磁致式位移傳感器(共10頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上磁致伸縮位移傳感器一、概述 磁致伸縮位移（液位）傳感器，通過內(nèi)部非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置來測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值的；該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應(yīng)用于成千上萬(wàn)的實(shí)際案例中。 由于作為確定位置的活動(dòng)磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸，因此傳感器可應(yīng)用在極惡劣的工業(yè)環(huán)境中，不易受油漬、溶液、塵?；蚱渌廴镜挠绊?。此外，傳感器采用了高科技材料和先進(jìn)的電子處理技術(shù)，因而它能應(yīng)用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，就算不斷重復(fù)檢測(cè)，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損

2、，可以大大地提高檢測(cè)的可靠性和使用壽命。 2、 工作原理 磁致伸縮位移（液位）傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來準(zhǔn)確地測(cè)量位置的。測(cè)量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測(cè)量過程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測(cè)到。 由于這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成

3、正比，通過測(cè)量時(shí)間，就可以高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)值,而不是比例的或放大處理的信號(hào),所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況,更無需定期重標(biāo)。 3、 產(chǎn)品特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 產(chǎn)品特點(diǎn) * 內(nèi)部非接觸式測(cè)量 * 性能價(jià)格比高 * 多種輸出方式可供選擇 * 防浪涌、防射頻干擾 磁致伸縮的工作原理圖* 不需定期標(biāo)定和維護(hù) * 安裝方便 * 高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性 * 使用壽命長(zhǎng) * 具有輸入電源反向極性保護(hù)功能 * 結(jié)構(gòu)精巧、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) * 隔離防爆型（可選） 應(yīng)用領(lǐng)域（位移） * 伺服液壓油缸活塞位置反饋或預(yù)置 * 研磨機(jī)械位置反饋或預(yù)置 * 木材加工定位控制 磁致伸縮位移傳感

4、器* 水輪機(jī)導(dǎo)葉開度的檢測(cè)與控制 * 紙張和塑料薄膜成型 * 擠注模具機(jī)械 * 吹塑 * 工程機(jī)械 * 金屬成型/剪切沖壓 * 其它機(jī)械定位和位移檢測(cè) * 水壩閘門* 伺服汽缸活塞位置反饋或預(yù)置 * 鑄鍛機(jī)床位移控制 * 注塑機(jī)模板定位與監(jiān)測(cè) * 汽輪機(jī)氣阻閥門開度的檢測(cè)與控制 * 玻璃壓制 * 塑料機(jī)械改造 * 氣動(dòng)缸 * 鋼材滾壓 * 食品加工 * 港口機(jī)械 * 船舶舵機(jī)伺服系統(tǒng) 應(yīng)用領(lǐng)域（液位） 可廣泛應(yīng)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(jì)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(cè)、水處理等。 磁致伸縮位移傳感器是根據(jù)磁致伸縮原理制

5、造的高精度、長(zhǎng)行程絕對(duì)位置測(cè)量的位移傳感器。它采用內(nèi)部非接觸的測(cè)量方式，由于測(cè)量用的活動(dòng)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(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，安全性好，便于系統(tǒng)自動(dòng)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?chǎng)合)，也能正常工作01。此外，它還能承受高溫、高壓和強(qiáng)振動(dòng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移的測(cè)量、控制中。它的行程可達(dá)3米或更長(zhǎng)，標(biāo)稱精度為0.05% FS，行程1米以上傳感器精度可達(dá)0.02% F，S,重復(fù)性可達(dá)0.002% FS，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(yīng)用。 磁致伸縮現(xiàn)象和磁致伸縮材料 大家都知道物質(zhì)

