磁致伸缩位移传感器的技术与创新

磁致伸缩位移传感器的技术与创新
作者：JesseRussell；李宝琨






一、磁致伸缩位移传感器的原理

1、简介

       磁致伸缩位移传感器（以下简称传感器），用非接触测量技术监控活动磁铁，由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器即使在恶劣的工业环境下，例如易受油渍、溶液、尘埃或其它的污染，也能正常工作，此外，还能承受高温、高压和高震荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以假使电源中断重接也不会对数据接收构成问题，更无须重新调整零位。该种传感器适用于多种不同的工业自动化环境，例如：机械控制和液体容量测量。

2、磁致伸缩工作原理

       磁致伸缩意指一些金属（例如铁或镍）在磁场作用下具有伸缩能力。磁致伸缩的效果是非常细微的，通常镍铁合金是30ppm。不过，科学界已设计出更新的物质，可将磁致伸缩效果提升至1500ppm以上。

       一个基本的敏感元件利用磁致伸缩波导管来测量移动磁铁的位置，他的工作原理并不复杂，是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间，便能换算出准确的位置。

       这两个磁场一个来自在传感器外面的活动磁铁，另一个则源自传感器内波导管的电流脉冲，而这个电流脉冲式传感器的固有电子部件所产生的。当两个磁场相交时，所产生的一个应变脉冲会以声速进行回电子部件的感测线圈。而从产生电流脉冲的一刻到测回应变脉冲所需要的时间乘以做个固定速度，我们便能准确的算出位置的变动。这其实就是活动磁铁的位置变化。这个过程是连续不断的，所以每当活动磁铁被移动时，新的位置很快就会被感测出来。

       最后，由于传感元件都是非接触的，所以就算感测过程是不断重复的，也不回对传感器造成任何磨损。

3、位置计算

       位置的计算非常简单，将所测量的时差乘以一个传感器传送速度的系数。或者用时差除以传送速度之倒置恒数，或称之为倾斜度。挂历上，传送速度是以倾斜度方式印在传感器的标签上。

4、更新时间及频率响应

       传感器的更新频率对伺服控制机械之应用非常重要。由于磁铁距离传感器的电子零件越远，音波所需行走时间越长，所以传感器的更新时间与距离成正比。另外，循环电子所需之更新时间也较一般为长。然后，当传感器比较长或利用循环电子时，等价频率也相应降低。

二、磁致伸缩位移传感器性能

1、传感器的精度及特性

       磁致伸缩位移传感器的精确度极高，其重复性和分辨率最高可达2μm，而非线性误差最高为0.02%F.S.，其迟滞误差小于4μm，由于其重复性极高，一些数字配套系统可利用线性校正系统将非线性误差降至0.01%F.S.或更低。

       波导管是选用特别材料制造的，所以其温度稳定性也鸡架。波导管的热度系数为5.4ppm/℃或更佳。传感器的冲击指标为100g（单一冲击），符合IEC标准68-2-27；而其震荡指标为5g/10-150Hz，符合IEC标准68-2-6.

       多重测量-由于电子部件可探测由同一询问脉冲所产生的连续磁波，所以在同一传感器上可装配多个活动磁铁。这样做可省去额外所需的传感器以降低成本。此优点应用在注塑机方面，其射出器及同轴射座之位置均可被同时监察。而在液体测量方便，例如汽油存储，则可以同时探测在同一有缸内的汽油容量以及凝聚于缸底的水分。此外，多头切割系统如锯床或纸张切割机也可利用此优点。只需用一个传感器便可读取置于每一个切到头的磁铁位置。

       内在安全性-由于传感器所需电量非常低，它在易爆环境中可释放的能量有限且低于燃烧点很多，故称之为内在安全（必须加上认可安全栅以符合国际标准要求，如美国FM）。没在安全传感器在油类计量、储存、采矿业及印刷业应用尤为普遍。

2、接口、显示及电控部分

       可供传感器使用的接口多不胜数，但在过去的几年内，一般方法是使传感器头部电子尽可能处理更过资料，减少外置电子装配之需要。因此，更新的传感器电路都配备微处理器处理更大量的数据和运算。另外，不同形式的电子转换电路也可供选择，包括现场总线及CAN总线等。

