磁致伸缩位移传感器的应用
摘要：传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。介绍了位移传感器的现状，主要介绍了位移传感器中的磁致伸缩传感器的原理和型号。重点介绍磁致伸缩传感器在水力发电厂中的应用。
关键字：位移传感器磁致伸缩位移传感器水利发电
1 位移传感器现状
在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。传感器是自动化控制的重要组成部分，正是由于各种传感器在小浪底电厂得到充分的应用，电厂的效率才得到极大的提高。
位移传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，传感器被作为仪表定位，直接作用于被测量，作为信息探测、感知和捕获的器件，如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，传感器的优劣对测量系统的功能起着决定性的作用。
2 位移传感器简介
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等等。
电位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高、抗干扰能力强、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
传统的线性传感器原理：位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在电位器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。电位器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。将电位器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，然而由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。
移其中位移传感器中的图尔克直线位移传感器具有高精度的特点能提供μm级的精度。它能能够精确检测到液压缸的行程以启动控制阀,达到精确地控制导流叶片的目的。通过控制导流叶片来控制水流平稳地流入水轮机的流量计中。
下图是图尔克位移传感的外形图：
图2-1 图尔克位移传感器
位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
3 介绍磁致伸缩位移传感器
磁致位移传感器是位移传感器中的一种，它以模拟量(4～20mA)的输出方式，能够精确检测到液压缸的行程以启动控制阀,达到精确地控制导流叶片的目的。导流叶片是调节每个压水腔的供水量，导流叶片控制水流以确保水流平稳地流入水轮机流量计。
利用电子元件使两个压水腔协调工作，调节导流叶片的位置从而达到系统配合的最佳效果，使得水流恒定防止紊乱。
因此在水力发电中，在对筒阀位移的精确测量主要采用了磁致位移传感器。由于筒阀安装环境恶劣、同时要求较高的精度，带有运动磁块的直线位移传感器具有精确性和稳定性，满足于（1）可靠性高、有很强的抗干扰能力；（2）满足精度和速度的要求；（3）使用和维护方便，适合电厂的特殊环境；（4）成本低；在精确检测液压缸的行程就需要用磁致位移传感器。
3.1 磁致伸缩位移传感器的概述
磁致伸缩位移（液位）传感器，磁致伸缩位移传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的浮球组成。通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际应用中。
由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。图形如下：
图3-1 磁致伸缩传感器
技术参数：
产品量程：50～3000mm（硬杆结构），3000mm以上（软杆结构）
1、线性误差：≤0.05%FS
2、重复精度：≤0.0005%FS
3、分辨率：≤0.001%
4、迟滞：≤0.001%FS
5、温度稳定性：≤0.002%℃
6、工作压力：+12VDC～+24VDC
7、工作电流：≤16mA
8、工作压力：持续工作压力35Mpa（MTL1系列产品）
9、工作温度：T1：-20～+55℃；T2：-40～85℃ T2：-50～125℃
10、输出方式：1电压0-5V，0-10V
2电流4-20mA
3 数字RS485
