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磁翻板液位計采用新異性磁電阻開關(guān)芯片的工作原理

閱讀：70發(fā)布時間：2025-7-23

隨著技術(shù)的升級疊代，各種新技術(shù)與新材料也在磁翻板液位計這種傳統(tǒng)型的液位計中被采用，因為磁翻板液位計具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在液位計應(yīng)用市場中占了非常大的比率。本文介紹的即為利用各向異性磁電阻(AMR)開關(guān)芯片設(shè)計了一種磁翻板液位計及其測試電路系統(tǒng)，利用微處理器的 I/O 口直接讀取各個 AMR 傳感器的輸出電壓，從而獲得液位高度信息，利用 USB 轉(zhuǎn)UART 實現(xiàn)和計算機之間的液位數(shù)據(jù)通信。測試結(jié)果表明，所制作的液位計可以準(zhǔn)確監(jiān)測液位高度。是磁翻板液位計未來的發(fā)展方向之一。

1 引言
磁翻板液位計由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量范圍寬、讀數(shù)直觀、安裝使用維修方便，且液位指示器與測量介質(zhì)隔離而具有安全性好等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用在煉油、食品加工、化工、冶金、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的液位測量中。常見的磁翻板液位計采用干簧管作為磁敏感元件，然而干簧管易碎，在運輸和焊接過程中安全性較差。干簧管為機械結(jié)構(gòu)，有工作壽命限制，特別是在大電流的高負(fù)載條件下，其壽命會縮短。同時，利用干簧管設(shè)計的磁翻板液位計分辨率和精度也不高，因此，有必要進(jìn)一步研制分辨率和精度高的磁翻板液位計。
本研究利用 AMR 開關(guān)芯片設(shè)計了一個磁性液位傳感器，分析了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路信號處理，所制作的磁翻板液位計可以方便地檢測液位高度，并可以和計算機通訊傳遞液位數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計
2.1 AMR開關(guān)芯片
AMR開關(guān)芯片是基于磁性薄膜的各向異性磁電阻效應(yīng)而開發(fā)的一類傳感器芯片，當(dāng)外磁場強度低于其工作點時，輸出高電平；反之，當(dāng)外磁場強度高于其工作點時，輸出低電平。本設(shè)計采用電子科技大學(xué)與貴州雅光電子股份有限責(zé)任公司聯(lián)合研制的 CC7001AMR 開關(guān)芯片 [5] 來設(shè)計磁翻板液位計。該AMR 開關(guān)芯片采用 SOT-23 封裝，尺寸小，適用于磁翻板液位計，所采用的芯片輸出曲線如圖 1 所示，由于該傳感器芯片已經(jīng)集成了信號處理電路，直接輸出高低電平，省去了很多后處理電路，使得設(shè)計液位計電路變得非常簡單。該芯片的主要指標(biāo)為：工作電壓 1.8～5 V，工作溫度－55～+150 ，工作點為 10 Oe，磁滯 1 Oe，靜態(tài)電流僅 1.6 μA。

2.2 工作原理
利用 AMR 開關(guān)芯片設(shè)計的磁翻板液位計及其工作原理如圖 2 所示。內(nèi)含永磁體的浮子置于連通器中，液位計在連通器外緊貼連通器。該液位計包含12 個等間距分布的 AMR 開關(guān)芯片。其基本原理是：與浮子緊鄰的 AMR 開關(guān)芯片受到磁體磁場作用，其輸出電壓為低電平，而遠(yuǎn)離浮子的開關(guān)芯片輸出電壓為高電平，當(dāng)浮子隨著液面變化在連通器內(nèi)上下移動時，開關(guān)芯片的輸出特性隨著變化。因此，通過判斷每個開關(guān)芯片的輸出電壓大小即可知道浮子的位置，從而確定液位。
液位計結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

2.3 電路設(shè)計與制作
液位檢測電路系統(tǒng)主要包括電源轉(zhuǎn)換、微處理器、OLED 顯示屏、USB 轉(zhuǎn) UART（通用異步收發(fā)傳輸器）通信以及其他相關(guān)模塊等，如圖 3 所示。其中，電源轉(zhuǎn)換用于獲得裝置所需的各路電壓，微處理器通過片上 A/D 采集電源轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行實時電壓監(jiān)測。通過 I/O 口采集 12 路開關(guān)芯片的電壓信息，通過 USB轉(zhuǎn) UART 通信將液位數(shù)據(jù)傳輸至電腦等其他設(shè)備，USB 轉(zhuǎn) UART 通信以 SCI（串行通信接口）通信方式實現(xiàn)電腦與微處理器相連接。同時在 OLED 顯示屏液位信息，OLED 顯示屏以 IIC（兩線式串行總線）通信方式與微處理器相連接。對于其中任意一個 AMR開關(guān)芯片，其檢測電路如圖 4 所示。
單個 AMR 開關(guān)芯片檢測電路

微處理器的液位檢測程序流程如圖 5 所示。當(dāng)檢測電路通電后，進(jìn)行初始化，啟動定時器，定時時間為 250 ms，若定時時間到，則通過片上 I/O 采集 12 路開關(guān)芯片的電壓，計算出液面信息，并通過SCI 傳輸至 USB 轉(zhuǎn) UART 模塊，OLED 顯示屏也會顯示相關(guān)信息，循環(huán)上述過程，直至結(jié)束。在計算液面高度時，如果只有一個開關(guān)芯片的輸出電壓為低電平，則認(rèn)為液面此時位于該開關(guān)芯片位置，當(dāng)有兩個相鄰的開關(guān)芯片輸出電壓都為低電平時，則認(rèn)為液位介于這兩個開關(guān)芯片之間。設(shè)計的液位計中兩個相鄰開關(guān)芯片距離為 1 cm，因此，可以認(rèn)為本文設(shè)計的液位計可以分辨 0.5 cm 的距離。通過降低兩個相鄰芯片之間的距離，結(jié)合位置計算算法，可以進(jìn)一步提高液位的分辨率。根據(jù)所設(shè)計的液位檢測電路系統(tǒng)，采用兩層印制電路板工藝制作實物樣品，如圖 6 所示，其中微處理器采用意法半導(dǎo)體的 STM32F101C8 單片機。
液位檢測計實物照片

3 應(yīng)用效果
采用制作的液位檢測裝置測試了容器中的液面高度，圖 7 給出了浮子在不同液面高度時，磁翻板液位計測試結(jié)果在 OLED 顯示屏的顯示圖像。圖 7a 顯示的是浮子位于第 6 個芯片時的結(jié)果，圖 7b 顯示的是浮子介于第 5 個和第 6 個開關(guān)芯片之間的結(jié)果。可見，磁性液位傳感器可以有效地檢測液面高度。

4 結(jié)束語
基于 AMR 開關(guān)芯片對磁場的輸出特性，設(shè)計了一種磁翻板液位計及其處理電路系統(tǒng)，利用 USB 轉(zhuǎn)UART 接口實現(xiàn)與計算機等設(shè)備的通信，便于該磁翻板液位計的二次開發(fā)。該磁翻板液位計具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、壽命長的特點，可以廣泛應(yīng)用于石油、化工以及各種油箱、水箱、液體存儲罐中監(jiān)測液位。

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