超導磁體低溫液位監(jiān)測單元的設計與實現(xiàn)論文
引言
超導磁體相對于常規(guī)磁體而言，具有勵磁線圈電流密度大、電流穩(wěn)定性高、功耗小、體積小和運轉(zhuǎn)費用低等優(yōu)點，可滿足用戶對磁場高強度、高均勻度和高穩(wěn)定度等性能的要求，在科學研究、醫(yī)療診斷、交通運輸和電力系統(tǒng)等領域有著廣闊的應用前景，其中采用了超導磁體的核磁共振(NMR)譜儀和磁共振成像(MRI)儀更是發(fā)展形成了一個產(chǎn)值巨大的市場.隨著國民經(jīng)濟和科教醫(yī)衛(wèi)事業(yè)的迅速發(fā)展，我國對超導 NMR 和 MRI儀器設備的需求也在飛速增長，但是這些儀器設備的核心技術(shù)與制造基本上控制在少數(shù)發(fā)達國家手中，為了打破國外的技術(shù)壟斷并滿足國內(nèi)市場的巨大需求，我國科研機構(gòu)目前正在積極開展超導儀器設備的自主創(chuàng)新研制.
1 液氦和液氮的液位測量原理
1.1 液氦液位的測量原理
液氦的測量使用電阻式傳感器，其測量原理如圖 1 所示.使用一根鈮鈦超導絲制成的液位傳感器插入液氦中，其中 I+端和 I-端連接電流源的正負極，V+端和 V-端輸出超導絲的電壓.測量時，浸沒在液氦中的那部分超導絲呈超導態(tài)，電阻為 0;而液面之上的超導絲由于加熱電阻的作用呈正常態(tài).通過測量傳感器的電阻變化量，即可檢測液氦液面的變化.
1.2 液氮液位的測量原理
液氮的測量使用電容式液位傳感器，其測量原理如圖 2 所示，電容傳感器由兩個同軸不銹鋼管構(gòu)成，中間使用聚四氟乙烯絕緣材料固定兩個管子的位置，外管的管壁上開有若干流通孔，使液氮能在電容傳感器中自由流入或流出.由于空氣和液氮的介電常數(shù)不同，當液位變化時，傳感器的電容量也相應變化，可以檢測出液位的變化.
2 液位監(jiān)測單元的硬件設計
2.1 硬件整體設計
液位監(jiān)測單元的硬件整體架構(gòu)如圖 3 所示，液位監(jiān)測單元硬件電路主要由模擬信號處理電路和以 STM32ARM 微控制器為核心的控制系統(tǒng)組成.
2.2 壓控電流源的設計
為了適應不同規(guī)格的電阻傳感器對電流源的需求，由微控制器所產(chǎn)生的 PWM 輸出經(jīng)過光耦合器的隔離耦合以及比較器的緩沖后，再經(jīng)過低通濾波后輸出一個直流電壓以控制電流源.
2.3 電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路
電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖 5 所示，電阻式傳感器提供的電壓經(jīng)由接口 V+和V-進入電壓-頻率轉(zhuǎn)換器 TC9400 的 3 腳和 7 腳，然后在 8 腳輸出相應的頻率 FREQ_OUT，輸出頻率經(jīng)過光耦的隔離耦合后進入微控制器進行處理，從而計算出液氦的液位.
2.4 電容-頻率轉(zhuǎn)換電路
電容-頻率轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖 6 所示，采用 INTERSIL 公司型號為 ICM7555 的555 定時器構(gòu)建一個經(jīng)濟實用的電容-頻率轉(zhuǎn)換電路.電容傳感器的兩個極板分別連接P1 和 P2 接口，接口 PL1，PL2 和 PL3 分別接供電電源、頻率輸出和地，由電阻 R2和電容構(gòu)成積分電路，并周期性對電容進行充放電，使得電容上的電壓在門限電壓上下反復震蕩，通過 555 定時器內(nèi)部的比較器和觸發(fā)器的工作，可以在輸出管腳得到相應的脈沖波形.
2.5 微控制器系統(tǒng)設計
以 STM32F103 微控制器作為控制核心，對模擬接口電路輸出的頻率信號進行處理，并通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)為壓控電流源提供輸入脈沖，通過 CAN 總線與上位機進行通信，液氦和液氮的液位信息在微控制器內(nèi)進行計算，其結(jié)果在 LED 數(shù)碼管上顯示，并且在液位低于安全位置時，通過蜂鳴器進行報警.圖 7 所示為微控制器系統(tǒng)電路的框圖.
3 液位監(jiān)測單元的軟件設計
3.1 軟件總體設計
液位監(jiān)測軟件的主要功能是通過 CAN 通信設置兩個測量通道的`各項參數(shù)，并控制電流源為電阻式液氦傳感器提供工作電流，然后將測量通道反饋回來的頻率信號進行處理，得出液位信息后顯示在 LED 數(shù)碼管上，并通過 CAN 通信接口上傳給上位機.
3.2 頻率信號處理程序設計
STM32F103 包含了多個通用定時器，為了能夠同時測量液氦和液氮的液位，本文使用通用定時器 TIM2 和 TIM3 分別為液位監(jiān)測的兩個通道進行頻率信號處理.在STM32F103 初始化的時候?qū)?TIM2 和 TIM3 進行配置，其時鐘由內(nèi)部時鐘源提供為 72MHz，預分頻值為 1，計數(shù)器設置為向上計數(shù)模式，自動重載寄存器的值設置為 65 535.
4 液位監(jiān)測單元的功能測試
液位監(jiān)測單元經(jīng)過 PCB 的器件焊接和各個功能模塊的調(diào)試后進行了功能測試.在默認設置中，液位監(jiān)測單元啟用了兩個測量通道，通道 1 用于液氦測量，通道 2 用于液氮測量.
5 結(jié)論
本文首先介紹了超導磁體液氦和液氮的液位監(jiān)測單元的研究背景和意義，接著介紹了液氦和液氮的液位測量原理，然后詳細闡述了基于 STM32 微控制器的雙通道低溫液位監(jiān)測的設計方案，即從微控制器 STM32F103 輸出的 PWM 波形控制電流源輸出一個穩(wěn)定的電流，同時，兩路頻率轉(zhuǎn)換電路分別把電壓值和電容值轉(zhuǎn)換為頻率信號，輸入到微控制器 STM32 中進行處理，最后由 STM32 輸出的液位信息在 LED 數(shù)碼管進行顯示并通過 CAN 通信傳至上位機.最后通過測試表明，實現(xiàn)了液位的實時監(jiān)測、遠程監(jiān)測和遠程控制等功能，驗證了設計的可行性.
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