磁致伸縮位移傳感器伸縮現(xiàn)象

大家都知道物質有熱脹冷縮。除了加熱外，磁場和電場也會導致物體尺寸的伸長和縮短。鐵磁性物質在外磁場的作用下，其尺寸伸長(或縮短)，去掉外磁場后，其又恢復原來的長度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象(或效應)。此現(xiàn)象的機理是:鐵磁或亞鐵磁材料在居里點以下發(fā)生自發(fā)磁化，形成磁疇。在每個磁疇內。晶格都沿磁化強度方向發(fā)生形變。當施加外磁場時，材料內部隨即取向的磁疇發(fā)生旋轉，是各磁疇的磁化方向趨于一致，物體對外顯示的宏觀效應即沿磁場方向伸長或縮短。

磁致伸縮材料主要有三大類:即:磁致伸縮的金屬與合金和鐵氧體磁致伸縮材料。這兩種稱為傳統(tǒng)磁致伸縮材料。它們并沒有得到廣泛的應用:后來人們發(fā)現(xiàn)了電致伸縮材料，其電致伸縮系數(shù)比金屬與合金的大約200~400ppm，它很快得到廣泛的應用;第三大類是發(fā)展的稀土金屬間化合物磁致伸縮材料，稱為稀土超磁致伸縮材料。它是可提高一個國家競爭力的材料，是21世紀戰(zhàn)略性功能材料。

磁致伸縮位移傳感器適用于高溫、高壓和強振蕩等極其惡劣的工況，其絕對式輸出很好地解決了斷電歸零問題，由于敏感元件都是非接觸式、無磨損運行，平均無故障時間長達23年。

來自業(yè)內專家的創(chuàng)新性建議

由于眾多知名專家的加入， 團隊在產(chǎn)品研發(fā)領域始終保持領先地位。這些業(yè)界精英代表客戶從事各種科研和行業(yè)活動，從而更深入地了解客戶所面臨的挑戰(zhàn)并能提出相應的創(chuàng)新解決方案。

1系列

一個高精度、快速、同步位置控制的智能傳感器系列。適合要求高的機械自動化控制應用。輸出模式包括:

模擬的電壓與電流、SSI 同步串行數(shù)字、DeviceNet、CANbus、Profibus、Interbus 和 EtherCAT總線。更可提供位置和速度雙輸出，以及多重位置同步測量。

2系列

可編程和內置診斷功能的傳感器系列。適合一般的機械自動化應用，輸出模式有:模擬的電壓與電流、數(shù)字的 Start / Stop 和 PWM 脈沖。

3-系列

3-系列傳感器，為用戶提供了非常實用的絕對值位移反饋信號，性價比極高。標準輸出方式有:模擬的電壓與電流以及數(shù)字的 Start / Stop 脈沖等。

3-系列還能提供多元化的安裝方式，最適合機床行業(yè)使用。

4系列位移傳感器提供快速的測量，超強的重復精度和長期穩(wěn)定的性能，非常適合行走機械中的電液動力系統(tǒng)應用。不只應用在工業(yè)車輛上，同時也被大量的應用于農(nóng)林業(yè)機械設備，如翻土機和收割機等。

測量對象:位置、速度(絕對速度)，可測量1~2個位置

測量范圍:50 mm~8000mm

零點可調范圍:100%F.S

輸出方式:

電流:4~20mA,最大負載電阻 600Ω

電壓:0~10VDC 0~5VDC,最低負載>5KΩ

精 度:

分辨率:采用 16Bit D/A 轉換，0.0015%F.S(最小1μm)

非線性:<±0.015%F.S(最小±50μm)

重復精度:<±0.002%F.S(最小±3μm)

遲 滯:<0.002%F.S.

溫度系數(shù):<0.007%F.S./℃

更新時間測量范圍:<0.5ms/m

供電電源:+24VDC±10%

工作電流:<50m A

工作溫度:-40~+85℃

儲存溫度:-40~+100℃

零點/跨度調整:100%有效行程(最小范圍25mm)

分辨率:16bit,0.0015%(最小10um)

線性度:<+0.01%滿量程(最小+50um)

重復精度:<+0.001%滿量程(最小+2.5um)

滯 后:<4um

刷新周期:0.5ms達到1200mm/1.0ms達到2400mm/

紋 波:2.0ms達到4800mm/5.0ms達到7600mm行程長度

速度測量:<0.01%滿量程

范 圍:0.025m/s至10m/s

誤 差:<0.5%

分辨率:0.1mm/s

刷新周期:(ms)見位置測量

溫度系數(shù):<30ppm/0C

測桿結構:剛性測桿結構、外置一體式結構;

