一种磁致伸缩液位计的磁电复合材料检波装置

技术领域

本发明涉及液位计检波领域，具体涉及一种磁致伸缩液位计的磁电复合材料检波装置。

背景技术

磁致伸缩液位计是一种利用磁致伸缩效应来测量浮子绝对位置的非接触式传感器，因其精度高、寿命长、可靠稳定等优势，广泛应用于条件恶劣的工业领域，如储油罐、污水池、化学反应釜等。

磁致伸缩液位计主要由浮子、波导丝、检波线圈和信号处理单元组成。浮子位于液气分界面，其内安装有永磁体，用以在波导丝内部形成静态轴向磁场。正常工作时，首先向波导丝中通入电流脉冲，致使波导丝上形成瞬时的周向磁场，与波导丝中存在的轴向磁场叠加后，由魏德曼效应可知，在浮子附近的波导丝中将形成扭转波并以一定速度向两端传播。该扭转波经一段时间后到达检波装置，引起磁致伸缩带材中的应力发生变化，根据Villari效应，带材内部的磁感应强度随应力变化而发生改变，此时穿过带材的感应线圈将产生电压信号。将该信号输入信号处理单元，经过放大、滤波后，根据固定阈值将其整形为方波脉冲。根据起始脉冲和终止脉冲得到扭转波的传播时间，最终以传播时间与扭转波波速的乘积计算出液位高度。

从上述原理可知，利用Villari效应来检测导波信号将经历两个能量转换过程，分别为机械能到磁能的转换和磁能到电能转换。对于大量程应用场合，如20m高的大型储油罐，扭转波强度经长距离传播后衰减较大，此时再经过上述两个转化过程后在感应线圈中产生的电压信号较为微弱，信噪比低，不利于后续的信号处理和时间测量。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种磁致伸缩液位计的磁电检波装置，其目的是为了解决目前检波装置对微弱回波信号的检测能力不足而导致液位计有效量程受限的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括第一磁电复合材料、第二磁电复合材料、第一永磁体和第二永磁体；

第一磁电复合材料和第二磁电复合材料水平平行布置且以波导丝的中心为圆心分别点对称布置在波导丝的两侧，且第一磁电复合材料和第二磁电复合材料中靠近波导丝的一端分别固定连接于波导丝外圆周上以圆心对称的两处；与波导丝接触的第一磁电复合材料的一端以及与波导丝接触的第二磁电复合材料的一端之间的连线为过波导丝圆心的、且沿重力方向的一条竖直直径；

与波导丝非连接的第一磁电复合材料的另一端的上方平行放置第一永磁体，与波导丝非连接的第二磁电复合材料的另一端的下方平行布置第二永磁体，第一磁电复合材料和第二磁电复合材料均电连接到外部的信号处理单元；与波导丝非连接的第一磁电复合材料的另一端以及与波导丝非连接的第二磁电复合材料的另一端之间按差分结构连接到外部的信号处理单元。

所述的第一磁电复合材料和第二磁电复合材料均为两相层合结构，均包括压电材料和磁致伸缩材料，压电材料通过环氧树脂与磁致伸缩材料连接，靠近波导丝的磁致伸缩材料的一端沿波导丝径向固定于波导丝外圆周上，压电材料通过环氧树脂固定粘结于远离波导丝的磁致伸缩材料的另一端上；第一永磁体平行布置于第一磁电复合材料的压电材料的正上方且间隔布置；第二永磁体平行布置于第二磁电复合材料的压电材料的正下方且间隔布置。

所述的第一磁电复合材料的压电材料和第二磁电复合材料中的压电材料分别粘接于磁致伸缩材料时保持相同的极化方向，并且，第一磁电复合材料的压电材料的输出端和第二磁电复合材料的压电材料的输出端之间按差分结构连接后输出至外部的信号处理单元进行处理。

所述的第一磁电复合材料与第二磁电复合材料的磁致伸缩材料的磁致伸缩系数、杨氏模量相同，第一磁电复合材料与第二磁电复合材料的压电材料的压电常数、弹性常数相同。使得第一磁电复合材料和第二磁电复合材料具有相同的特性参数。

所述的压电材料的输出端布置在远离波导丝一端的压电材料的侧面。

所述的第一永磁体和第二永磁体的磁极方向平行且磁极布置相反。具体地可以是，所述的第一永磁体和第二永磁体的N极端均朝向靠近波导丝的方向或均朝向远离波导丝的方向，第一永磁体和第二永磁体的S极端均朝向远离波导丝的方向或均朝向靠近波导丝的方向。

所述的磁致伸缩材料与波导丝之间通过点焊工艺固接。

本发明通过永磁体提供的偏置磁场调整磁电复合材料的谐振频率，并将两片压电材料同极性放置以构成差分输出模式，从而有效提高了检波装置对微弱回波信号的检测能力，使输出电压信号的信噪比得到提高。

本发明的有益效果：

相较于通过感应线圈将导波信号转换为电压信号，应用磁电复合材料的优势：

(1)通过压电效应，直接将振动信号转换为电信号，转换效率较高。

(2)可通过偏置磁场调控磁电复合材料的谐振频率以接近扭转波振动频率，从而增大压电材料的输出电压，提高了检波装置对经长距离衰减后的微弱回波信号的检测能力，从而可以增大磁致伸缩液位计的有效量程。