6、有熱脹冷縮的現(xiàn)在。除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)和縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，其尺寸伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外磁場(chǎng)后，其又恢復(fù)原來的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）。此現(xiàn)象的機(jī)理是：鐵磁或亞鐵磁材料在居里點(diǎn)以下發(fā)生自發(fā)磁化，形成磁疇。在每個(gè)磁疇內(nèi)。晶格都沿磁化強(qiáng)度方向發(fā)生形變。當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，材料內(nèi)部隨即取向的磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn)，是各磁疇的磁化方向趨于一致，物體對(duì)外顯示的宏觀效應(yīng)即沿磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)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(yīng)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

7、與合金的大約200400ppm，它很快得到廣泛的應(yīng)用；第三大類是近期發(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(gè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的材料，是21世紀(jì)戰(zhàn)略性功能材料。 磁致伸縮全球領(lǐng)航者-美國(guó)mts位移傳感器 MTS系統(tǒng)公司成立于1966年，是全球第一家開拓磁致伸縮測(cè)量技術(shù)的公司，在美國(guó)NASDAQ獨(dú)立上市，其總部位于美國(guó)明尼蘇達(dá)州，是全球最大的高性能和高精度力學(xué)性能測(cè)試、模擬系統(tǒng)和位移傳感器的制造商。其產(chǎn)品和服務(wù)主要應(yīng)用于科研、產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量控制等領(lǐng)域，范圍涉及試驗(yàn)設(shè)備、分析軟件和優(yōu)秀工程解決方案咨詢，客戶涉及國(guó)際各大汽車、飛機(jī)制造商、國(guó)家及高校科研機(jī)構(gòu)，例如奔馳、豐田、

8、通用、福特、大眾、波音、空中客車及國(guó)際各大知名高?？蒲袡C(jī)構(gòu)、試驗(yàn)室。自上世紀(jì)七十年代后期進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來，中國(guó)許多頂級(jí)的國(guó)家科研機(jī)構(gòu)、重點(diǎn)高校和大型企事業(yè)單位就引進(jìn)了許多MTS測(cè)試和模擬系統(tǒng)、軟件，如中科院的許多科研所、航空航天研究所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等國(guó)內(nèi)外知名科研機(jī)構(gòu)在改革開放的初期就與MTS建立了合作關(guān)系。在工業(yè)界，寶鋼、上海大眾、上海通用、一汽集團(tuán)、二汽集團(tuán)、奇瑞等知名企業(yè)也早已成為MTS的重要用戶。 美國(guó) MTS磁致伸縮位移傳感器適用于高溫、高壓和強(qiáng)振蕩等極其惡劣的工況，其絕對(duì)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(yùn)行，平均無故障時(shí)間長(zhǎng)達(dá)23

9、年。 滿足各種需求和預(yù)算的解決方案 MTS 解決方案和服務(wù)體現(xiàn)了最先進(jìn)的技術(shù)和最高的行業(yè)水平。無論您的需求是否復(fù)雜、是否頻繁，MTS都會(huì)竭誠(chéng)為您提供高品質(zhì)的創(chuàng)新型測(cè)試服務(wù)。隨著測(cè)試需求的不斷增加，MTS時(shí)刻準(zhǔn)備為您提供所需的解決方案和技術(shù)支持，幫助您維持較高的工作效率。 來自業(yè)內(nèi)專家的創(chuàng)新性建議 由于眾多知名專家的加入，MTS 團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域始終保持領(lǐng)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(dòng)，從而更深入地了解客戶所面臨的挑戰(zhàn)并能提出相應(yīng)的創(chuàng)新解決方案。 Temposonics® R-系列 一個(gè)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(jī)械自動(dòng)化控制應(yīng)用。輸出

10、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(cè)量。 Temposonics® G-系列 可編程和內(nèi)置診斷功能的傳感器系列。適合一般的機(jī)械自動(dòng)化應(yīng)用，輸出模式有：模擬的電壓與電流、數(shù)字的 Start / Stop 和 PWM 脈沖。 G-系列與舊型的 T2 和 L-系列傳感器提供接近百分百的兼容性。在替代互換舊型號(hào)上絕對(duì)沒有問題。 Temposonics® E-系列 E-系列傳感器，為用戶提供了非常實(shí)用的絕對(duì)值位移反饋信號(hào)，性價(jià)比極高。

