摘 要

在目前常用的液位传感器中，磁致伸缩液位传感器以其精度高、量程大、安全性可靠性高，能自校正免维护等一系列优点，被广泛应用于冶金、环保、化工等行业，尤其是易燃易爆、易挥发、有腐蚀的环境中，在液位测量领域发挥着越来越重要的作用。

本报告在简要介绍磁致伸缩原理的基础上首先分析了磁致伸缩液位传感器的工作原理，根据影响磁致伸缩材料性能的因素对波导丝材料进行了筛选，然后主要从硬件电路和软件方面提出了传感器设计的总体方案。由于此传感器的实物设计太过昂贵，无法在毕业设计的条件下完成实物制作，所以在传感器的机械结构方面只给出了大致的分析。在硬件电路方面，又分为模拟电路和数字电路两个部分。其中模拟电路的设计主要包括脉冲放大电路和回波信号放大和调理电路，数字电路的设计主要包括STM32中央控制电路、高精度计时电路以及通讯电路等；在软件方面，主要包括系统初始化程序、串口通讯程序（主程序）、计时中断程序、按键程序、延时程序、MODBUS校验码程序和计算程序等，以上程序全部在KeiluVision4集成开发环境下用C语言编写并通过调试。最后用LabVIEW图形化编程语言编写了上位机，通过MODBUS rtu协议，完成了对油罐当前液位的实时监测。在机械结构方面，主要介绍了传感器整体外观，以及回波检测装置的优化，还有减震吸波阻尼器和活动浮子的优化设计。

经实际测试表明，所设计的电路能很好的完成实际磁致伸缩液位传感器的计时功能，软件部分也能让下位机和上位机能很好的以MODBUS rtu协议完成通讯。

关键词：磁致伸缩，液位测量，STM32单片机，MODBUS rtu协议，LabVIEW

Abstract

In the current commonly used level sensor, magnetostrictive liquid level sensor with its high precision, large range, high reliability, self-calibration maintenance and a series of advantages, is widely used in metallurgy, environmental protection, chemical and other industries , Especially in flammable and explosive, volatile, corrosive environment, in the field of liquid measurement plays an increasingly important role.

Based on the brief introduction of magnetostrictive principle, this paper firstly analyzes the working principle of magnetostrictive liquid level sensor, and screens the waveguide material according to the factors that affect the performance of magnetostrictive material, and then mainly from the aspects of hardware circuit and software The overall scheme of sensor design is put forward. Because the physical design of this sensor is too expensive to complete the physical design under the conditions of graduation design, so the mechanical structure of the sensor is only given a rough analysis. In the hardware circuit, is divided into analog circuits and digital circuits in two parts. The design of the analog circuit mainly includes the pulse amplifier circuit and the echo signal amplification and conditioning circuit. The design of the digital circuit mainly includes STM32 central control circuit, high precision timing circuit and communication circuit. In software, it mainly includes system initialization program, serial port Communication procedures (main program), timing interrupt procedures, key procedures, delay procedures, MODBUS checksum procedures and calculation procedures, the above procedures are all in the KeiluVision4 integrated development environment written in C language and through debugging. Finally, using LabVIEW graphical programming language prepared by the host computer, through the MODBUS rtu protocol, completed the current level of tank real-time monitoring. In the mechanical structure, the main introduction of the overall appearance of the sensor, as well as the echo detection device optimization, as well as shock absorber damper and the optimal design of the floating float.

The actual test shows that the design of the circuit can be very good to complete the actual magnetostrictive level sensor timing function, the software part also allows the lower computer and the host function is very good to MODBUS rtu protocol to complete the communication.