測桿材質:不銹鋼 316、鋁型材

測桿耐壓:≤34MPa(位移);液位:由所選浮子承壓決定

電子倉外殼:鋁合金

安裝接口:螺紋連接、固定座

出線方式:直出電纜線、航空插頭

防護等級:IP65(可根據(jù)要求定制 IP67 或 IP68)

* 內部非接觸式測量

* 性能價格比高

* 多種輸出方式可供選擇

* 防浪涌、防射頻干擾 * 不需定期標定和維護

* 安裝方便

* 高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性

* 使用壽命長

* 具有輸入電源反向極性保護功能

* 結構精巧、環(huán)境適應性強

* 隔離防爆型(可選)

* 伺服液壓油缸活塞位置反饋或預置

* 研磨機械位置反饋或預置

* 木材加工定位控制

* 水輪機導葉開度的檢測與控制

* 紙張和塑料薄膜成型

* 擠注模具機械

* 吹塑

* 工程機械

* 金屬成型/剪切沖壓

* 其它機械定位和位移檢測

* 水壩閘門* 伺服汽缸活塞位置反饋或預置

* 鑄鍛機床位移控制

* 注塑機模板定位與監(jiān)測

* 汽輪機氣阻閥門開度的檢測與控制

* 玻璃壓制

* 塑料機械改造

* 氣動缸

* 鋼材滾壓

* 食品加工

* 港口機械

* 船舶舵機伺服系統(tǒng)

可廣泛應用于石油、化工、水利、制藥、食品、飲料等行業(yè)的各種液罐的液位計量和控制，航天加油系統(tǒng)、汽車加油系統(tǒng)、柴油加油系統(tǒng)及各種液壓罐、水文監(jiān)測、水處理等。

磁致伸縮位移傳感器是根據(jù)磁致伸縮原理制造的高精度、長行程絕對位置測量的位移傳感器。它采用內部非接觸的測量方式，由于測量用的活動磁環(huán)和傳感器自身并無直接接觸，不至于被摩擦、磨損，因而其使用壽命長、環(huán)境適應能力強，可靠性高，安全性好，便于系統(tǒng)自動化工作，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下(如容易受油潰、塵?；蚱渌奈廴緢龊?，也能正常工作[01]。此外，它還能承受高溫、高壓和強振動，現(xiàn)已被廣泛應用于機械位移的測量、控制中。它的行程可達3米或更長，標稱精度為0.05% F·S，行程1米以上傳感器精度可達0.02% F，S,重復性可達0.002% F·S，因此它在石油化工，航空航天、電力、水利等行業(yè)得到廣泛的應用。

磁致伸縮位移(液位)傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應變脈沖信號來準確地測量位置的。測量元件是一根波導管，波導管內的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測量過程是由傳感器的電子室內產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導管內傳輸，從而在波導管外產(chǎn)生一個圓周磁場，當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導管內會產(chǎn)生一個應變機械波脈沖信號，這個應變機械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。

由于這個應變機械波脈沖信號在波導管內的傳輸時間和活動磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。由于輸出信號是一個真正的絕對值,而不是比例的或放大處理的信號,所以不存在信號漂移或變值的情況,更無需定期重標。

隨著國內風力發(fā)電機組的制造水平的不斷提高，液壓變槳系統(tǒng)憑借其在性能、環(huán)境適應能力、維護成本等方面的優(yōu)勢，必將得以廣泛應用。機械盤式剎車鎖緊銷方面，磁致伸縮線性位移傳感器的應用顯著提高了鎖緊銷動作的可靠性，進而提高了整機運行的安全性。

通過位移傳感器來進行監(jiān)測鎖緊銷的動作是否可靠到位，所以在大多數(shù)的機械盤式剎車系統(tǒng)上的鎖緊銷都需要安裝位置傳感器。

首先是傳感器的供電情況，如果位移傳感器供電電源容量不足，就會造成以下的情況:熔膠的運動會使合模電子尺的顯示變換，有波動，或者合模的運動會使射膠電子尺的顯示波動，造成測量誤差變大。如果電磁閥的驅動電源與直線位移傳感器供電電源共用的時候，更容易出現(xiàn)這種情況。