11、標(biāo)準(zhǔn)輸出方式有：模擬的電壓與電流以及數(shù)字的 Start / Stop 脈沖等。 E-系列還能提供多元化的安裝方式，最適合機(jī)床行業(yè)使用。 Temposonics® L-系列 *LD2 型為專業(yè)產(chǎn)品，用戶必須先征求MTS同意寸能選購(gòu)。 Temposonics® M-系列 M-系列位移傳感器提供快速的測(cè)量，超強(qiáng)的重復(fù)精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定的性能，非常適合行走機(jī)械中的電液動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用。不只應(yīng)用在工業(yè)車輛上，同時(shí)也被大量的應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)機(jī)械設(shè)備，如翻土機(jī)和收割機(jī)等。 磁致伸縮位移傳感器的研制磁致伸縮位移傳感是利用磁致伸縮效應(yīng)研制的傳感器。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸、絕對(duì)式測(cè)量，具有高精度、大量程的特點(diǎn)

12、，特別是由于磁鐵和傳感器并無直接接觸，因此傳感器可應(yīng)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(chǎng)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(hào)為絕對(duì)數(shù)值，所以即使電源中斷重接也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)收構(gòu)成問題，更無尖重新調(diào)整零位。由于傳感器組件都是非接觸的，所以即使測(cè)量過程理不斷重復(fù)的，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損。 研制中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有： （1）大電流周期激發(fā)電路的設(shè)計(jì)； （2）微弱信號(hào)的檢測(cè)、信號(hào)的濾波、放大、電壓比較、峰值檢驗(yàn)波、電壓限幅等一系列電路的設(shè)計(jì)； （3）基于單片機(jī)的高精度時(shí)間量測(cè)量。技術(shù)要求：測(cè)量范圍08cm，精度0.1mm。測(cè)量范圍不是很大，主要是受到實(shí)驗(yàn)所用波導(dǎo)

13、鋼絲本身長(zhǎng)度的限制。 1、位移傳感器的原理 磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器， 如上圖所示。除位置磁鐵外，所有其他元器件都安裝在傳感器殼體內(nèi)， 組成傳感器的主體。位置磁鐵通常裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件A上， 而傳感器主體則裝在一個(gè)固定的部件B上。 傳感器工作時(shí)，電子信號(hào)和處理系統(tǒng)發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲間隔為T的激勵(lì)脈沖電流ie該脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。位置磁鐵也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)。根據(jù)Widemanm效應(yīng)，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波。磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度為 式中：G為波導(dǎo)管的剪切彈性模量；為波導(dǎo)管密度。 由于G和均為恒定（對(duì)于一定的波導(dǎo)管來說）的，所以

14、傳播速度也恒定。經(jīng)過計(jì)算該旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)鋼絲以2 800 m/s的速度向兩邊傳播。當(dāng)它傳到波導(dǎo)鋼絲一端的波檢測(cè)器時(shí)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)ua通過測(cè)量磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵傳到波檢測(cè)器的時(shí)間tL就能確定位置磁鐵和波檢測(cè)器之間的距離。這樣，當(dāng)部件A和B產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。 在波導(dǎo)鋼絲的另一端，磁致旋轉(zhuǎn)波將通過減波元件被大大削弱，以避免反射的波形對(duì)測(cè)量精度造成影響。波反射器是用于改善電信號(hào)ua的波形和加強(qiáng)電信號(hào)的大小。 2、位移傳感器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)這個(gè)原理，設(shè)計(jì)了總體的電子信號(hào)系統(tǒng)方案來檢測(cè)這個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波并送人到MCS51微型計(jì)算機(jī)處理。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)如圖2所示

