磁致式位移传感器Word文档下载推荐.docx
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*多种输出方式可供选择
*防浪涌、防射频干扰
磁致伸缩的工作原理图
*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0.05%F·
S,行程1米以上传感器精度可达0.02%F,S,重复性可达0.002%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200~400ppm,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。
磁致伸缩全球领航者-美国mts位移传感器MTS系统公司成立于1966年,是全球第一家开拓磁致伸缩测量技术的公司,在美国NASDAQ独立上市,其总部位于美国明尼苏达州,是全球最大的高性能和高精度力学性能测试、模拟系统和位移传感器的制造商。
其产品和服务主要应用于科研、产品开发、质量控制等领域,范围涉及试验设备、分析软件和优秀工程解决方案咨询,客户涉及国际各大汽车、飞机制造商、国家及高校科研机构,例如奔驰、丰田、通用、福特、大众、波音、空中客车及国际各大知名高校科研机构、试验室。
自上世纪七十年代后期进入中国市场以来,中国许多顶级的国家科研机构、重点高校和大型企事业单位就引进了许多MTS测试和模拟系统、软件,如中科院的许多科研所、航空航天研究所、清华大学、上海交通大学、同济大学等国内外知名科研机构在改革开放的初期就与MTS建立了合作关系。
在工业界,宝钢、上海大众、上海通用、一汽集团、二汽集团、奇瑞等知名企业也早已成为MTS的重要用户。
美国MTS磁致伸缩位移传感器适用于高温、高压和强振荡等极其恶劣的工况,其绝对式输出很好地解决了断电归零问题,由于敏感元件都是非接触式、无磨损运行,平均无故障时间长达23年。
满足各种需求和预算的解决方案
MTS解决方案和服务体现了最先进的技术和最高的行业水平。
无论您的需求是否复杂、是否频繁,MTS都会竭诚为您提供高品质的创新型测试服务。
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来自业内专家的创新性建议 由于众多知名专家的加入,MTS团队在产品研发领域始终保持领先地位。
这些业界精英代表客户从事各种科研和行业活动,从而更深入地了解客户所面临的挑战并能提出相应的创新解决方案。
Temposonics&
reg;
R-系列
一个高精度、快速、同步位置控制的智能传感器系列。
适合要求高的机械自动化控制应用。
输出模式包括:
模拟的电压与电流、SSI同步串行数字、DeviceNet、CANbus、Profibus、Interbus和EtherCAT总线。
更可提供位置和速度双输出,以及多重位置同步测量。
Temposonics&
G-系列 可编程和内置诊断功能的传感器系列。
适合一般的机械自动化应用,输出模式有:
模拟的电压与电流、数字的Start/Stop和PWM脉冲。
G-系列与旧型的T2和L-系列传感器提供接近百分百的兼容性。
在替代互换旧型号上绝对没有问题。
E-系列
E-系列传感器,为用户提供了非常实用的绝对值位移反馈信号,性价比极高。
标准输出方式有:
模拟的电压与电流以及数字的Start/Stop脉冲等。
E-系列还能提供多元化的安装方式,最适合机床行业使用。
L-系列 *LD2型为专业产品,用户必须先征求MTS同意寸能选购。
M-系列
M-系列位移传感器提供快速的测量,超强的重复精度和长期稳定的性能,非常适合行走机械中的电液动力系统应用。
不只应用在工业车辆上,同时也被大量的应用于农林业机械设备,如翻土机和收割机等。
磁致伸缩位移传感器的研制
磁致伸缩位移传感是利用磁致伸缩效应研制的传感器。
该传感器可以实现非接触、绝对式测量,具有高精度、大量程的特点,特别是由于磁铁和传感器并无直接接触,因此传感器可应用在恶劣的工业环境,如易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。
此外,传感器能承受高温高压和高振荡的环境。
传感器输出信号为绝对数值,所以即使电源中断重接也不会对数据收构成问题,更无尖重新调整零位。
由于传感器组件都是非接触的,所以即使测量过程理不断重复的,也不会对传感器造成任何磨损。
研制中涉及的关键技术有:
(1)大电流周期激发电路的设计;
(2)微弱信号的检测、信号的滤波、放大、电压比较、峰值检验波、电压限幅等一系列电路的设计;
(3)基于单片机的高精度时间量测量。
技术要求:
测量范围0~8cm,精度0.1mm。
测量范围不是很大,主要是受到实验所用波导钢丝本身长度的限制。
1、位移传感器的原理
磁致旋转波位移传感器,
如上图所示。
除位置磁铁外,所有其他元器件都安装在传感器壳体内, 组成传感器的主体。
位置磁铁通常装在一个运动部件A上, 而传感器主体则装在一个固定的部件B上。
传感器工作时,电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为T的激励脉冲电流ie该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。
位置磁铁也产生一个固定的磁场。
根据Widemanm效应,金属随其瞬间变形产生波导扭曲,使波导钢丝产生磁致弹性伸缩,即形成一个磁致旋转波。
磁致旋转波的传播速度为
式中:
G为波导管的剪切弹性模量;
ρ为波导管密度。
