磁致伸缩位移传感器

磁致伸缩位移传感器 　　一、概述

　　磁致伸缩位移（液位）传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。

　　由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。

　　二、工作原理

　　磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生磁致伸缩位移传感器-淮安森菱仪表一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。

　　由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。

　　三、产品特点及应用领域

　　产品特点

　　* 内部非接触式测量

　　* 性能价格比高

　　* 多种输出方式可供选择

　　* 防浪涌、防射频干扰

　　* 不需定期标定和维护

　　* 安装方便

　　* 高精度、高稳定性、高可靠性

　　* 使用寿命长

　　* 具有输入电源反向极性保护功能

　　* 结构精巧、环境适应性强

　　* 隔离防爆型（可选）

　　应用领域（位移）

　　* 伺服液压油缸活塞位置反馈或预置

　　* 研磨机械位置反馈或预置

　　* 木材加工定位控制

　　* 水轮机导叶开度的检测与控制

　　* 纸张和塑料薄膜成型

　　* 挤注模具机械

　　* 吹塑

　　* 工程机械

　　* 金属成型/剪切冲压

　　* 其它机械定位和位移检测

　　* 水坝闸门* 伺服汽缸活塞位置反馈或预置

　　* 铸锻机床位移控制

　　* 注塑机模板定位与监测

　　* 汽轮机气阻阀门开度的检测与控制

　　* 玻璃压制

　　* 塑料机械改造

　　* 气动缸

　　* 钢材滚压

　　* 食品加工

　　* 港口机械

　　* 船舶舵机伺服系统

　　应用领域（液位）

　　可广泛应用于石油、化工、水利、制药、食品、饮料等行业的各种液罐的液位计量和控制，航天加油系统、汽车加油系统、柴油加油系统及各种液压罐、水文监测、水处理等。

　　磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、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，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下(如容易受油溃、尘埃或其他的污染场合)，也能正常工作[01]。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。它的行程可达3米或更长，标称精度为0.01% F•S，行程1米以上传感器精度可达0.02% F，S,重复性可达0.001% F•S，因此它在石油化工，航空航天、电力、水利等行业得到广泛的应用。

　　磁致伸缩现象和磁致伸缩材料

　　大家都知道物质有热胀冷缩的现在。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长和缩短。铁磁性物质在外磁场的作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。此现象的机理是：铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化，形成磁畴。在每个磁畴内。晶格都沿磁化强度方向发生形变。当施加外磁场时，材料内部随即取向的磁畴发生旋转，是各磁畴的磁化方向趋于一致，物体对外显示的宏观效应即沿磁场方向伸长或缩短。

　　磁致伸缩材料主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料。这两种称为传统磁致伸缩材料。它们并没有得到广泛的应用：后来人们发现了电致伸缩材料，其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~300ppm，它很快得到广泛的应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。

　　意大利germanjet

　　MK4A磁致伸缩位移传感器

　　特性：

　　-- 非接触式，使用寿命长

　　-- 行程50～4000mm

　　 -- 透过不锈钢接头快速插入

　　-- 滑动或浮动磁性游标

　　-- 位移及速度可直接类比输出（mA/V)

　　-- 工作温度范围：-30～ 80℃

　　-- 抗震防护（DIN ICE68T2/6-12g)

　　-- 保护等级为IP67

　　-- 通过EMI/CE认证（EN50081-1/50082-1)

　　-- 电源供应24Vdc±20%

　　-- 游标位置：1组或2组（最少80mm）

　　德国germanjet

　　IK4A磁致伸缩位移传感器

　　主要特征：

　　▼绝对类型传感器

　　▼位移从50 到4000mm

　　▼工作温度：-30℃+75℃

　　▼ 抗振（DIN IEC68T2/6 12g）

　　 ▼外形小

　　▼ IP67 保护等级

　　▼ EMI CE 兼容（EN50081-2 50082-1）

　　▼电源电压：24VDC±20%

　　▼电源和输出之间的流电隔离形式可选择

　　非接触型线性位移传感器应用磁伸缩原理，无机械电气接触的指针的类型可以消除损耗的问题并保证了一个几乎没有限制的寿命时间，有两种磁铁可供选择：变

　　化的磁铁指针或浮动的磁铁指针，IK 型可以作为高压内部汽缸应用的内部安装，（静态350bar; 过压700bar）,它的主要特点是在振动和机械冲击下具有良好的线性.

