基于韋根特效應的零低功耗磁敏傳感器電子地表水的研制

基于韋根特效應的零低功耗磁敏傳感器電子地表水的研制

目前，市場上最先進的智能電子地表水工作原理是，當水從表中入口并推動葉片旋轉(zhuǎn)時，葉片旋轉(zhuǎn)速度與水速成正比。因此，當用感應線圈將葉磁鋼生成的旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)時，將其轉(zhuǎn)換為原始的流量信號，并對其進行放大、過濾、形狀和其他處理程序進行放大、過濾和顯示。這些電子水域中使用的流量傳感器仍然是干簧管和霍爾傳感器。由于其自身的機械特點，干簧管也存在許多應用問題?；魻杺鞲衅饕灿泄逃械娜秉c。首先，效率低下。第二，在低或高速增速的情況下，由于韋根特效應（一種新的合金函數(shù)材料）制成的電頻帶中的電脈沖出現(xiàn)。當需要外阻力時，在一定的激勵下，它會繞過特定的線圈，并產(chǎn)生脈沖。在一定的磁體上，除了施加電源外，還會產(chǎn)生具有恒定振幅和寬度的電脈沖。脈沖的幅度大于1厘米。零用環(huán)函數(shù)效應生產(chǎn)的零用磁敏傳感器（wg傳感器）具有零干擾、零響應頻率的優(yōu)點。由于材料學的原理，它同時具有零干擾、零中斷和霍爾傳感器抗振動、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。同時，與無磁傳感器相比，wg傳感器具有零干擾、體積小、安裝方便、價格低等優(yōu)點。wg傳感器與傳統(tǒng)的機械地表水系統(tǒng)一致，形成了新的電子水表。使用wg傳感器直接表示葉片的旋轉(zhuǎn)，極大地降低了系統(tǒng)前的預處理過程。此外，該傳感器是一個無源器，降低了系統(tǒng)的總功耗。在本文件中，使用了南京寧興公司生產(chǎn)的wg傳感器。1原則和特點1.1傳感器的脈沖輸出韋根特絲是用一種坡莫合金或維卡合金制成的新型功能合金絲,直徑0.3mm.由外殼和內(nèi)芯組成,如圖1所示.經(jīng)特殊加工后,外殼和內(nèi)芯具有不同的矯頑力,外殼需要加比內(nèi)芯高很多的磁場才能使其改變極性.為了產(chǎn)生脈沖,采用兩塊磁場強度大小相等但極性相反的磁鐵,一塊磁鐵首先將韋根特絲的外殼和內(nèi)芯按同一方向進行滲透.再將韋根特絲切換到第二塊磁鐵,在這過程中,首先線芯的極性改變,然后外殼的極性發(fā)生改變.這一作用在檢測線圈中產(chǎn)生一個方向的電壓脈沖輸出.接著,再將韋根特絲轉(zhuǎn)回第一塊磁鐵,首先內(nèi)芯的極性改變?yōu)槠鹗嫉臉O性方向,其次外殼的極性也隨之改變?yōu)槠鹗嫉臉O性,這一過程產(chǎn)生相反方向的電壓脈沖輸出.只要磁鐵不斷旋轉(zhuǎn),傳感器就能發(fā)出正負交替出現(xiàn)的脈沖信號.1.2wg型磁敏傳感器的負載特性如圖2所示,WG型磁敏傳感器由3部分組成:一根短的韋根特絲、一個纏繞在韋根特絲上或放置在韋根特絲附近的檢測線圈、信號引出線和外殼.圖3是WG型磁敏傳感器的工作曲線.從圖上可以看出,輸出電壓幅值,不是磁場強度的線性函數(shù).從2mT開始,輸出幅值隨磁場強度的增加而上升.超過6mT后,隨磁場強度的增加而下降.圖4描述了WG型磁敏傳感器的電阻負載曲線.由圖可知,傳感器的電阻的負載能力不強.隨著負載電阻減小,輸出電壓會很快下降.