由于G和ρ均为恒定(对于一定的波导管来说)的,所以传播速度也恒定。
经过计算该旋转波沿着波导钢丝以2800m/s的速度向两边传播。
当它传到波导钢丝一端的波检测器时被转换成电信号ua·
通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间tL就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。
这样,当部件A和B产生相对运动,通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。
在波导钢丝的另一端,磁致旋转波将通过减波元件被大大削弱,以避免反射的波形对测量精度造成影响。
波反射器是用于改善电信号ua的波形和加强电信号的大小。
2、位移传感器的结构
根据这个原理,设计了总体的电子信号系统方案来检测这个磁致旋转波并送人到MCS51微型计算机处理。
数字信号处理系统如图2所示。
(1)产生一个周期激励脉冲电流,该脉冲输入波导钢丝,以便围绕波导钢丝形成一个周期脉冲磁场。
该脉冲的周期和宽度应通过微处理器编程来调节。
为了获得较强的脉冲磁场,激励脉冲应具有足够的能量,即足够的电流。
(2)模拟信号处理,对从波检测器(检测线圈)输出的位置脉冲信号进行滤波和放大,以便比较处理。
(3)对放大后的位置脉冲信号进行零位或峰值检波,以便确定位置脉冲信号从位置磁铁传到检测线圈的时间。
(4)时间测量和信号处理(数字或模拟信号处理)。
(5)位置信号输出(数字电流和电压,模拟电流和电压)。
3、传感器性能指标测试及结果
为了给传感器系统进行定标,搭建了测试平台。
测试平台由传感器主体、位置磁铁、螺旋测微器、印制电路板、LCD、FDPS-50BA型电源(输人220V,输出±
15V,5V)组成。
在搭建的平台上面对传感器的性能进行测量,主要包括传感器的线性度,迟滞和重复性。
3.1传感器线性度
测量:
在传感器测量整个0~80mm范围内,旋动螺旋测微器分别每隔5mm记一组数据,位置磁铁相应移动,连续取测量数据20组,如图3。
线性度的指标公式为
el为非线性误差(线性度);
△max为最大非线性绝对误差;
YFS为输出满量程。
从图3可知,采用最小二乘法拟合直线的斜率为0.992,直线方程为Y=0.15784+0.992X,因此在0~80mm范围内的线性度为0.387%。
3.2传感器迟滞
将螺旋测微器在传感器的正反两个方向量程内来回移动,测量范围为0~80mm,测到的数据如图4。
其中有正向测量和反向测量数值(每隔5mm测量1次),以及正反方向测量的差值△H。
由迟滞误差公式
式中△Hmax为正反行程输出最大差值。
从图4知,△Hmax=0.41,而rH=0.256%。
3.3传感器重复性 图5是传感器在正行程和反行程测量各测2次的数据,其中还计算了重复性偏差。
根据式
(2)可计算出0~80mm满量程的重复性误差指标el=±
0.287%.。
3.4传感器其他静态特性 3.4.1传感器的分辨力 经过测试系统测试,移动螺旋测微器±
0.056mm,传感器LCD显示值改变±
0.056mm。
3.4.2稳定性 在测试时,将传感器设定在一固定点,然后分别在4h读取数据1次,测得值分别为31.62mm,31.56mm,31.56nm,31.62mm。
稳定性误差为0.06mm。
传感器通、断电几次后在此位置读数,仍旧为31.62,验证了磁致伸缩传感器不受掉电影响。
温度稳定性是指传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。
测量传感器温度稳定性时,分别在房间温度为15℃和室外温度为1℃测量,读数变化为0.06m,即温度稳定性误差为0.06mm。
3.4.3测试系统灵敏度 移动螺旋测微器0.05mm,测到传感器LCD屏上变化0.056mm,此测试系统的灵敏度为1.12。
综上,经过实验测得传感器的静态特性,可知传感器的线性度为0.387%,迟滞误差为0.256%,重复性误差为±
0.287%,分辨力为0.056mm。
磁致伸缩位移传感器的自身精度很高,理论可以达到μm级,现在实际分辨力只有0.056mm。
4结束语
在搭建的平台上对磁致伸缩位移传感器进行了进一步的误差分析。
误差主要还是在传感器的一些性能指标上。
磁致伸缩传感器的主体部分及位置磁铁开发与研制,经实验测试,结果理想,位置磁铁在传感器不同的位置都有一不同的信号反_映。
信号处理电路中占空比可调的脉冲激发控制信号电路部分设计,经实际的电路调试结果理想。
脉冲激发电路用不同方案设计并综合考虑到实际电路实现,在ORCAD上模拟效果理想。
进一步提高精度有几种方案。
比如用DSP芯片来测量位移。
40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片,时钟周期t=1/40M=25ns,DSP无需分频,则位移分辨率为70μm,也可以用复杂可编程逻辑器件(CPLD),它具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点,CPLD可实现系统编程,而且能重复多次,使用CPLD器件进行开发,不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性,而且还可大大缩短产品的设计周期。
磁致伸缩位移传感器技术必将广泛应用于我国的各项工业领域中。
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- 磁致式 位移 传感器