其二是調頻干擾和靜電干擾的問題，調頻干擾和靜電干擾都有可能讓直線位移傳感器的電子尺的顯示數(shù)字跳動的。所以，電子尺的信號線與設備的強電線路要分開線槽。電子尺必須強制性地接地。信號線需要使用屏蔽線，而且電箱的一段應該跟屏蔽線接地的。如果有高頻干擾的時候，通常使用萬用表的電壓測量就會顯示正常，但是顯示數(shù)字就是會跳動不停的;而出現(xiàn)靜電干擾時，出現(xiàn)的情況也是跟高頻干擾一樣的。要證明看是否是靜電干擾時，只需用一段電源線把電子尺的封蓋螺絲跟機器上的某一些的金屬短接起來就可以了，只要一短接起來，靜電干擾就會馬上消除掉。但是如果要消除掉高頻干擾就很難用上面的方法了，可以試下暫停高頻干擾源，看顯示結果會不會更好，以此來判斷是不是高頻干擾的問題。

其三如果出現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)有規(guī)律地跳動，或者是沒有顯示數(shù)據(jù)，技術人員就需要檢查連接線絕緣是不是出現(xiàn)破損的現(xiàn)象，并且判斷是否跟機器的外殼很有規(guī)律地接觸而導致的對地短路。

其四位移傳感器的對中性、平行度以及角度的具體要求問題，安裝直線位移傳感器的對中性需要很好，但是平行度可以允許有±0.5mm的誤差，角度可以允許有±12°的誤差。但是如果平行度誤差和角度誤差都是偏大的話，這樣會出現(xiàn)顯示數(shù)字跳動的情況。那么出現(xiàn)這樣的情況的時候，必須要對平行度和角度進行調整了。

最后就是位移傳感器接線問題，直線位移傳感器的三條線是不可以接錯的，電源線和輸出線是不可以調換的。如果上面的線接錯的話，就會出現(xiàn)線性誤差很大的情況，要控制的話是很難的，控制的精度也會變得很差，而顯示很容易出現(xiàn)跳動的現(xiàn)象等等。以上五點情況都是位移傳感器安裝使用時需要特別注意的。

電壓和電流輸出的負載是不一樣的，電壓的負載時要求電阻越大越好，一般不要小于1，000Ω，太小時就相當于短路了，會損壞產(chǎn)品;電流的負載是要求電阻越小越好，一般不要大于1，000Ω，太大時就相當于開路了，沒有電流流通。所以電流輸出的負載和電壓輸出的負載限制是不一樣的而且一定要注意:電壓輸出時，負載不能短路，否則會使負荷太大，燒毀電路;而電流輸出時，負載不能開路，否則會使負載增加而燒毀電路。這兩點一定要清楚。至于電壓輸出和電流輸出，到了機器上最終的用途還是一樣的，電壓輸出直接用電壓信號，電流信號流過電阻，在電阻上有電壓，也是取用電壓信號。

安裝接線:磁致尺對電壓的波動可以接受，可以使用12V~36V的電源，當然穩(wěn)定的供電電源還是對產(chǎn)品的精度更有好處，但對靜電還是要采取一些措施。除線路板內部采取了很多措施外，傳輸線有屏蔽線(雙重屏蔽:編織網(wǎng)和錫包層，可以抗高、低頻干擾)，還有接地端子，必須保證可靠接地(抗靜電干擾)。上述幾項措施缺一不可。

一般情況下，客戶的產(chǎn)品替換下來，可能了解原來的產(chǎn)品是電流型還是電壓型，但訂了貨卻不知道如何安裝。如:原來的電壓型是五線甚至七線的，而我們的四線的(電源+、-、信號線、地線)一般棕色或紅色是直流電源正極，藍色或黑色是負極，可以用萬用表的電壓檔位測可能的正、負極之間的電壓值，如果沒有把握，就可以在可能的正、負極之間接一個1000Ω的電阻，再測量電阻之間的電壓值，確認正負極性后，用正極分別去短路剩下的幾根線，同時看電腦顯示是否出現(xiàn)穩(wěn)定的最大值，如果是，再用負極去短路剛才驗證的那根線，同時看電腦顯示是否出現(xiàn)穩(wěn)定的最小值，如果是，就是信號線了。這就確定了+、-、和信號線了。如果信號線非常難以確定，上述方法行不通，可能就是該傳感器的電源與電腦的電源沒有共地，沒有共地，就沒有一個基準值，該傳感器的電源相對電腦電源就是浮動電壓值。因此，必須將該傳感器的電源負極與電腦的電源負極短接。上述問題自然解決。這很容易出現(xiàn)在維修設備的過程中。其它的幾根線不要管，用電工膠綁起即可。

如果是電流型輸出的傳感器，就不能這樣實驗了。因為，電流型輸出負載不能開路，否則，容易過載損壞傳感器。對于，三線制輸出的傳感器，應該先在傳感器信號線與負極之間先接一個電阻1000Ω短路，以免誤操作時過載。在預先弄清楚正負極的情況下，接好傳感器的正負極接線，再將信號線分別與其余幾根線短路，看有無穩(wěn)定的顯示。如有，可確定信號線的接線。然后在停電的情況下，取下原來短接的那個電阻，再接好線，然后才能送電。注意信號線一定不能開路。

