超導(dǎo)磁體低溫液位監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
引言
超導(dǎo)磁體相對(duì)于常規(guī)磁體而言，具有勵(lì)磁線圈電流密度大、電流穩(wěn)定性高、功耗小、體積小和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，可滿足用戶對(duì)磁場(chǎng)高強(qiáng)度、高均勻度和高穩(wěn)定度等性能的要求，在科學(xué)研究、醫(yī)療診斷、交通運(yùn)輸和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，其中采用了超導(dǎo)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(gè)產(chǎn)值巨大的市場(chǎng).隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科教醫(yī)衛(wèi)事業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)超導(dǎo) NMR 和 MRI儀器設(shè)備的需求也在飛速增長(zhǎng)，但是這些儀器設(shè)備的核心技術(shù)與制造基本上控制在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中，為了打破國(guó)外的技術(shù)壟斷并滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的巨大需求，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)目前正在積極開(kāi)展超導(dǎo)儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新研制.
1 液氦和液氮的液位測(cè)量原理
1.1 液氦液位的測(cè)量原理
液氦的測(cè)量使用電阻式傳感器，其測(cè)量原理如圖 1 所示.使用一根鈮鈦超導(dǎo)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(fù)極，V+端和 V-端輸出超導(dǎo)絲的電壓.測(cè)量時(shí)，浸沒(méi)在液氦中的那部分超導(dǎo)絲呈超導(dǎo)態(tài)，電阻為 0;而液面之上的超導(dǎo)絲由于加熱電阻的作用呈正常態(tài).通過(guò)測(cè)量傳感器的電阻變化量，即可檢測(cè)液氦液面的變化.
1.2 液氮液位的測(cè)量原理
液氮的測(cè)量使用電容式液位傳感器，其測(cè)量原理如圖 2 所示，電容傳感器由兩個(gè)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(gè)管子的位置，外管的管壁上開(kāi)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(dāng)液位變化時(shí)，傳感器的電容量也相應(yīng)變化，可以檢測(cè)出液位的變化.
2 液位監(jiān)測(cè)單元的硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件整體設(shè)計(jì)
液位監(jiān)測(cè)單元的硬件整體架構(gòu)如圖 3 所示，液位監(jiān)測(cè)單元硬件電路主要由模擬信號(hào)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(shè)計(jì)
為了適應(yīng)不同規(guī)格的電阻傳感器對(duì)電流源的需求，由微控制器所產(chǎn)生的 PWM 輸出經(jīng)過(guò)光耦合器的隔離耦合以及比較器的緩沖后，再經(jīng)過(guò)低通濾波后輸出一個(gè)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(jìn)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(yīng)的頻率 FREQ_OUT，輸出頻率經(jīng)過(guò)光耦的隔離耦合后進(jìn)入微控制器進(jìn)行處理，從而計(jì)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(hào)為 ICM7555 的555 定時(shí)器構(gòu)建一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電容-頻率轉(zhuǎn)換電路.電容傳感器的兩個(gè)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(duì)電容進(jìn)行充放電，使得電容上的電壓在門(mén)限電壓上下反復(fù)震蕩，通過(guò) 555 定時(shí)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(yīng)的脈沖波形.
2.5 微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以 STM32F103 微控制器作為控制核心，對(duì)模擬接口電路輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行處理，并通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)為壓控電流源提供輸入脈沖，通過(guò) CAN 總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，液氦和液氮的液位信息在微控制器內(nèi)進(jìn)行計(jì)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(shí)，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警.圖 7 所示為微控制器系統(tǒng)電路的框圖.
3 液位監(jiān)測(cè)單元的軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件總體設(shè)計(jì)
液位監(jiān)測(cè)軟件的主要功能是通過(guò) CAN 通信設(shè)置兩個(gè)測(cè)量通道的`各項(xiàng)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(cè)量通道反饋回來(lái)的頻率信號(hào)進(jìn)行處理，得出液位信息后顯示在 LED 數(shù)碼管上，并通過(guò) CAN 通信接口上傳給上位機(jī).
3.2 頻率信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)
STM32F103 包含了多個(gè)通用定時(shí)器，為了能夠同時(shí)測(cè)量液氦和液氮的液位，本文使用通用定時(shí)器 TIM2 和 TIM3 分別為液位監(jiān)測(cè)的兩個(gè)通道進(jìn)行頻率信號(hào)處理.在STM32F103 初始化的時(shí)候?qū)?TIM2 和 TIM3 進(jìn)行配置，其時(shí)鐘由內(nèi)部時(shí)鐘源提供為 72MHz，預(yù)分頻值為 1，計(jì)數(shù)器設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，自動(dòng)重載寄存器的值設(shè)置為 65 535.
4 液位監(jiān)測(cè)單元的功能測(cè)試
液位監(jiān)測(cè)單元經(jīng)過(guò) PCB 的器件焊接和各個(gè)功能模塊的調(diào)試后進(jìn)行了功能測(cè)試.在默認(rèn)設(shè)置中，液位監(jiān)測(cè)單元啟用了兩個(gè)測(cè)量通道，通道 1 用于液氦測(cè)量，通道 2 用于液氮測(cè)量.
5 結(jié)論
本文首先介紹了超導(dǎo)磁體液氦和液氮的液位監(jiān)測(cè)單元的研究背景和意義，接著介紹了液氦和液氮的液位測(cè)量原理，然后詳細(xì)闡述了基于 STM32 微控制器的雙通道低溫液位監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案，即從微控制器 STM32F103 輸出的 PWM 波形控制電流源輸出一個(gè)穩(wěn)定的電流，同時(shí)，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(hào)，輸入到微控制器 STM32 中進(jìn)行處理，最后由 STM32 輸出的液位信息在 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示并通過(guò) CAN 通信傳至上位機(jī).最后通過(guò)測(cè)試表明，實(shí)現(xiàn)了液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制等功能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性.
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