圖5是WG傳感器的電容負載曲線,同樣它的負載能力也不強,隨著負載電容的增加,輸出電壓會下降,但下降的幅度遠不如電阻大.WG傳感器具有如下特點:(1)工作時無需提供外加電源.在一定的磁感應強度的磁場的作用下,能輸出幅度大于1V的脈沖電壓;(2)信號脈沖,一定是一正一負成對出現(xiàn);(3)脈寬在30μs左右,寬度是恒定;(4)對觸發(fā)信號所用的磁鐵的運動速度沒有要求.在0~10kHz的范圍內(nèi),輸出電壓脈沖的幅度和寬度恒定.因此,可實現(xiàn)超低速檢測;(5)具有很寬的工作溫區(qū).在-196℃到+300℃的溫度范圍內(nèi);(6)體積小,無觸點,無抖動,耐腐蝕,工作穩(wěn)定且壽命長;(7)利用電話線、同軸線可實現(xiàn)信號的遠傳.2電子表基表基電子水表中WG型磁敏傳感器采用對稱驅(qū)動的方式,轉(zhuǎn)動軸端裝永磁體,轉(zhuǎn)一圈輸出一對脈沖,幅度在1V左右.在此磁路設計中,應盡量地讓磁力線平行地穿過傳感器的中心,在中心中點處的磁感應強度必須控制在6mT左右.傳統(tǒng)的機械水表的葉輪上,有一個Φ9.5mm×Φ6mm×3mm的小磁環(huán),它原是用來吸住隔水板上面的另一個小磁環(huán)以便將葉輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)用齒輪和指針顯示出來.經(jīng)過測試小磁環(huán)一般是個一對極結構(只能用一對極的!)磁鐵,一半是N極,另一半是S極,表面磁感應強度在80mT左右.但是如果在電子水表中直接使用上述的小磁環(huán),則系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性將會很差,因為在自來水中,由于水管銹蝕(暖水管尤甚),水中含有大量氧化鐵屑.在小磁環(huán)的NS極分界線處,會吸附大量鐵銹而使磁力線短路(此外的線速度很小),并使空間磁場強度分布大幅衰減,最終造成傳感器工作失效.所以,從可靠性這方面考慮,磁鐵的選用形狀的合理性、時效性、熱穩(wěn)定性(熱能表更應注意其熱穩(wěn)定性)都要給予足夠的關注.現(xiàn)用的小磁環(huán)被二塊分開的磁鐵所代替,改進后的系統(tǒng)在距離磁體正表面上5.3mm處磁場強度為5.5mT.若在高溫情況下使用,則磁感應強度設計要留有一定的余量,因為磁鋼的磁場強度會隨著溫度的上升而下降.另外還需要注意磁屏蔽,防止周圍雜散電磁場的干擾.圖6就是我們和某水表廠共同研制開發(fā)的基于零功耗磁敏傳感器的電子水表基表.圖7是此電子水表中由WG傳感器發(fā)出的脈沖信號,輸出幅度都大于1V.3wg型智能水表以上是我們研制的電子水表的基表,完整意義上的智能電子水表還需對水表基表產(chǎn)生的脈沖信號進行放大整形,并且利用單片機進行數(shù)據(jù)處理,然后進行數(shù)據(jù)的顯示或遠傳,這些本文就不一一討論了.電子水表基表的出現(xiàn),為各電子技術公司創(chuàng)造了一個極為有利的智能水表開發(fā)平臺.在此基礎上,利用一些基本的硬件知識和豐富的軟件構想,可以開發(fā)出各種性能獨特的智能表.WG傳感器采用材料學原理解決了零功耗問題,其無功耗、無機械觸點、無震動影響等多項優(yōu)點將全面取代干簧管及霍爾傳感器.在解決了水表問題后,熱量表、電傳煤氣表和各種齒輪儀表的電子化問題將迎刃而解.WG傳感器還可用在各種生產(chǎn)