提高液压缸磁致伸缩位移传感器的可靠性

　　提高液压缸传感器的可靠性：如何在恶劣条件下保持设备正常运行时间

　　在液压行业中，可靠性始终至关重要，而在锯木厂、铸造厂、钢铁厂以及移动机械等典型的恶劣且复杂的应用场景中，保持设备的正常运行时间可能尤其具有挑战性。对于流体动力工程师而言，随着液压缸上传感器的广泛应用，这已成为一个更为关键的问题。

　　反馈装置能让用户确保精度、跟踪设备性能，并在故障演变成重大停机事故之前发现问题。遗憾的是，从耐用性的角度来看，传感器和电子元件往往是液压控制回路中的薄弱环节，但通过合理规划，您的系统能够持续正常运行。让我们深入探讨工程师们面临的障碍，以及在恶劣和困难环境中有助于确保设备不间断且无故障运行的策略。

　　气缸监测

　　在简单且要求不高的应用中，设备设计师在选择气缸传感器时有很多选择。两种基本的定位方法是行程末端传感和连续传感。行程末端传感器，如霍尔效应装置，通常成本较低，但只能告知活塞杆是完全伸出还是完全缩回。

　　连续位置传感器，如线性可变差动变压器（LVDT）、光学编码器和磁致伸缩位移传感器，成本更高，但能提供更多信息。用户可以随时精确地知道气缸杆的位置。

　　在像木材加工厂和轮胎硫化机等严苛的应用中，当需要连续的液压缸位置反馈时，磁致伸缩气缸传感器被广泛使用。由于其高精度、宽温度范围、无磨损运行以及对冲击和振动的耐受性，它们比其他传感器更受青睐。在这种设计中，传感探头安装在气缸内部，因此设备的大部分都能得到良好的保护。（更多详细信息请参见侧边栏“磁致伸缩传感器基础知识”）

　　但无论指定的是哪种类型的气缸传感器，高要求的应用都会挑战标准产品的生存极限，并可能导致传感器过早失效。以下是一些常见问题，以及在不利运行条件下提高设备正常运行时间的方法。

　　极端高温

　　极端温度对任何传感器来说都是一个挑战。例如，在钢铁高炉、连铸机和热轧生产线附近运行时，设备会处于高温环境中，这会给电子元件带来压力并加速其失效。

　　用户必须应对传导、对流和辐射热传递。为了应对这种情况，需要评估安装情况，并尽可能减少传感器暴露在热源下的程度。对于传导散热，如果可能的话，将传感器尽可能移到离热源较远的地方。或者，如果气缸的后耳环直接连接到热源，您可以安装一个隔热屏障（绝缘体）来阻断传导路径。

　　通过安装隔热罩来偏转热气流，使其远离传感器外壳，从而减轻对流散热的影响。通常，同样的防护装置也会阻挡辐射的红外能量，尽管可能会有一些热量从背面重新辐射回来。接下来，看看传感器本身。标准气缸传感器的最高额定温度通常为75°C（167°F），但也有增强版本，可承受高达100°C（212°F）的温度。

　　而且不要忘记，并非所有电缆都一样。标准的聚氨酯电缆材料在较高温度下会迅速变质或熔化，然而，像聚四氟乙烯（PTFE）这样的特殊电缆护套材料可承受高达200°C（392°F）的温度。

　　还有一种我们称之为“牺牲电缆”的策略。如果在传感器和控制箱之间使用一根20米长的电缆，而这根电缆出现故障，您将需要重新铺设整根20米的电缆。相反，可以在传感器和主电缆之间插入一根短的“牺牲电缆”。如果它因高温而损坏，技术人员可以快速拔下并更换，而无需重新铺设整根主干电缆。

　　在恶劣环境中，对于电子元件来说温度仍然过高而无法正常工作吗？在这种情况下，可以将传感器安装在为空气或水冷却系统设计的保护外壳中。例如，像恒立液压这样的企业，生产的水冷液压缸可以降低传感器的温度。

　　极度寒冷

　　在北极地区的石油和天然气作业中，经常会遇到相反的情况，那里的温度可能会降至-40°C（-40°F）或更低。在这些温度下，用于密封件和垫圈、电缆绝缘层和外护套以及传感器元件阻尼材料的聚合物会变脆。半导体材料开始失去导电性，电路可能会出现不可预测的行为。

