超導磁體低溫液位監測單元的設計與實現論文

引言

超導磁體相對於常規磁體而言，具有勵磁線圈電流密度大、電流穩定性高、功耗小、體積小和運轉費用低等優點，可滿足用戶對磁場高強度、高均勻度和高穩定度等性能的要求，在科學研究、醫療診斷、交通運輸和電力系統等領域有着廣闊的應用前景，其中採用了超導磁體的核磁共振(NMR)譜儀和磁共振成像(MRI)儀更是發展形成了一個產值巨大的市場.隨着國民經濟和科教醫衛事業的迅速發展，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與製造基本上控制在少數發達國家手中，爲了打破國外的技術壟斷並滿足國內市場的巨大需求，我國科研機構目前正在積極開展超導儀器設備的自主創新研製.

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製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，電阻爲 0;而液麪之上的超導絲由於加熱電阻的作用呈正常態.透過測量傳感器的電阻變化量，即可檢測液氦液麪的.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鏽鋼管構成，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.由於空氣和液氮的介電常數不同，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 液位監測單元的硬件設計

2.1 硬件整體設計

液位監測單元的硬件整體架構如圖 3 所示，液位監測單元硬件電路主要由模擬信號處理電路和以 STM32ARM 微控制器爲核心的控制系統組成.

2.2 壓控電流源的設計

爲了適應不同規格的電阻傳感器對電流源的需求，由微控制器所產生的 PWM 輸出經過光耦合器的隔離耦合以及比較器的緩衝後，再經過低通濾波後輸出一個直流電壓以控制電流源.

2.3 電壓-頻率轉換電路

電壓-頻率轉換電路的原理圖如圖 5 所示，電阻式傳感器提供的電壓經由接口 V+和V-進入電壓-頻率轉換器 TC9400 的 3 腳和 7 腳，然後在 8 腳輸出相應的頻率 FREQ_OUT，輸出頻率經過光耦的隔離耦合後進入微控制器進行處理，從而計算出液氦的液位.

2.4 電容-頻率轉換電路

電容-頻率轉換電路的原理圖如圖 6 所示，採用 INTERSIL 公司型號爲 ICM7555 的555 定時器構建一個經濟實用的電容-頻率轉換電路.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和電容構成積分電路，並週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覆震盪，透過 555 定時器內部的比較器和觸發器的工作，可以在輸出管腳得到相應的脈衝波形.

2.5 微控制器系統設計

以 STM32F103 微控制器作爲控制核心，對模擬接口電路輸出的頻率信號進行處理，並透過脈衝寬度調製(PWM)爲壓控電流源提供輸入脈衝，透過 CAN 總線與上位機進行通信，液氦和液氮的液位資訊在微控制器內進行計算，其結果在 LED 數碼管上顯示，並且在液位低於安全位置時，透過蜂鳴器進行報警.圖 7 所示爲微控制器系統電路的框圖.

3 液位監測單元的軟件設計

3.1 軟件總體設計

液位監測軟件的主要功能是透過 CAN 通信設定兩個測量通道的各項參數，並控制電流源爲電阻式液氦傳感器提供工作電流，然後將測量通道反饋回來的頻率信號進行處理，得出液位資訊後顯示在 LED 數碼管上，並透過 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，爲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 分別爲液位監測的兩個通道進行頻率信號處理.在STM32F103 初始化的時候對 TIM2 和 TIM3 進行配置，其時鐘由內部時鐘源提供爲 72MHz，預分頻值爲 1，計數器設定爲向上計數模式，自動重載寄存器的值設定爲 65 535.

4 液位監測單元的功能測試

液位監測單元經過 PCB 的器件焊接和各個功能模組的調試後進行了功能測試.在默認設定中，液位監測單元啓用了兩個測量通道，通道 1 用於液氦測量，通道 2 用於液氮測量.

5 結論

本文首先介紹了超導磁體液氦和液氮的液位監測單元的研究背景和意義，接着介紹了液氦和液氮的液位測量原理，然後詳細闡述了基於 STM32 微控制器的雙通道低溫液位監測的設計方案，即從微控制器 STM32F103 輸出的 PWM 波形控制電流源輸出一個穩定的電流，同時，兩路頻率轉換電路分別把電壓值和電容值轉換爲頻率信號，輸入到微控制器 STM32 中進行處理，最後由 STM32 輸出的液位資訊在 LED 數碼管進行顯示並透過 CAN 通信傳至上位機.最後透過測試表明，實現了液位的實時監測、遠程監測和遠程控制等功能，驗證了設計的可行性.