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耐震式绝对值磁致伸缩位移传感器

  一、引言

  本文介绍了一种国际上90年代研制而成的磁致伸缩新型位移传感器。该位移传感器工作原理新颖,应用了磁性精密合金的磁致伸缩效应和表面波传输接收运算原理,能应用于光栅尺,感应同步器和不能应用电阻式位移传感器的工况恶劣场合。该位移传感器可广泛用于机械、矿山和轻工等行业,是实现机电仪一体化、提高专用生产线和机械产品自控水平的关键部件。其特点是:耐振性能好、精度高、测量范围宽,并且能在油中或粉尘场所使用。

  二、工作原理和结构

  这种位移传感器的工作原理是基于磁致伸缩效应,即由于磁场的作用,磁性材料的磁化状态发生变化时所引起的体积、尺寸或形状的改变。表征这种改变线性尺寸大小的物理量,称为磁致伸缩系数久。

λ=(I1-I0)/I0=△I/I0

  式中:I0——材料的原长

  I1——材料在磁化状态变化后的长度

  位移传感器外形如上图所示,由传感器和磁环组成,传感器由控制器和测杆构成。磁环用永久磁铁制成,在周围产生一强磁场,磁环与被测位移量的运动部件联成一体。测杆用磁致伸缩型磁性材料制成,控制器内装有微电子电路,用以测量磁环的位置。其工作原理如下图所示。

  控制器内有一石英振子,其频率稳定度为10-6,既作为时钟脉冲,又作为测量位移量的脉冲流。控制器里的电脉冲发生器供给测杆一脉冲电流,在整个测杆瞬间地产生圆周方向的磁场,此磁场遇到磁环的永久磁场产生突变,由于磁致伸缩效应在该处产生弹性波,向测杆二端传输。在测杆的右端装有吸收弹性波的缓冲节,则向右传输的弹性波被缓冲节所吸收。向左传输的弹性波由控制器中的弹性波接收器所接收,再经放大电路放大后,将此信号送至测量电路,测量电路主要由计数器组成。

  因为弹性波在测杆中是以恒速传播的,所以只要测出电脉冲和接收到弹性波的时间间隔,即可测出磁环的位量。因弹性波在测杆中以3km/s左右的速度传播,如测杆长度为4m时,测量频率可达400Hz,因而能精确地测定磁环的位移量及其速度。

  三、磁致伸缩位移传感器的优点

  1.耐振动冲击

  因为磁环与测杆经空间磁场相互作用,其间隙可达3mm,为非接勉式,并且由于测量频率每秒高达数千次,所以在振动冲击场合下能长久地正常工作。

  光栅尺,感应同步器虽精度高,测量位移量大,但由于动尺与定尺间间隙为0.1mm,在震动下无法应用。磁致仲缩位移传感器不但耐振动冲击,而且无磨损,能长期在振动场合下工作,较电阻式位移传感器的寿命长几十倍。

  2.时钟脉冲数直接转换为位移量显示值

  绝大部分数显仪器将被测参数转换为成比例的电信号,再经模数转换成数字量显示。

  如直接用激励电脉冲打开计数器记数,再用接收到的弹性波电信号使计数器停止记数,如图3所示,由时钟脉冲数直接转换为位移量显示值,则省去了许多中间环节,符合”测量链最短”原则。

  磁致伸缩位移传感器的分辩取决于振子频率。采用30MHz左右的振子,因弹性在测杆波中的传播速度是3km/s左右,则记数器每记一个脉冲所对应的位移量,即分辨率为:

D=3km/s/30MHz=1mm/s/10/s= 0.1mm

  因在常温-10℃~+45℃时,弹性波在固体中的传播速度基本为一定值,则精度主要取决于振子的稳定度。磁致伸缩位移传感器非线性误差及温度系数如下:

  非线性误差≤0.05%FS

  温度系数≤50ppmFS/℃

  测量范围取决于测杆的制造长度,一般可达2m。

  四、应用

  1.测量压力机装模高度

  若不能在连杆和曲柄部件安装传感器,可将传感器安装的在立柱上,磁环安装在滑块上。

  2.测量液位

  把磁环安装在浮子上,浮子可做得厚些,便于顺测杆上、下浮动。测量液位精度可达0.1mm,高于其他液位计。

  3.液压系统测量制控

  可把位移传感器直接安装在液压油缸和气缸中,使何服位量控制系统抗千扰能力强,并可大大提高控制精度。由于位移传感器重复精度0.1mm,在开环控制时,仍能达到较高的控制精度。

  4.测量速度,加速度

  配以微处理器或计算机,引人时间参数,即可测量速度、加速度。