　　采用低温聚合物配方的特殊液压缸传感器，设计工作温度可低至-50°C（-58°F）。为了应对电子故障，制造商可能会规定在-40°C以下持续为电子元件供电。散热会使电子元件升温，并使其保持在合适的工作范围内。

　　物理冲击

　　锯木厂中掉落的原木、移动车辆中飞起的石块，以及工人在攀爬设备时简单地将气缸当作台阶使用，这些都是造成机械冲击的常见原因。一般来说，液压缸坚固耐用，能够承受这种滥用。但对于传感器来说，情况并非如此。标准气缸位移传感器通常有一个外露的挤压铝制外壳。为了提高传感器在冲击载荷下的存活几率，可以采取防护、嵌入和升级的方法。

　　-防护：许多气缸制造商为气缸传感器提供附件防护装置。一个大的端盖——本质上是一段钢管——安装在气缸的后端，以保护内部的传感器。缺点是在维修传感器时必须将其拆下，而且很多时候，维修后就不再安装回去了，这使得传感器容易受到冲击。

　　-嵌入：可以将紧凑型传感器嵌入气缸内部，而不是安装在气缸外部。这样，坚固的气缸本身就能保护传感器免受损坏，只有电气连接部分暴露在外。这种传感器通常安装在用于移动液压应用的焊接气缸中，也适用于固定的工业应用。

　　-升级：具有特别坚固外壳的气缸传感器是对标准类型的升级。这些设计采用低矮、坚固的不锈钢结构，通过多个螺栓固定。外壳几乎就像它自己的保护罩一样。

　　冲击和振动

　　在恶劣的运行条件下，冲击和振动可能是对可靠性的首要挑战。通常，它们是不可避免的。冲击在许多应用中是固有的——这就是为什么选择液压驱动而不是电动机驱动的原因——但有时反馈装置无法承受这种冲击。如果您遇到真正有问题的应用场景，这里有一些应对方法。

　　1.查看液压运动控制系统。如果某个应用由于冲击导致传感器故障率较高，首先要确定是否可以调整机器操作以减少冲击载荷。例如，能否调整运动控制曲线，使其提供更柔和的加速或减速，实现更平稳的启动和停止？减少冲击的关键是降低重力加速度的峰值幅度，并延长瞬态时间，使加速度梯度不那么剧烈。在6毫秒内承受100g的峰值冲击，比在3毫秒内承受相同的载荷要轻一些。

　　2.寻找具有更坚固规格的传感器。大多数现场使用的传感器至少能承受100g的冲击。有些甚至超过这个标准，额定值高达150g。而且传感器供应商可能会提供一些未在其产品目录中公布的特殊工程变体。

　　3.还要考虑连接器。安装在传感器上的连接器增加的质量，可能会使传感系统更容易受到严重冲击、弯曲和开裂的影响。在剧烈的液压应用中，用所谓的“尾纤”或“直插式”连接器替换损坏的连接器，这种连接器从传感器到快速断开装置有200到300毫米的柔性电缆，这是一个简单的解决方法，可以将电缆的使用寿命从六周延长到五个月。

　　在工业和移动设备环境中，振动是不可避免的，要消除它可能很困难甚至不可能。在大多数情况下，当传感器处于长时间的高振动环境中时，需要改进传感器设计以提高其生存能力。

　　一种确保传感器能够承受长时间振动的有效设计和测试方法称为高加速寿命测试（HALT，Highly Accelerated Lifetime Test）。正在进行HALT测试的产品在开发过程中会经历加速老化，以找出并消除薄弱环节。寻找具有出色振动规格的传感器。EN60068-2-6标准提供了一个很好的指导方针。

　　液体侵入

　　除了冲击和振动外，湿气侵入是另一个主要问题。与解决热传递问题类似，首先要考虑将传感器移到更受保护的区域，或者添加一个防护溅水罩。然后考虑传感器的防护等级（IP），并确保其设计适合该任务。

　　标准传感器设计用于在一段时间内承受液体侵入，但未被评定为可持续浸入或暴露在潮湿环境中。持续暴露会使水、冷却液和油最终绕过许多IP67或更低防护等级的标准传感器上的垫圈。在这种情况下，考虑使用具有更高IP防护等级的传感器。IP68防护等级的传感器可承受完全浸入；IP69K防护等级的传感器可承受加压冲洗。一些传感器外壳采用气密焊接，以提供100%防漏的组件。

