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磁致伸縮位移傳感器，通過內(nèi)部非接觸式的測控技術(shù)精確地檢測活動磁環(huán)的絕對位置來測量被檢測產(chǎn)品的實(shí)際位移值；該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應(yīng)用于成千上萬的實(shí)際案例中。

由于作為確定位置的活動磁環(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、塵埃或其它污染的影響。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。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會丟失，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，也不會對傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。

一、簡介

磁致伸縮線性位移/液位傳感器的檢測機(jī)理基于傳感器核心檢測元件磁致伸縮波導(dǎo)絲與游標(biāo)磁環(huán)間的魏德曼效應(yīng)。測量時(shí)，電子倉中的激勵模塊在敏磁致伸縮線性位移/液位傳感器的檢測機(jī)理基于傳感器核心檢測元件—磁致伸縮波導(dǎo)絲與游標(biāo)磁環(huán)間的魏德曼效應(yīng)。??

測量時(shí)，電子倉中的激勵模塊在敏感檢測元件（磁致伸縮波導(dǎo)絲）兩端施加一查詢脈沖，該脈沖以光速在波導(dǎo)絲周圍形成周向安培環(huán)形磁場，該環(huán)形磁場與游標(biāo)磁環(huán)的偏置永磁磁場發(fā)生耦合作用時(shí)，會在波導(dǎo)絲的表面形成魏德曼效應(yīng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，扭轉(zhuǎn)波以聲速由產(chǎn)生點(diǎn)向波導(dǎo)絲的兩端傳播，傳向末端的扭轉(zhuǎn)波被阻尼器件吸收，傳向激勵端的信號則被檢波裝置接收，電子倉中的控制模塊計(jì)算出查詢脈沖與接收信號間的時(shí)間差，再乘以扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波在波導(dǎo)材料中的傳播速度（約2830m/s），即可計(jì)算出扭轉(zhuǎn)波發(fā)生位置與測量基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離，也即游標(biāo)磁環(huán)在該瞬時(shí)相對于測量基準(zhǔn)點(diǎn)間的絕對距離，從而實(shí)現(xiàn)對游標(biāo)磁環(huán)位置的實(shí)時(shí)精確測量。

二、工作原理

磁致伸縮位移/液位傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置的。測量元件是一根波導(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)生一個圓周磁場，當(dāng)該磁場和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會產(chǎn)生一個應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號，這個應(yīng)變機(jī)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(yīng)變機(jī)械波脈沖信號在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測量時(shí)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(biāo)。

三、結(jié)構(gòu)材質(zhì)

◆測桿結(jié)構(gòu)：剛性測桿結(jié)構(gòu)、外置一體式結(jié)構(gòu)

◆測桿材質(zhì)：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(hù)等級：IP65（可根據(jù)要求定制IP67或IP68）

四、產(chǎn)品特點(diǎn)

◆內(nèi)部非接觸式測量

◆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

◆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(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）

◆不需定期標(biāo)定和維護(hù)

五、應(yīng)用領(lǐng)域

◆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；

◆水輪機(jī)導(dǎo)葉開度的檢測與控制；

◆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；

◆水壩閘門；

◆鑄鍛機(jī)床位移控制；

◆注塑機(jī)模板定位與監(jiān)測；

◆汽輪機(jī)氣阻閥門開度的檢測與控制；

◆玻璃壓制；

◆塑料機(jī)械改造；

◆氣動缸；

◆鋼材滾壓；

◆食品加工；

◆港口機(jī)械；

◆船舶舵機(jī)伺服系統(tǒng)；

◆伺服汽缸活塞位置反饋或預(yù)置。

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、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(nèi)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(yīng)能力強(qiáng)，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(qiáng)振動，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移的測量、控制中。它的行程可達(dá)3米或更長，標(biāo)稱精度為0.05%F.S，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%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(yīng)用。

六、技術(shù)參數(shù)

◆測量對象:位置、速度（絕對速度），可測量1～2個位置

◆測量范圍:50mm～8000mm

◆零點(diǎn)可調(diào)范圍:100%F.S

◆輸出方式:電流:4～20mA,最大負(fù)載電阻600Ω；電壓:0～10VDC,0～5VDC,最低負(fù)載>5KΩ

◆精 度:分辨率:采用16BitD/A轉(zhuǎn)換，0.0015%F.S（最小1μm）；非線性:<±0.015%F.S（最小±50μm）；重復(fù)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(shí)間測量范圍:<0.5ms/m

◆供電電源:+24VDC±10%

◆工作電流:<50mA

◆工作溫度:-40～+85℃

◆儲存溫度:-40～+100℃

◆零點(diǎn)/跨度調(diào)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(fù)精度:<+0.001%滿量程(最小+2.5um)

◆滯后:<4um

◆刷新周期:0.5ms達(dá)到1200mm行程長度,1.0ms達(dá)到2400mm行程長度

◆紋波:2.0ms達(dá)到4800mm行程長度,5.0ms達(dá)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/0