11、震动测试：3g，25Hz GB/T2423.10 连续冲击试验：10g，100Hz GB/T2423.5
12、绝缘电阻：传感器电源端和接地端间的绝缘电阻≥10MΩ；符号
GB/T15479-1995
3.1.1 磁致位移传感器的工作原理
磁致伸缩系指一些金属(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,通常铁镍合金是30ppm,目前已研究出更加新型的物质,可将磁致伸缩的效果提高升至1500ppm以上。图3-1-1为工作原理,表明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装置,它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,便能计算出准确位置。两个磁场一个来自在传感器外面的活动磁铁,另一个则原自传感器内波导管的电流脉冲,电流脉冲是传感器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,会以声速运行回电子部件的感测线圈。从产生电流脉冲的一刻到测回应变脉冲所需的时间乘以这个固定速度,就能准确的算出位置
的变动。实际上活动磁铁的位置变化是连续不断的。所以当它被移动时新的位置很快就会被感测出来。
1-波导 2-磁铁 3-磁场相互作用引起波导扭曲 4-磁铁磁场参照系 5-由发射脉冲沿整个波导产生的磁场 6-电子机壳 7-传感器元件头部8-传感器元件保护套
3-1-1磁致伸缩位移传感器工作原理图
3.1.2 产品特点和应用领域
产品特点：
* 内部非接触式测量
* 高精度、高稳定性、高可靠性
* 结构精巧、环境适应性强
应用领域（位移）：
* 水轮机导叶开度的检测与控制
* 水坝闸门
* 伺服汽缸活塞位置反馈或预置
应用领域（液位）
可广泛应用于石油、化工、水利、制药、食品、饮料等行业的各种液罐的液位计量和控制，航天加油系统、汽车加油系统、柴油加油系统及各种液压罐、水文监测、水处理等。
4 磁致伸缩位移传感器的应用
4.1 位置计算
位置的计算是非常简单,将所测量的时差乘以一个传感器传送速度的系数。或者用除以一个传送速度倒置常数。传送速度的倒置常数或称倾斜度,惯例倾斜度印在传感器的标签上。
例如:时差130. 500μs,传感器的倾斜度354.- 3330 ×10 μs/ mm时差(μs)
位置(mm) =时差(μs)/倾斜度(μs/ mm) - 零点的位置(mm)
= 130.500/354.330 ×103- 114.300
注:114.300mm 为零区和死区之和。
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。当然,循环电子所需之更新时间也较长。传感器最长更新时间可用下式作精略计算。更新时间= (位置+零点位置) ×倾斜度，等价频率响应=1/更新时间
举例:一根508mm 长的传感器,其更新时间及等价频率响应分别为：更新时间= (508 + 114.300) ×354. 330 ×10-3=220.5 ×μs
频率响应=1/220.5 ×10- 6 =4535Hz
传感器的更新频率对电液伺服控制机构的应用非常重要。对一般伺服控制而言500Hz以上便已足够。
4.2硬件介绍
在水利发电厂经常是在恶劣环境下,传感器易受油渍、溶液、尘土或其他的污染。而带磁致伸缩位移传感器液压缸反馈装置采用特殊的结构及按装方式,它是用非接触测量技术监控活动磁铁和传感器并不直接接触,抗污染情况良好,并易于维护。图4-2-1所示为一种带磁致伸缩位移传感器液压缸的结构图,图中阀块是用作连接电液伺服阀的,位移传感器刚性地连接于缸的无杆端,并在空心活塞杆内完成全行程长度,一个永久磁铁与缸的活塞连接。当活塞沿行程运动时,该传感器通过利用磁致伸缩波导管测量存在波导中应变脉冲的发出与返回的时间间隔能精确地确定活塞(或磁铁)的位置。
4-2-1带磁致伸缩传感器液压缸结构图
表 1 传感器可供输出的接口方式
接口方式
模拟、电压(0V～10V ,10V～0V)
模拟、4～20mA电流
数字、开始/停止
数字、脉冲宽度调制(PWM)
数字、串联同步接口
数字、CAN 总线
(1) 模拟电子:输出是比较传统的诒设计 ,但更容易安装于新旧设备上 ,见图
4-2-2所示 ,无论是电压或电流信号均可在同一电路板上产生。
(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,见图 4-2-3 所示。第一种是数字开始/停止方式即 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 ,其周期与活动磁铁成正比的。