對于傳輸距離較長，但是電腦有需要電壓輸出信號，可以選用電流輸出信號進行傳輸，到了電腦邊再將電流信號轉換成電壓信號，方法很簡單，只需要在輸出與電源負極之間接入一個標準的高品質電阻就可以。

由于磁致伸縮位移傳感器的原理，從機械上講，因為是無接觸、無磨損的，所以出現(xiàn)故障的機會不多，除非機械損壞，磁環(huán)脫落，這從外觀就容易判斷。如果是裝在油缸內部，磁環(huán)突然脫落，顯示數(shù)值將沒有變化。如果是停機好久才脫落，開機上電時好像在靠近電子倉端出現(xiàn)了一個磁環(huán)，即:正邏輯尺將會出現(xiàn)最小顯示數(shù)值，負邏輯尺會出現(xiàn)最大顯示數(shù)值。如果是可拆卸電子倉式的，可以簡單地將電子倉取下，帶電用一磁環(huán)測試即可。從電氣上講，是有出現(xiàn)問題的可能。公司為了避免電氣出現(xiàn)問題，作了大量工作，如:選擇功耗很小的元器件使功率消耗小，如電流消耗只有16mA，實際功率只有不到0.4W，這樣就不會使元器件發(fā)熱、老化和損壞;還有公司，公司通過先進的工藝客服了其它各種問題，產(chǎn)品經(jīng)嚴酷的環(huán)境測試和機械測試，均符合要求。應該在一般使用條件和環(huán)境中不會出現(xiàn)問題。可能會出現(xiàn)的問題，諸如:數(shù)據(jù)傳輸不會運行，軟件包未安裝成功、接線錯誤、信號大小方向不對、靜電干擾未有效接地、電流型輸出不會接線、或原來是了兩線的而我們的產(chǎn)品是三線制的。

磁致伸縮位移傳感是利用磁致伸縮效應研制的傳感器。該傳感器可以實現(xiàn)非接觸、絕對式測量，具有高精度、大量程的特點，特別是由于磁鐵和傳感器并無直接接觸，因此傳感器可應用在惡劣的工業(yè)環(huán)境，如易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場合。此外，傳感器能承受高溫高壓和高振蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號為絕對數(shù)值，所以即使電源中斷重接也不會對數(shù)據(jù)收構成問題，更無尖重新調整零位。由于傳感器組件都是非接觸的，所以即使測量過程理不斷重復的，也不會對傳感器造成任何磨損。

研制中涉及的關鍵技術有:

(1)大電流周期激發(fā)電路的設計;

(2)微弱信號的檢測、信號的濾波、放大、電壓比較、峰值檢驗波、電壓限幅等一系列電路的設計;

(3)基于單片機的高精度時間量測量。技術要求:測量范圍0~8cm，精度0.1mm。測量范圍不是很大，主要是受到實驗所用波導鋼絲本身長度的限制。

1位移傳感器的原理

磁致旋轉波位移傳感器， 如圖1所示。除位置磁鐵外，所有其他元器件都安裝在傳感器殼體內，

組成傳感器的主體。位置磁鐵通常裝在一個運動部件A上，

而傳感器主體則裝在一個固定的部件B上。

傳感器工作時，電子信號和處理系統(tǒng)發(fā)給磁致波導鋼絲間隔為T的激勵脈沖電流ie該脈沖電流將產(chǎn)生一個圍繞波導鋼絲的旋轉磁場。位置磁鐵也產(chǎn)生一個固定的磁場。根據(jù)Widemanm效應，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導扭曲，使波導鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一個磁致旋轉波。磁致旋轉波的傳播速度為

式中:G為波導管的剪切彈性模量;ρ為波導管密度。

由于G和ρ均為恒定(對于一定的波導管來說)的，所以傳播速度也恒定。經(jīng)過計算該旋轉波沿著波導鋼絲以2 800 m/s的速度向兩邊傳播。當它傳到波導鋼絲一端的波檢測器時被轉換成電信號ua·通過測量磁致旋轉波從位置磁鐵傳到波檢測器的時間tL就能確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離。這樣，當部件A和B產(chǎn)生相對運動，通過磁致旋轉波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。