Keywords: magnetostrictive, level measurement, STM32 microcontroller, MODBUS rtu protocol, LabVIEW

目录

1绪论 1

1.1研究背景 1

1.2磁致伸缩位移传感器国内外研究现状与前景 1

1.3常用位移传感器与磁致伸缩传感器的比较 2

1.4论文的研究目的和主要内容 4

2磁致伸缩液位传感器的工作原理与设计概述 6

2.1磁致伸缩效应概述 6

2.1.1磁致伸缩效应相关的基本效应 6

2.1.2磁致伸缩效应的产生机理 7

2.2磁致伸缩材料特性与选用原则 8

2.3磁致伸缩液位传感器的测量原理 9

3油罐液位传感器的机械结构设计 11

3.1磁致伸缩液位传感器机械结构的总体设计 11

3.2回波检测装置的设计与优化 11

3.2.1回波检测装置的设计 11

3.2.2回波检测线圈的优化 12

3.3活动浮子的设计 14

3.4减震吸波阻尼器的设计 15

4磁致伸缩液位传感器硬件电路设计 16

4.1硬件电路系统总体框图设计 16

4.2激励脉冲信号分析 16

4.3驱动脉冲放大电路的设计 18

4.4回波信号放大和调理电路 19

4.4.1回波信号放大电路 19

4.4.2带通滤波电路设计 20

4.4.3回波信号整形电路 21

4.5基于STM32的核心控制电路的设计 22

4.5.1 STM32单片机简介 22

4.5.2 时间检测电路设计 23

5基于Modbus协议的软件程序和上位机设计 26

5.1Modbus rtu协议介绍 26

5.2磁致伸缩液位传感器软件系统设计 27

5.2.1软件主程序的设计 27

5.2.2其它相关硬件程序 31

5.3基于Labview的上位机设计 31

5.4下位机与上位机通讯测试 33

6结论 37

参考文献 38

致谢 38

附录 40

1程序清单 40

1绪论

1.1研究背景

随着科学技术的快速发展，尤其是在新材料的不断涌现和计算机通信技术的迅猛发展的条件下，测试技术作为信息技术的三大支柱之一，它的测试水平正在飞速提高，然而在如今的液位测量技术无法很好的达到人们的预期要求^[1]。液位测量方法亟待技术的支持和原理的更新。其实在许多行业的各种油罐的液位测量系统中同样面临着上述或多或少的问题，这些行业包括石油、化工、水利、制药、食品、饮料等行业^[2]。磁致伸缩位移传感器可以有效的解决其它液位传感器遇到的问题。除了拥有广泛的使用行业领域，基于磁致伸缩效应的传感器与基于其它原理的传感器的测量方式相比较主要有几个突出优点:(1)可靠性强。（2）精度高。现在的用于磁致伸缩液位传感器的计时装置可以达到很高的精度，现在传感器的精度最高可以达到0.002％FS。（3）量程大。量程可以从10mm到10m，可用于多种测量要求的工业现场。（4）便于系统自动化工作。（5）安全性高。

1.2磁致伸缩位移传感器国内外研究现状与前景

从20世纪六十年代起，美国和日本等发达国家最先对磁致伸缩原理如何应用到液位测量领域开始了研究。进入21世纪，随着工业技术的快速发展和新型优质材料的接连涌现，使得该传感器的总体性能也在不断提得到改进和提高。目前，美国的MTS公司和德国的AMS公司在这一领域有着举足轻重的地位^[3]。

随着我国工业技术的发展和自动化程度的提高，工业现场对位移传感器的性能提出了更苛刻的要求，不仅要求液位传感器具有非接触、量程大、高精度、高可靠性及使用便捷等性能，而且还要求具有适应恶劣工况和特殊环境的能力。所以我国从1990年左右，就开始了磁致伸缩液位传感器的研究工作。经过高校和企业近30年的不懈努力，国内的磁致伸缩液位传感器在性能上有了很大的进步，在某些方面有所突破性的成就，比较突出的成就是为磁致伸缩液位传感器的激励脉冲发生装置和回波信号拾取装置提供了理论上的依据^[4]。但是在精度、可靠性方面还远没有达到国际一流水平；总之还需要投入更多的资金和人才资源到这方面的研究上来缩短国内外水平的差距。