15、。 (1) 產(chǎn)生一個(gè)周期激勵(lì)脈沖電流，該脈沖輸入波導(dǎo)鋼絲，以便圍繞波導(dǎo)鋼絲形成一個(gè)周期脈沖磁場(chǎng)。該脈沖的周期和寬度應(yīng)通過微處理器編程來調(diào)節(jié)。為了獲得較強(qiáng)的脈沖磁場(chǎng)，激勵(lì)脈沖應(yīng)具有足夠的能量，即足夠的電流。 (2)模擬信號(hào)處理，對(duì)從波檢測(cè)器（檢測(cè)線圈）輸出的位置脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，以便比較處理。 (3)對(duì)放大后的位置脈沖信號(hào)進(jìn)行零位或峰值檢波，以便確定位置脈沖信號(hào)從位置磁鐵傳到檢測(cè)線圈的時(shí)間。 (4)時(shí)間測(cè)量和信號(hào)處理（數(shù)字或模擬信號(hào)處理）。 (5)位置信號(hào)輸出（數(shù)字電流和電壓，模擬電流和電壓）。 3、傳感器性能指標(biāo)測(cè)試及結(jié)果 為了給傳感器系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，搭建了測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由傳感器主體、

16、位置磁鐵、螺旋測(cè)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(tái)上面對(duì)傳感器的性能進(jìn)行測(cè)量，主要包括傳感器的線性度，遲滯和重復(fù)性。 3.1 傳感器線性度 測(cè)量：在傳感器測(cè)量整個(gè)080mm范圍內(nèi)，旋動(dòng)螺旋測(cè)微器分別每隔5mm記一組數(shù)據(jù)，位置磁鐵相應(yīng)移動(dòng)，連續(xù)取測(cè)量數(shù)據(jù)20組，如圖3。 線性度的指標(biāo)公式為 式中：el為非線性誤差（線性度）；max為最大非線性絕對(duì)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080 mm范圍內(nèi)的線性度為0.387%。 3

17、.2 傳感器遲滯 將螺旋測(cè)微器在傳感器的正反兩個(gè)方向量程內(nèi)來回移動(dòng)，測(cè)量范圍為080mm，測(cè)到的數(shù)據(jù)如圖4。其中有正向測(cè)量和反向測(cè)量數(shù)值（每隔5mm測(cè)量1次），以及正反方向測(cè)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(fù)性 圖5是傳感器在正行程和反行程測(cè)量各測(cè)2次的數(shù)據(jù)，其中還計(jì)算了重復(fù)性偏差。根據(jù)式（2）可計(jì)算出080mm滿量程的重復(fù)性誤差指標(biāo)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，移動(dòng)螺旋測(cè)微器0.056mm，傳感器LCD顯示值改變0.05

18、6mm。 3.4.2 穩(wěn)定性 在測(cè)試時(shí)，將傳感器設(shè)定在一固定點(diǎn)，然后分別在4h讀取數(shù)據(jù)1次，測(cè)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(yàn)證了磁致伸縮傳感器不受掉電影響。 溫度穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟茸兓螺敵隽堪l(fā)生的變化。測(cè)量傳感器溫度穩(wěn)定性時(shí)，分別在房間溫度為15和室外溫度為1測(cè)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(cè)試系統(tǒng)靈敏度 移動(dòng)螺旋測(cè)微器0.05mm，測(cè)到傳感器LCD屏上變化0.056mm，此測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度為1.12。 綜上，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(fù)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(dá)到m級(jí)，現(xiàn)在實(shí)際分辨力只有0.056mm。 4結(jié)束語(yǔ) 在搭建的平臺(tái)上對(duì)磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行了進(jìn)一步的誤差分析。誤差主要還是在傳感器的一些性能指標(biāo)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(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果理想，位置磁鐵在傳感器不同的位置都有一不同的信號(hào)反_映。信號(hào)處理電路中占空比可調(diào)的脈沖激發(fā)控制信號(hào)電路部