谈磁性液体加速度传感器电路的模拟仿真与实现

摘要：磁性液体是一种新型的纳米功能材料，它是目前唯一在常温下可以存在的液态超顺磁性物质，具有液体的流动性和磁性材料的磁性性质。将磁性液体应用到加速度传感器领域，这在国内还是一个崭新的课题，对于新型传感器的开发有重要意义。文章经过对磁性液体加速度传感器电路的仿真与实验研究，加深对传感器信号处理的认识，从理论上研究影响传感器性能参数的主要因素，并通过对磁性液体加速度传感器实验模型的研究，发现设计中存在的问题并进行分析。

关键字：磁性液体；加速度传感器；电路模拟仿真；

1、引言

随着现代科学技术的迅猛发展，加速度传感器已越来越，“泛地应用于军事、航空航天、交通运输、机械等各个领域，而且也逐步走入了人们的日常生活。国内外对加速度传感器的研究和发展越来越重视，它已成为某些技术领域不可缺少的必要手段。磁性液体加速度传感器问世至今，虽未超过三十年的时间，但已显示出强大的生命力，在国外一些国家甚至已经形成了一个较大规模的产业，例如：永磁悬浮加速度传感器，是将永磁悬浮理论作为加速度传感器的基础，以提高传感器的整体性能，这方面已有很多成功的例子，在此领域内已经有许多的发明专利。

2、磁性液体加速度传感器的定义与分类

通常加速度传感器由惯性质量、弹性元件、阻尼器、壳体、其他传感器(力、速度、位移)等几个部分组成。基于磁性液体原理的加速度传感器也可以由上述几部分组成。磁性液体应用于加速度测量，一般是利用磁性液体具有流动性，并且具有磁性的特点。

磁性液体加速度传感器的理论基础是磁性液体的悬浮理论：它包括非磁性体悬浮理论与永磁体悬浮理论(也称一阶悬浮理论与二阶悬浮理论)，非磁性体悬浮理论是指磁性液体在磁场的作用下可以将比重比磁性液体大的非磁性物质物质悬浮起来；永磁体悬浮理论是指磁性液体在磁场的作用下可以将沉浸在其中的比重比磁性液体大的永磁体悬浮起来。

3、磁性液体加速度传感器电路的模拟仿真

在考虑到传感器的实际工作电路可能会存在种种问题，同时也为了避免连接电路的盲目性，结合在实际中测得的一些具体参数，决定先对加速度传感器的电路进行模拟仿真。仿真软件采用的是Multisiml0.0，该软件是一个优秀的电子技术训练工具，它能够替代电子实验室中的多种传统仪器，是一个具有灵活、成本低、高效率的虚拟电子实验室。

3.1信号的输出

本小节将讨论一下磁性液体加速度传感器的输出信号。该传感器采用的是电桥连接的方式(如图1所示)。其中R1、L1、RL2、L2为变压器次级线圈等效后的结果，R3、L3、R4、L4为传感器上电感线圈的等效结果。通过信号发生器给电路一个交流输入信号，通过示波器可以清楚观察到输出信号。(如图1)

当电桥的四个臂，处于平衡状态时，从理论上得知无论有什么样的输入，输出信号应该总为零。假设输入信号为幅值为10V，频率为200HZ的正弦信号。根据前人的经验，在传感器的输出信号比较微弱时，需要经过信号的处理，对其进行放大处理，把传感器的微弱的、复杂的交流信号转变成可以直接读出的、简单的直流信号。

3.2信号的放大电路

由于现在电路的发展方向为规模化、集成化等，所以将采用集成运算放大器进行放大电路的设计。设计思路为：采用两级放大电路，放大电路应适合低频、交流信号。我们设计了传感器的外围放大电路，具体的设计结果如图2：

在上面的电路中，采用了两级放大电路。其中第一级放大电路采用了OP-07运算放大器，它是一种超低失调、高精度的运算放大器，该级放大电路的放大倍数设计为10。第二级放大电路采用LM-324运算放大器，它是单片集成高增益、内补偿四运算放大器，可在较宽电压范围的单电源下工作。其电源电流很小，并且与电源电压大小无关。该器件可用于转换放大器、直流增益单元和通常的运算放大器。第二级放大电路设计成放大倍数可调，使其能够得到一个合适大小的输出值，同时也为了避免超出集成运算放大器的最大输出电压，该级放大电路的最大放大倍数为20倍。

3.3信号的整流电路

整流电路是把正、负交变电压转换成单极性电压的电路。若能把微弱的交流电转换成单向脉动电，则称为精密整流或精密检波。此电路须由精密二极管(由运放和二极管组成)来实现。整流电路分为半波整流电路和全波整流电路。该电路拟采取全波整流电路。全波整流电路的输出电压是输入电压的绝对值，因此全波整流电路又称绝对值电路。

如图3所示，第一级为反相输入、负极性输出的半波整流电路，第二级为反相求和电路。(如图3)

4、磁性液体加速度传感器电路的实验性能测试

通过前面对磁性液体加速度传感器的理论研究以及对其电路的仿真研究，对该传感器的设计已经有了一个大概的思路。为了验证设计思路，将理论应用到实际当中去，下面将进行传感器实际模型的设计及实验，并且去探索其中存在的问题。

进行传感器的研究最重要的就是对传感器信号的处理，也就是外围电路的设计。在前面已经经讨论过传感器的基本原理以及外围电路的仿真研究，但是仿真研究一般是在比较理想的情况下的结果，实际电路连接中会受到外界各种各样的干扰，如温度变化、磁场作用等等，这都会对实验结果产生不同程度的影响，有时就需要对设计的电路进行改善，使其处于最佳状态。

4.1放大电路的连接实验

首先介绍一下放大电路的实验研究，该电路的主要功能是将传感器输出的微弱信号进行放大处理。与仿真研究不同的是，在实验之前我们首先要做的就是实验器材的准备以及对元器件实物功能及结构的了解。

本实验采用CA1640-02型函数发生器产生激励信号，此发生器的频率范围为0.2Hz-2MHz，最高输出波形的峰峰值Vp-p为50V。

通过前面仿真电路的设计以及各元件功能结构的分析，连接了信号的放大电路部分。信号发生器提供一个峰峰值为20mV左右，频率大约为200HZ的正弦波，下面为示波器所显示的第一级放大电路的输出波形。(如图1)

4.2整流电路的连接实验

首先本实验仍然使用上面的信号发生器提供输入波形以及采用示波器进行输出波形的检波。本实验采用uA747型运算放大器。

uA747放大器的电源电压范围为：士15V，内含双运算放大器，它们共用一个偏置网络和电源端，另外它们的工作互不影响，当共模范围超过时不会自锁。根据仿真设计的电路图进行元件的连接，在连接时发现实际采购的电阻一般都会存在一定的误差，不能与设计要求完全符合，故部分电阻换成了电位器，便于根据实际需要进行波形的调整。下图5中，波形1为经过整流电路后输出的波形，波形2为输入波形。(如图1)

5、结束语

在过去二三十年中，磁性液体在传感器方面的应用得到了很快的发展。美国、德国、日本、罗马尼亚等国在新型磁性液体传感器都做了大量工作，相关专利成果不断涌现。在各国都将传感器技术列为重点发展技术的大背景下，磁性液体传感器将会有很大的发展空间，如果再将现有的磁性液体传感器与MEMS技术结合将会使其上升到一个新的高度。但是，国内磁性液体传感器的研究还属于起步阶段，并没有相关类型的产品上市，如果本研究能够研制成功，必将填补围内空白，推动我围的传感器发展。