引言

　 　随着船舶自动化程度的日益提高,微机监控系统在船舶上得到日益广泛的运用。船舶微机自控系统的运用,要求广泛地运用各种传感器,并且要求传感器与计算机 的连接方便,数据传输速度快、精度高。由江苏省无锡交通学校研制,并通过江苏省交通厅课题验收的智能式磁致伸缩位移传感器,正是满足了上述要求的新型传感 器。在这里,作者与各位同行探讨一下智能式磁致伸缩位移传感器在船舶上的应用前景。

　　1 　磁致伸缩原理

　　磁致伸缩原理 是由科学家James Prescott Joule于1842 年发现的。James Prescott Joule 发现,当铁磁体受到外磁场作用而磁化时,其磁畴结构将发生变化,晶体的原子间距随之改变,致使铁磁体的体积、形状发生变化,特别是铁磁体物质在磁场方向上 的长度发生变化。这种磁效应就称之为磁致伸缩。

　　2 　磁致伸缩技术的应用

　　1940 年,磁致伸缩技术首次成功地应用在潜艇声纳探测距离系统上。1960 年美国人Jack Tellerman首次向美国政府申请了磁致伸缩位移传感器的专利权。目前,一部分飞机油箱的油位检测就是采用的磁致伸缩位移传感器。我校研制的智能式磁 致伸缩位移传咸器,就是采用磁致伸缩原理进行高精度、可超长行程测量的新型位移传感器。其位移测量范围为0～3 000mm ,是一种非接触式位移传感器,不存在磨擦和磨损。该传感器的“智能”主要体现在:由于传感器与单片机一体化设计,使其具有高精度、超低温漂、可随意互换、 安装调试方便简单、调零调满只须轻按一下按钮,无需反复调试等特点;其内部线路采用了当今较先进的数字电路,485 并行输出接口,操作简单,互换性好,有效传递距离达1km以上。该传感器能直接与计算机、中央控制系统交换数据。其综合指标目前较为领先,是其它任何位移 传感器都无法相比的,在许多领域都可充分发挥其用途。

　　从国内外同类传感器的运用来看,由我校研制的智能式磁致伸缩位移传感器,非常适合工业自动化、汽轮发电机行业、液压缸体、飞机油箱油位等需要精确测量物体位移,并须将测量数据输入中心控制计算机的场合。

　 　根据船舶自动控制技术运用的现状,以及智能式磁致伸缩位移传感器的技术特点,作者认为该传感器非常适用于船舶的各种液位测量,以及各种阀门的开启行程检 测等。目前,船舶上常用的液位检测方法有浮力法、静压法、电极法、电阻法、电容法等。阀门的开启行程检测主要采用电阻式、差动式等传统位移传感器。但这些 传感器均存在着测量精度低,稳定性、重复性等指标低,输出的电量是模拟量,输入计算机系统速度慢、难度大,数据传输衰减严重等缺陷。船舶上有许多地方需要 运用液位传感器,例如普通船舶上的船用锅炉水位检测、燃油油位检测、舱底污水检测、以及特殊船舶如散装化学品运输船的液舱液位遥测与溢流控制、油船的油位 检测与溢流控制等。船舶上阀门则更是不计其数。随着船舶自动化程度的提高,各种阀门的控制自动化要求也越来越高。与之相应,对检测设备精度的要求也越来越 高。因此,智能式磁致伸缩位移传感器在船舶上的应用前景十分光明。