七、伸縮現(xiàn)象

大家都知道物質(zhì)有熱脹冷縮。除了加熱外，磁場和電場也會導(dǎo)致物體尺寸的伸長和縮短。鐵磁性物質(zhì)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(fù)原來的長度，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，物體對外顯示的宏觀效應(yīng)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(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)比金屬與合金的大約200～400ppm，它很快得到廣泛的應(yīng)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(jì)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(qiáng)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(yùn)行，平均無故障時(shí)間長達(dá)23年。

八、注意事項(xiàng)

①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(yùn)動會使合模電子尺的顯示變換，有波動，或者合模的運(yùn)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(qū)動電源與直線位移傳感器供電電源共用的時(shí)候，更容易出現(xiàn)這種情況。

②調(diào)頻干擾和靜電干擾的問題，調(diào)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(shè)備的強(qiáng)電線路要分開線槽。電子尺必須強(qiáng)制性地接地。信號線需要使用屏蔽線，而且電箱的一段應(yīng)該跟屏蔽線接地的。如果有高頻干擾的時(shí)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(shí)，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(shí)，只需用一段電源線把電子尺的封蓋螺絲跟機(jī)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(jié)果會不會更好，以此來判斷是不是高頻干擾的問題。

③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(shù)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(jī)器的外殼很有規(guī)律地接觸而導(dǎo)致的對地短路。

④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(shí)候，必須要對平行度和角度進(jìn)行調(diào)整了。
⑤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(diào)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(diǎn)情況都是位移傳感器安裝使用時(shí)需要特別注意的。

九、故障處理

電壓和電流輸出的負(fù)載是不一樣的，電壓的負(fù)載時(shí)要求電阻越大越好，一般不要小于1000Ω，太小時(shí)就相當(dāng)于短路了，會損壞產(chǎn)品；電流的負(fù)載是要求電阻越小越好，一般不要大于1000Ω，太大時(shí)就相當(dāng)于開路了，沒有電流流通。所以電流輸出的負(fù)載和電壓輸出的負(fù)載限制是不一樣的而且一定要注意：電壓輸出時(shí)，負(fù)載不能短路，否則會使負(fù)荷太大，燒毀電路；而電流輸出時(shí)，負(fù)載不能開路，否則會使負(fù)載增加而燒毀電路。這兩點(diǎn)一定要清楚。至于電壓輸出和電流輸出，到了機(jī)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(dāng)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(nèi)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(xiàng)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(lán)色或黑色是負(fù)極，可以用萬用表的電壓檔位測可能的正、負(fù)極之間的電壓值，如果沒有把握，就可以在可能的正、負(fù)極之間接一個1000Ω的電阻，再測量電阻之間的電壓值，確認(rèn)正負(fù)極性后，用正極分別去短路剩下的幾根線，同時(shí)看電腦顯示是否出現(xiàn)穩(wěn)定的最大值，如果是，再用負(fù)極去短路剛才驗(yàn)證的那根線，同時(shí)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(zhǔn)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(fù)極與電腦的電源負(fù)極短接。上述問題自然解決。這很容易出現(xiàn)在維修設(shè)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(shí)驗(yàn)了。因?yàn)椋娏餍洼敵鲐?fù)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(yīng)該先在傳感器信號線與負(fù)極之間先接一個電阻1000Ω短路，以免誤操作時(shí)過載。在預(yù)先弄清楚正負(fù)極的情況下，接好傳感器的正負(fù)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(jìn)行傳輸，到了電腦邊再將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，方法很簡單，只需要在輸出與電源負(fù)極之間接入一個標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)電阻就可以。

由于磁致伸縮位移傳感器的原理，從機(jī)械上講，因?yàn)槭菬o接觸、無磨損的，所以出現(xiàn)故障的機(jī)會不多，除非機(jī)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(nèi)部，磁環(huán)突然脫落，顯示數(shù)值將沒有變化。如果是停機(jī)好久才脫落，開機(jī)上電時(shí)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(fù)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(shí)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(jìn)的工藝客服了其它各種問題，產(chǎn)品經(jīng)嚴(yán)酷的環(huán)境測試和機(jī)械測試，均符合要求。應(yīng)該在一般使用條件和環(huán)境中不會出現(xiàn)問題?？赡軙霈F(xiàn)的問題，諸如：數(shù)據(jù)傳輸不會運(yùn)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。

十、結(jié) 論

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)測試，結(jié)果理想，位置磁鐵在傳感器不同的位置都有不同的信號反映。信號處理電路中占空比可調(diào)的脈沖激發(fā)控制信號電路部分設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)際的電路調(diào)試結(jié)果理想。脈沖激發(fā)電路用不同方案設(shè)計(jì)并綜合考慮到實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)，在ORCAD上模擬效果理想。進(jìn)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(shí)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(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），它具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，CPLD可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程，而且能重復(fù)多次，使用CPLD器件進(jìn)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(kuò)充性，而且還可大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。磁致伸縮位移傳感器技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于我國的各項(xiàng)工業(yè)領(lǐng)域中。