　　但同样，不要忘记电缆。通常，用户会选择一个IP69K防护等级的传感器，然后错误地将其与现成的IP65防护等级的电缆连接。您还必须保护电缆。电缆的切口或刻痕可能会使液体绕过护套进入传感器外壳。在电缆上安装保护管是个好主意，以确保即使发生偶然接触或磨损，电缆仍能保持完好无损。

　　腐蚀

　　暴露在腐蚀性化学物质中的设备会使传感器性能下降，并导致其过早失效。例如，铝制传感器外壳可能会受到道路盐、海水喷雾和酸性果汁等物质的侵蚀。在这种情况下，在大多数应用中，由303和304不锈钢制成的外壳是一个很好的替代品。在存在海水或盐雾的区域，316L不锈钢更受青睐。

　　其他选择

　　尽管在极端条件下已尽最大努力保护气缸传感器，但有时故障仍不可避免。如果您需要在关键应用中保持设备运行，这里有三种选择。

　　1.冗余传感器：在主气缸旁边安装一个带传感器的虚拟气缸。或者使用安装支架在外部安装一个或多个冗余传感器，将传感器固定在适当位置，并将目标磁体连接到移动设备上。这些传感器并行运行。如果一个传感器发生故障，其他传感器仍可继续工作。

　　2.冗余输出：这在发电应用中非常受欢迎，因为在这些应用中，设备停机是不可接受的。专用的气缸位移传感器在单个外壳中包含两个或三个完全独立的位移传感器。每个传感器都有自己的连接器。优点是易于安装在标准气缸端口中，无需外部安装支架。潜在的缺点是，如果磁体或压力管损坏，将导致所有通道都失效，不过在实际中这种情况很少发生。

　　3.快速修复：最后，万一发生故障，您能多快让设备恢复运行呢？有些传感器采用模块化电子元件，当压力管留在气缸内时，这些电子元件可以快速拆卸和更换。在快速修复装置中，法兰仍旋入气缸内，这样可以将所有液压油保留在气缸内，防止污染物进入。技术人员只需更换电子外壳中的波导管，设备即可再次运行。

　　另一种快速修复策略是：安装一个具有冗余输出的传感器，但仅连接一个通道用于控制。覆盖未使用的连接器，以在不使用时保护它们。如果控制通道发生故障，只需将连接电缆移到另一个通道，即可恢复运行。然后可以在计划的维护停机期间修复出现故障通道的传感器单元。

　　磁致伸缩位移传感器基础知识

　　磁致伸缩位移传感器有一个铁合金传感元件，通常称为波导管。波导管通常封装在不锈钢耐压管或铝制挤压件内。一个位置磁体连接到液压缸或气压缸的活塞上，或者连接到机器的运动部件上。向连接到波导管的导体施加一个短电脉冲（1到3微秒），会产生一个沿波导管传播的磁场。位置磁体产生的磁场与所产生的磁场相互作用，进而在波导管上产生一个机械脉冲。这个机械脉冲以恒定速度传播到波导管的末端，在那里被信号转换器检测到。初始电脉冲和接收到的机械脉冲之间的时间间隔会被精确地转换为位置磁体的绝对位置，最终转换为机器或液压缸的位置。

　　在实际应用中，气缸盖和活塞杆轴通常会进行深孔钻削，然后将装有磁致伸缩传感探头的不锈钢管插入其中。这样，传感元件就能得到很好的保护。传感器电子元件外壳安装在气缸端盖上。

　　磁致伸缩气缸位移传感器相对于其他选择具有许多优点。其设计本质上坚固耐用，磁体和传感元件之间没有机械接触或磨损。而且密封的装置不受灰尘、污垢和其他潜在污染物的影响。

　　这种传感器非常精确。它可以检测到小至1微米的位置变化，并提供±30微米的绝对位置精度。并且有多种尺寸和配置可供选择，以满足许多不同的应用需求。

　　它们还提供不同的模拟和数字接口。常见的模拟输出信号包括0-10伏直流电（Vdc）和4-20毫安（mA）。数字输出选项包括同步串行接口（SSI）、以太网、IO-Link、CAN总线等。

　　由于磁致伸缩依赖于磁场的相互作用，传感元件附近非常强的外部磁场可能会导致问题。同样，需要进行适当的屏蔽，以保护信号免受电磁干扰。

　　磁致伸缩是铁磁材料的一种特性，即在磁场存在时会改变其形状或尺寸。磁致伸缩执行器的实际应用范围从高力直线电机到主动振动控制系统，并且磁致伸缩效应非常适合用于工业线性位置测量传感器。