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。至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。
图4-2-2 模拟输出方式
图4-2-3 数字输出方式
下图是在控制液压系统的方框图：
4-2-4系统的方框图
本系统是一个高精度、高响应的控制测试系统,要求控制测试精度达到5μm。所选用的TemposonicsⅢ系列磁致伸缩位移传感器采用 SSI 数据输出方式,而 SSI 接口板则用 ISA-Basic 板卡,该板卡内有80C320 微处理器,有2个通道的SSI接口,内置时钟28MHz,ISA-Basic板对1个循环的数据采集占用1kbyte
的内存,除此之外,ISA-Basic板卡上还有隔离模入、模出通道各2个,有A/D8个通道。
在进行液压伺服缸最低启动压力测试时所用的传感器量程为0.16MPa ,在系统工作状态时所用的传感器量程为25MPa。
4.3 软件设计
要正确地对 SSI传输方式的 Temposonics Ⅲ位移传感器位移量进行采集 ,除了选择相应的SSI 接口电路外,必须注意正确的方法。在系统设计和调试中总结如下: ①首先对接口板进行初始化 ,设置有关参数；②根据要求设置并保存位移传感器零点；③编写输入程序,调整比例系数,计算出位移量。以液压控制系统的动态测试系统为例 ,接口板采用 ISA-Basic 板卡。
4.3.1 接口板的初始化
进行位移量的数据采集必须首先进行接口板的初始化。在接口板的初始化程序设计中,为了提高分辨力,采用4次循环采集,系数M= 4×28×9(4次循环采集,接口板内置时钟频率为28MHz,每英寸9ms),如为了提高采样速度采用1次采集,则系数M= 28×9,但分辨力会低些。在实际应用中,可对系数M 在小范围内进行调整。M系数的成功设置可使其通过给定输入函数得到与位移量相关的数据。
4.3.2 位移量的采集
在完成好上面两项工作的基础上,就可以进行位移量采集程序的设计。位移量的采集有两项关键技术①正负方向的判断和正负脉冲数的计算；②位移量的计算。位移量采集程序图如图4-3-2 所示。首先读取浮点位移量(用 Position
表示),当它大于某数 N时,表明此时位移量为负,则此时的负向脉冲数等于零位脉冲数Zero减去当前位置的脉冲数；当Position小于等于N时,表明此时位移量为正,则此时的正向脉冲数等于当前位置的脉冲数减去零位脉冲数Zero。所测得的位移量单位是mm。位移量=感应脉冲数×L/ M,TemposonicsⅢ的分辨力与传感器的量程有关,在实际应用中总结出它的分辨力与传输线的长短也有关系,对于不同长短的传输线L应作适当的调整。在液压控制的动态测试系统中,当传输线约7m时, L=2,分辨力为2μm;当传输线约100m时,L=4,分辨力为4μm。
图4-3-1 位移采集程序图
4.3.3 使用效果
动态测试系统的时域测试效果如图4-3-3
4-3-3 测试效果图
被测对象是一个结晶器振动系统的液压控制系统 ,所用传输线为7m。图中所有位移的单位是μm,从测试结果可以看出,稳态误差为2μm ,也就是说分辨力可以是2μm。在研制液压系统的动态测试系统中,通过反复的实践,对Temposonics Ⅲ系列磁致伸缩位移传感器的应用有了较深理解,总结出该位移传感器的软件设计方法。实践证明这种方法是切实可行的。并在短距离位移测试中其分辨力可达2μm,在远距离位移测试中分辨力变大,必须进行有关参数的调整,传输线为
100m时 ,分辨力为4μm。
5 磁致伸缩位移传感器的发展方向
MTS公司正在研制的Temposonics ER型位移传感器代表了磁致伸缩位移传感器的发展方向。TemposonicsER型位移传感器是磁致伸缩测量原则，利用对超声波（传感器产生的扭转波脉冲）精确的速度、时间测量计算出目标位置传感器通过处理信号转换过程将测量结果直接转换为标准输出量磁致伸缩位移传感器已向着测量距离长测。量精度高的方向发展未来采用模块化设计模块。组装化数字化输出抗强电磁干扰和温度检测补、偿等技术、将使该类传感器成本大幅下降性能显著提高应用范围更加广泛为满足传感器工程化的实用化要求。传感器在最恶劣的工业环境下也具有耐用的特点，无论所测的目标位置困难与否，传感器都将根据实际情况进行参数调整并配置相应的结构以适合应用系统传感器的结构和封装。技术也有待于突破，并实现机械设计和电子装置的有效综合。
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