（1）模拟电子

       模拟输出虽然是比较传统的设计，但由于它的安装方便，所以这类传感器更容易安装于新旧设备上面。

      电压或4-20mA电流圈通常由内置混合电路板（仅邮票大小）产生，它混合放大及输出形式选择功能。其操作建议，只需两个功能按钮便可全面设定零点、量程及输出电压/电流。程序编制更尤如一般数字手表之简易。无论是电压或电流信号均可在同一电路板上产生，此外，如需要速度或多重位置测量还可加上第二块输出板。

（2）数字接口

      如果要求低噪音及高精度的话，数字接口应该是传感器的最佳选择。第一种是数字开始/停止方式及RS422信号。传感器由外置控制器提供激励信号，从而产生一个开始和一个停止信号，其周期与活动磁铁位置成正比的。内置式中为28Mhz或更高。

第二种为脉冲宽度调制PWM，调制后的脉宽与磁铁位置成正比例。PWM的其它功能还包括内置再循环读数电子装置。原理为重复读取连续数据，最后用所测量的时间除所需循环次数，这样即无需装配更高频的式中。比方说，一个28MHz量计可产生0.01mm精确度，但如果经4次循环，其精确度便可提高至0.025mm而无需更改量计频率。另一体高精度的方便是增加式中频率。比方说，时钟频率为56MHZ便可产生0.05mm的精度。置于串行数字传输方面，可将位置或水平信息经由一般双线系统，如RS485、SSI或CAN总线等传送。

3、传感器包装

（1）电子尺外壳

       磁致伸缩传感器无论在外表、功能或操作方面，斗鱼常规线性电子尺十分相似，而且更可直接替换旧有装置。传统电子尺一般都容易收到表面磨损的困扰，而工作环境污染更加速这方面的损耗。但磁致伸缩传感器由于利用非接触的工作原理，此类问题便迎刃而解。

       传感器有三种式样可供选择：拉杆式、滑块式、浮磁式等。不同形式之安装配套可供翻新旧设备只用，再者，传感器更有模拟及数字两种模式供选择。

（2）液压缸外壳

       敏感元件被一条能承受高压的外管所保护，它可以与高达3000psi的油压缸于同一轴心工作。安装只需将油压缸的活塞钻孔及将此案固定安装于活塞上，而外管则利用螺纹加密封圈装在油缸的一边，敏感元件可以随时在未需停机的情况下取出。安装完毕后，磁环便于活塞杆共同进退，从而进行行程测量。另外，传感器也可以装置在油压缸外面做测量。

（3）液位计外壳

       传感器非常适用于液位计量方便，如汽油、化工、流程控制、生化（十五/医药）以及污水处理方面。在液体计量方便，传感器可提供多种功能，除测量液面，还可以在同一容器中测量界面，另加上温度催了阿宁。输出方式有4-20mA输出、RS485输出或专利通讯协议。此外，加上其它公司提供的软件及接口控制，用户还可以把如容量计算、温度补偿及泄露测试等功能包括在内。因为传感器可以同时测量液面及界面，因此可以利用厂家提供不同币种的产品浮球或界面浮球，把各种各样的液体及界面测量出来。

       TRD温度装置一般于4-20mA的计量内。RTD是沿着传感器波导管外在不同的距离上安装1-5处，这样作可以不停的监察液体的温度变化并得出平均温度。如果液体水平改变，高于液面的RTD将不计在内。此外，根据液体温度膨胀系数还可以计算出量，而通过监测容量的改变还可得到其泄露速率。敏感元件的外围用不锈钢外管保护，外管之外还可加上另一个保护套管以抗腐蚀。材料可依据需要来选择，常用的有Teflon及哈氏合金等。

三、磁致伸缩位移传感器应用

       传感器的应用范围十分广泛，他成功的主要原因是操作简单、高精度及可靠设计等优点。至于安装方面，它并不需要特别的调试和标定。此外，由于其非接触式的工作原理，因此磨损小、寿命长，且适应于恶劣环境。





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