附图说明

图1为磁电检波装置的结构示意图；

图2为采用磁电检波装置的液位计结构示意图；

图3为磁电检波装置与信号处理单元连接的的结构示意图；

图4为磁电复合材料的结构。

图中，1-第一磁电复合材料，2-第一永磁体，3-波导丝，4-第二永磁体，5-阻尼元件，6-浮子，7-限流电阻，8-电源，9-脉冲激励单元，10-导线，11-压电材料，12-环氧树脂，13-磁致伸缩材料，14-第一磁电复合材料。

具体实施方式

为了能够更清楚的说明本发明的目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面描述中阐述了很多细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施装置限制。

如图1所示，本发明包括第一磁电复合材料1、第二磁电复合材料14、第一永磁体2和第二永磁体4；第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14水平平行布置且以波导丝3的中心为圆心分别点对称布置在波导丝3的两侧，且第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14中靠近波导丝3的一端分别固定连接于波导丝3外圆周上以圆心对称的两处；与波导丝3接触的第一磁电复合材料1的一端以及与波导丝3接触的第二磁电复合材料14的一端之间的连线为过波导丝3圆心的、且沿重力方向的一条竖直直径；

与波导丝3非连接的第一磁电复合材料1的另一端的上方平行放置第一永磁体2，与波导丝3非连接的第二磁电复合材料14的另一端的下方平行布置第二永磁体4，第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14均电连接到外部的信号处理单元；与波导丝3非连接的第一磁电复合材料1的另一端以及与波导丝3非连接的第二磁电复合材料14的另一端之间按差分结构连接到外部的信号处理单元。

如图1和图4所示，第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14均为两相层合结构，均包括压电材料11和磁致伸缩材料13，压电材料11通过环氧树脂12与磁致伸缩材料13连接，靠近波导丝3的磁致伸缩材料13的一端沿波导丝3径向固定于波导丝3外圆周上，具体实施的磁致伸缩材料13与波导丝3之间通过点焊工艺固接。压电材料11通过环氧树脂12固定粘结于远离波导丝3的磁致伸缩材料13的另一端上；第一永磁体2平行布置于第一磁电复合材料1的压电材料11的正上方且间隔布置；第二永磁体4平行布置于第二磁电复合材料14的压电材料11的正下方且间隔布置。

如图1和图2所示，第一永磁体2和第二永磁体4的磁极方向平行且磁极布置相反。具体地可以是，所述的第一永磁体2和第二永磁体4的N极端均朝向靠近波导丝3的方向或均朝向远离波导丝3的方向，第一永磁体2和第二永磁体4的S极端均朝向远离波导丝3的方向或均朝向靠近波导丝3的方向。

第一磁电复合材料1与第二磁电复合材料14的磁致伸缩材料13的磁致伸缩系数、杨氏模量相同，第一磁电复合材料1与第二磁电复合材料14的压电材料11的压电常数、弹性常数相同，使得第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14具有相同的特性参数。

第一磁电复合材料1中压电材料11粘接在磁致伸缩材料13的极化方向和第二磁电复合材料14中压电材料11粘接在磁致伸缩材料13的极化方向相同；并且，第一磁电复合材料1的压电材料11的输出端和第二磁电复合材料14的压电材料11的输出端之间按差分结构连接后输出至外部的信号处理单元进行处理，压电材料11的输出端布置在远离波导丝3一端的压电材料11的侧面。

本发明的实施工作过程：

如图2所示，第一永磁体2和第二永磁体4分别为第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14提供一定大小的偏置磁场，调整第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14的谐振频率与由扭转波引起的质点振动频率相同或者相近，使第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14中的压电材料1在磁致伸缩材料13发生振动时输出的电压信号增强。

如图3所示，波导丝3、限流电阻7、电源8、脉冲激励单元9和导线10共同构成电流回路，测量液位时，首先由脉冲激励单元9产生一定脉宽的方波信号，该方波信号通过导线10加载到波导丝3中并在其表面附近形成周向磁场，根据魏德曼效应，波导丝3产生的周向磁场与浮子6内部的永磁体在波导丝3中形成的轴向磁场瞬时叠加时，波导丝3的表面将发生扭转形变并由此激发出扭转波，该扭转波以一定速度向波导丝3的两端传播，当扭转波到达第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14时，引起第一磁电复合材料1的磁致伸缩材料13内部产生振动位移的方向和第二磁电复合材料14的磁致伸缩材料13内部产生振动位移的方向相反，如图1中，波导丝3在某时刻产生顺时针的扭转波切向位移，在该时刻下第一磁电复合材料1的磁致伸缩材料13内部产生向右的振动位移，第二磁电复合材料14的磁致伸缩材料13内部产生向左的振动位移，并通过环氧树脂12作用到各自的压电材料11上，由于第一磁电复合材料1和第二磁电复合材料14中的压电材料11同极性放置，此时在各自震动位移作用下将输出极性相反的两个电压信号并最终通过差分输出结构进一步放大。将该信号输入信号处理单元，经放大、滤波和整形后可根据起始脉冲和终止脉冲确定扭转波的传播时间，从而根据TOF法计算出浮子6的绝对位置。对于到达波导丝3末端的扭转波，其大部分能量被阻尼元件5吸收，从而减小端面反射波对检测信号的干扰。