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内置式位移传感器在液压缸中的应用

  液压技术已广泛应用于各行各业,液压缸作为液压系统的执行元件将占整个系统的30%到60%。液压缸是一种精密执行元件,其设计制造技术是否先进可靠,决定了整个系统的先进性和可靠性。特别是近年来,各种设备不断向自动化和智能化方向发展,传统的液压缸产品已不能满足需求,各种带传感器的液压缸应用而生,有的已被应用于煤矿机械设备液压系统中的远程监控与无线遥控技术。本文对安装磁致伸缩位移传感器液压缸的结构,工作原理,检测控制等技术进行了简要的介绍。

  1概述

  某单位研发了YMJ7318-41型内置式位移传感器的液压缸,它已成功地应用于某大型煤机公司的远程可视化遥控掘进机上。它是用于伸缩掘进机大臂的右液压缸,专门调整截割头位置。设计缸径为φ160mm,杆径为φ90mm,行程为650mm’额定压力为20MPa,两端为带自润滑轴承式耳环连接。掘进机利用远程控制技术及监测系统,通过图像采集系统,将各种工作参数信号远距离传输,通过调整内置式位移传感器液压缸,实现掘进过程的定向,定位和定形,具有运行状态参数实时监测和故障诊断等功能。对提高我国煤炭资源的开采能力,避免或减少井下开采中重大人员伤害的发生,保障煤炭安全开采具有重要意义。

内置位移传感器液压缸结构简图
内置位移传感器液压缸结构简图

  1-螺塞;2-自润滑轴承;3-弹性柱销;4-传感器组件;5-活塞;6-活塞杆;7-导向套

  液压缸结构简图及工作原理

  液压缸结构简图见图,所示。活塞杆在缸筒内的端部,固定一个与活塞杆同步移动的永磁磁环,传感器的电子仓室通过柱销固定在液压缸缸底上,整个外管从液压缸缸底的螺孔,伸入到液压缸的中空活塞杆的内腔里。当高压油从左面油口进入,推动活塞向右运动,便带动磁环沿外管移动,传感器的检测部件即刻将活塞杆当时的位置数据计算出来,通过内接线传递到电子盒转换成数字量信号,通过接头插座发送给控制器。由于创新的模块化设计使得在安装和替换传感器电子头时无须破坏液压系统的高压密封,无须整体拆开液压缸,大大降低了维护成本和停机时间,而且,传感器电子头安装在液压缸内部节省空间,外形整齐美观,特别适合安装空间受限制的场合。

  磁致伸缩位移传感器工作原理

  本文所介绍的是高精度、长行程、绝对位置测量的位移传感器。它采用内部非接触的测量方式,使用寿命长、环境适应压和强振动,行程可达3m,标称精度0.05%F.S,行程1m传感器精度可达0.02%F.S,重复性可达0.002%F.S。该传感器由抗压不锈钢测量管,灵活信号调理的电子接口和磁环三部分组成。传感器的后部是一个圆柱形的电子仓室,内装有传感器的电子检测线路板,传感器前部是一根能耐受压力的护套管构成的测量杆(能承受105℃的高温),管内还有一根保护波导线的支撑管,支撑管内穿有传输时钟脉冲信号的波导线。传感器输出的信号为绝对值,所以即使电源中断,重新恢复后也不会对先前检测的数据存在丢失问题更无须重新返回零位。根据美国太空署的统计,LD位移传感器的磁致伸缩敏感元件之平均无故障时间为23年。LD型位移传感器的参数如表

行程模拟25-2540mm
数字25-7620mm
工作压力静态34.5MPa
峰值69MPa
安装公制M18×1,或英制34-16UNF-3A的安装螺纹
外壳密封度不锈钢压力外管符合Ip67标准
磁铁选型圆环型标准型号201542
接头选型D6(6针DIN)插座RG(7针)细头插座

  2.2磁致伸缩原理

  磁致位移伸缩传感器工作原理示意图见图,。根据材料的物理特性,铁磁性物质的形状在磁化过程中发生弹性形变的现象称之为磁致伸缩。这种磁致伸缩的实际量是非常细微的。一般的铁合金材料仅为 30PPM左右,但现在的科学技术已研制出更新的材料,可以将磁致伸缩效果提升至1500PPM以上。磁致伸缩的原理并不复杂,它是利用两个不同磁场相交时在铁磁材料上产生的形变,通过磁电转换产生一个应变脉冲信号通过检测这个应变脉冲信号,然后计算从同步脉冲发出到检测到这个信号所需的时间周期,从而换算出发生磁致伸缩部位的准确位置。这两个磁场一个来自随被检测物体移动的活动永磁铁,另一个来自由变送器产生的同步时钟脉冲。这个称为“询问信号”的脉冲,也就是时钟脉冲信号,沿著传感器内以磁致伸缩材料制造的波导管以电波的速度传送。当两个磁场相交时,波导管发生磁致伸缩现象,产生一个形变。形成伸展或收缩的形变,由传感器内置的拾音器部件,将这个波动,通过拾音器动圈线圈将这个称为“返回信号”的波动,转换成电脉冲,很快便被电子部件的检测电路探测到。从产生同步脉冲信号的一刻到返回信号被探测到所需的时间周期乘以固定的电波传输速度,人们便能精确地计算出活动磁铁当时所到达的位置及位置变动的数值。这个过程是连续不断的,所以每当活动磁铁被带动,而改变位置时,新的位置很快就会被检测出来。由于系统输出的信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或需要再放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更不必像其它位移传感器一样需要定期重新标定。

磁致伸缩位移传感器感应原理
磁致伸缩位移传感器感应原理

  磁致伸缩位移传感器使用中的注意事项

  首先,安装时注意内接线要轻轻从底部接入电子盒内,不得强拉硬拽,应避免内接线断裂,且弯曲半径应大于24mm接好电线后,利用外置24v直流电源进行检测,针号1白色线接直流ov,针号6棕色线接直流+24v,利用万能表检测输出电流,磁环在零区时所测电流不得大于4mA。当磁环在极限行程时所测电流不得大于20mA。其次,装配部位的加工尺寸,应严格按照标准的公差要求控制。应用LD需要使用的o形密封圈密封,由固定圈固定。最后,在安装磁铁环时要在磁环下部垫上非磁性材料制作的隔磁垫圈,而且所有固定磁环的螺钉,都必须使用非磁性材料制作。另外,在使用中要注意传感器的有效工作区域。要把需要实际测量的范围,置于传感器的有效测量区域内。由于结构上的原因,传感器在两端存在一定的测量盲区。具体根据样本资料的说明确定测量范围。

  4结语

  磁致伸缩现象是科学家JamesPrescottJoule于1842年发现的。如今磁致伸缩位移测量技术结合液压技术在高精度自动化控制领域达到了新的高度。

  通过磁致伸缩传感器的测量技术,实现了高难度,高精度的控制,已迅速发展为力学测试、机械模拟

  系统和工业自动化测量的重要传感元件。