求1所述的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，其特征在于，所述信号幅度滤波器包括比较器以及第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联连接，并且所述第一电阻的未与所述第二电阻连接的一端接5V直流电压，所述第二电阻的未与所述第一电阻连接的一端接地，所述第一电阻与所述第二电阻的连接端同时与所述比较器的负端连接，所述比较器的正端与所述信号放大电路的输出端连接，所述预设滤波幅值由所述第一电阻和所述第二电阻的阻值来确定。

4.根据权利要求1所述的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，其特征在于，所述信号脉冲宽度滤波器包括第一高速计数器、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述信号幅度滤波器的输出端与所述第一与非门的第一输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与所述处理芯片的复位信号输出端连接，来自所述复位信号输出端的信号用于复位所述信号脉宽滤波器，所述第一与非门的输出端与所述第二与非门的第二输入端连接，所述第二与非门的第一输入端接3V直流电压，所述第二与非门的输出端与所述第一高速计数器的第一输入端连接，所述第一高速计数器的第一输出端与所述第三电阻的一端连接，所述第一高速计数器的第二输出端与所述第四电阻的一端连接，所述第一高速计数器的第三输出端与所述第五电阻的一端连接，所述第一高速计数器的第四输出端与所述第六电阻的一端连接，所述第三电阻、所述第四电阻、所述第五电阻和所述第六电阻的未与所述第一高速计数器连接的另一端中的一者与所述第三与非门的第二输入端连接，所述第三与非门的第一输入端接3V直流电压，所述处理芯片包括第二高速计时器，所述第三与非门的输出端与所述第一高速计数器的第二输入端以及所述第二高速计时器的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，其特征在于，所述第二高速计时器的启动在所述脉冲电流发生器产生脉冲电流36μS后触发，以滤除由脉冲电流产生的干扰，来自所述第三与非门的输出端的信号用于下调沿触发所述第二高速计时器停止计时。

6.根据权利要求4所述的用于磁致伸缩物位仪的信号处理系统，其特征在于，所述第二信号发生器用于产生1MHz方波信号作为时钟信号施加于所述第一高速计数器。