在波導鋼絲的另一端，磁致旋轉波將通過減波元件被大大削弱，以避免反射的波形對測量精度造成影響。波反射器是用于改善電信號ua的波形和加強電信號的大小。

2位移傳感器的結構

根據(jù)這個原理，設計了總體的電子信號系統(tǒng)方案來檢測這個磁致旋轉波并送人到MCS51微型計算機處理。數(shù)字信號處理系統(tǒng)如圖2所示。

3傳感器性能指標測試及結果

為了給傳感器系統(tǒng)進行定標，搭建了測試平臺。測試平臺由傳感器主體、位置磁鐵、螺旋測微器、印制電路板、LCD、FDPS-50BA型電源(輸人220V，輸出±15V,5 V)組成。

在搭建的平臺上面對傳感器的性能進行測量，主要包括傳感器的線性度，遲滯和重復性。

3.1 傳感器線性度

測量:在傳感器測量整個0~80mm范圍內，旋動螺旋測微器分別每隔5mm記一組數(shù)據(jù)，位置磁鐵相應移動，連續(xù)取測量數(shù)據(jù)20組，如圖3。

線性度的指標公式為 式中:el為非線性誤差(線性度);△max為最大非線性絕對誤差;YFS為輸出滿量程。

從圖3可知，采用最小二乘法擬合直線的斜率為0.992，直線方程為Y = 0.15784+0. 992X，因此在0~80 mm范圍內的線性度為0.387%。

3.2 傳感器遲滯

將螺旋測微器在傳感器的正反兩個方向量程內來回移動，測量范圍為0~80mm，測到的數(shù)據(jù)如圖4。其中有正向測量和反向測量數(shù)值(每隔5mm測量1次)，以及正反方向測量的差值△H。

由遲滯誤差公式

式中△Hmax為正反行程輸出最大差值。

從圖4知，△Hmax=0.41，而rH=0.256%。

3.3 傳感器重復性

圖5是傳感器在正行程和反行程測量各測2次的數(shù)據(jù)，其中還計算了重復性偏差。根據(jù)式(2)可計算出0~80mm滿量程的重復性誤差指標el=±0.287%.。

3.4 傳感器其他靜態(tài)特性

3.4.1 傳感器的分辨力

經(jīng)過測試系統(tǒng)測試，移動螺旋測微器±0.056mm，傳感器LCD顯示值改變±0.056mm。

3.4.2 穩(wěn)定性

在測試時，將傳感器設定在一固定點，然后分別在4h讀取數(shù)據(jù)1次，測得值分別為31.62 mm, 31.56 mm, 31.56nm, 31.62mm。穩(wěn)定性誤差為0.06mm。傳感器通、斷電幾次后在此位置讀數(shù)，仍舊為31.62，驗證了磁致伸縮傳感器不受掉電影響。

溫度穩(wěn)定性是指傳感器在外界溫度變化下輸出量發(fā)生的變化。測量傳感器溫度穩(wěn)定性時，分別在房間溫度為15℃和室外溫度為1℃測量，讀數(shù)變化為0.06 m，即溫度穩(wěn)定性誤差為0.06 mm。

3.4.3 測試系統(tǒng)靈敏度

移動螺旋測微器0.05mm，測到傳感器LCD屏上變化0.056mm，此測試系統(tǒng)的靈敏度為1.12。

綜上，經(jīng)過實驗測得傳感器的靜態(tài)特性，可知傳感器的線性度為0.387%，遲滯誤差為0.256%，重復性誤差為±0.287%,分辨力為0.056mm。磁致伸縮位移傳感器的自身精度很高，理論可以達到μm級，實際分辨力只有0.056mm。

4結束語

在搭建的平臺上對磁致伸縮位移傳感器進行了進一步的誤差分析。誤差主要還是在傳感器的一些性能指標上。磁致伸縮傳感器的主體部分及位置磁鐵開發(fā)與研制，經(jīng)實驗測試，結果理想，位置磁鐵在傳感器不同的位置都有一不同的信號反_映。信號處理電路中占空比可調的脈沖激發(fā)控制信號電路部分設計，經(jīng)實際的電路調試結果理想。脈沖激發(fā)電路用不同方案設計并綜合考慮到實際電路實現(xiàn)，在ORCAD上模擬效果理想。進一步提高精度有幾種方案。比如用DSP芯片來測量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，時鐘周期t=1/40M=25ns, DSP無需分頻，則位移分辨率為70μm,也可以用復雜可編程邏輯器件(CPLD)，它具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點，CPLD可實現(xiàn)系統(tǒng)編程，而且能重復多次，使用CPLD器件進行開發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴充性，而且還可大大縮短產(chǎn)品的設計周期。磁致伸縮位移傳感器技術必將廣泛應用于我國的各項工業(yè)領域中。