　　3 　智能式磁致伸缩位移传感器的组成

　　智能式磁致 伸缩位移传感器由外壳、不锈钢测杆、波导线(磁致伸缩线) 、可移动的磁铁环及计算机电子部件所组成,是磁致伸缩原理的一种应用,参见图1。它的工作原理,就是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号,然后计算 这个信号被探测所需要的时间,从而换算出准确的位置。这两个磁场,一个来自于传感器外面的移动磁铁,另一个则由传感器内部脉冲发生器的电流脉冲,沿波导线 传播,产生的磁场与活动磁环的固定磁场矢量相加,形成螺旋场,产生瞬时扭力,使波导线扭动而产生张力脉冲。由这个脉冲回应需要的时间周期乘以一个固定速 度,便能准确地计算出外部移动磁铁的位移量。将外部移动磁铁作为该传感器的敏感元件,与实际检测体安装在一起,就是一个具有实用意义的位移传感器了。同 时,由于该传感器的输出信号是一个绝对位置的输出量,而不是比例放大信号,所以不存在漂移。

　　图1 　磁致伸缩位移传感器结构原理示意图

　　该传感器的电路由敏感元件头、接收电路、参数校正输入电路、计算机处理电路、显示电路、测量参数输出电路等组成。其电路硬件结构框图如图2 所示。

　　图2 　电路硬件结构框图

　　我校研制的智能式磁致伸缩位移传感器主要技术参数为:

　　线性量程0～3 000mm

　　分辨率满量程×0. 05 %

　　重复精度0. 05 级

　　电源电压220V ±10 %

　　输出485 串行输出,可配0～10mA 或4～20mA 恒流

　　工作条件要求(发送头部分)

　　温度- 20 ℃～ + 120 ℃

　　湿度≤95 %

　　振动< 2. 3g

　 　工作方式连续由于采用光电耦合器及计算机芯片和EIA RS- 422/ 485 国际串行数据传输标准电路设计代替了传统的模拟电路,并在传感器的结构和材质上作了一些改变,内置电子模块采取超小型电子元件贴面焊接,从而使新型磁致伸 缩传感器工作更加稳定、可靠,传感器的数字传输距离大大加长,而且可以与PLC、计算机等直接通讯,无须配备变送器、A/ D 转

　　换器,从而使智能磁致伸缩位移传感器组成的测控系统更加方便、稳定,成本也大大降低。电子部件与测量头分离一定的距离,可适应更多的应用场合。

　　TEU 集装箱船在该厂1 号船台顺利下水。该船长195. 5m ,型宽27. 80m ,型深16. 80m ,功率2. 166万kW,航速

　　22. 5kn ,满载排水量3. 8 万t 。

　　26 船舶动力装置　　智能式磁致伸缩位移传感器在船舶上的应用

磁致伸缩位移传感器在风力发电机组上的应用

       随着国内风力发电机组的制造水平的不断提高，液压变桨系统凭借其在性能、环境适应能力、维护成本等方面的优势，必将得以广泛应用。机械盘式刹车锁紧销方面，磁致伸缩线性位移传感器的应用显著提高了锁紧销动作的可靠性，进而提高了整机运行的安全性。

       风力发电机组的有气动刹车和机械刹车两种，两种刹车装置的结合可以彻底保证风机在各种情况下的正常工作。即使在紧急情况下也能使风机不遭到损坏。气动刹车是由风机的浆距角调节系统实现的，在正常停车的情况下，变桨系统将桨叶驱动到空载位置，使桨叶转子逐渐停转，在紧急情况下，每一个桨叶分别由一个独立的蓄电池组直接通过变矩控制器供电刹车。作为气动刹车的辅助手段，加入了机械盘式刹车系统，它被安置于风机的高转速区段，在停机检修时，气动刹车将风机停稳后，用这个机械盘式刹车将风机刹车。气动刹车在制动时会在发电机齿轮箱上产生巨大的制动扭矩，如果在机组停机维修时也依靠它来维持制动状态，则会产生额外应力和不必要的摩损，由于这个原因，必须将系统紧急制动操作和维护制动操作分开。当转子停止在预定位置时，转子被锁紧销锁定，传动链制动器此时可以打开。从而，制动器可释放负载，否则负载将作用在传动系上，而影响整个风力发电机组的使用寿命。锁紧销的动作是否可靠到位，需要通过位移传感器来进行监测，所以在大多数的机械盘式刹车系统上的锁紧销都需要安装位移传感器。^[1]

电压和电流输出的负载是不一样的，电压的负载时要求电阻越大越好，一般不要小于1，000Ω，太小时就相当于短路了，会损坏产品；电流的负载是要求电阻越小越好，一般不要大于1，000Ω，太大时就相当于开路了，没有电流流通。所以电流输出的负载和电压输出的负载限制是不一样的而且一定要注意：电压输出时，负载不能短路，否则会使负荷太大，烧毁电路；而电流输出时，负载不能开路，否则会使负载增加而烧毁电路。这两点一定要清楚。至于电压输出和电流输出，到了机器上最终的用途还是一样的，电压输出直接用电压信号，电流信号流过电阻，在电阻上有电压，也是取用电压信号。

安装接线：磁致尺对电压的波动可以接受，可以使用12V～36V的电源，当然稳定的供电电源还是对产品的精度更有好处，但对静电还是要采取一些措施。除线路板内部采取了很多措施外，传输线有屏蔽线（双重屏蔽：编织网和锡包层，可以抗高、低频干扰），还有接地端子，必须保证可靠接地（抗静电干扰）。上述几项措施缺一不可。

一般情况下，客户的产品替换下来，可能了解原来的产品是电流型还是电压型，但订了货却不知道如何安装。如：原来的电压型是五线甚至七线的，而我们的四线的（电源+、-、信号线、地线）一般棕色或红色是直流电源正极，蓝色或黑色是负极，可以用万用表的电压档位测可能的正、负极之间的电压值，如果没有把握，就可以在可能的正、负极之间接一个1000Ω的电阻，再测量电阻之间的电压值，确认正负极性后，用正极分别去短路剩下的几根线，同时看电脑显示是否出现稳定的最大值，如果是，再用负极去短路刚才验证的那根线，同时看电脑显示是否出现稳定的最小值，如果是，就是信号线了。这就确定了+、-、和信号线了。如果信号线非常难以确定，上述方法行不通，可能就是该传感器的电源与电脑的电源没有共地，没有共地，就没有一个基准值，该传感器的电源相对电脑电源就是浮动电压值。因此，必须将该传感器的电源负极与电脑的电源负极短接。上述问题自然解决。这很容易出现在维修设备的过程中。其它的几根线不要管，用电工胶绑起即可。

如果是电流型输出的传感器，就不能这样实验了。因为，电流型输出负载不能开路，否则，容易过载损坏传感器。对于，三线制输出的传感器，应该先在传感器信号线与负极之间先接一个电阻1000Ω短路，以免误操作时过载。在预先弄清楚正负极的情况下，接好传感器的正负极接线，再将信号线分别与其余几根线短路，看有无稳定的显示。如有，可确定信号线的接线。然后在停电的情况下，取下原来短接的那个电阻，再接好线，然后才能送电。注意信号线一定不能开路。

对于传输距离较长，但是电脑有需要电压输出信号，可以选用电流输出信号进行传输，到了电脑边再将电流信号转换成电压信号，方法很简单，只需要在输出与电源负极之间接入一个标准的高品质电阻就可以。

由于磁致伸缩位移传感器的原理，从机械上讲，因为是无接触、无磨损的，所以出现故障的机会不多，除非机械损坏，磁环脱落，这从外观就容易判断。如果是装在油缸内部，磁环突然脱落，显示数值将没有变化。如果是停机好久才脱落，开机上电时好像在靠近电子仓端出现了一个磁环，即：正逻辑尺将会出现最小显示数值，负逻辑尺会出现最大显示数值。如果是可拆卸电子仓式的，可以简单地将电子仓取下，带电用一磁环测试即可。从电气上讲，是有出现问题的可能。公司为了避免电气出现问题，作了大量工作，如：选择功耗很小的元器件使功率消耗小，如电流消耗只有16mA，实际功率只有不到0.4W，这样就不会使元器件发热、老化和损坏；还有公司，公司通过先进的工艺客服了其它各种问题，产品经严酷的环境测试和机械测试，均符合要求。应该在一般使用条件和环境中不会出现问题。可能会出现的问题，诸如：数据传输不会运行，软件包未安装成功、接线错误、信号大小方向不对、静电干扰未有效接地、电流型输出不会接线、或原来是了两线的而我们的产品是三线制的。