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磁致伸縮位移傳感器的技術與創新

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-07-02 10:46

  

一、磁致伸縮位移傳感器的原理
1、簡介
       磁致伸縮位移傳感器(以下簡稱傳感器),用非接觸測量技術監控活動磁鐵,由于磁鐵和傳感器并無直接接觸,因此傳感器即使在惡劣的工業環境下,例如易受油漬、溶液、塵?;蚱渌奈廴?,也能正常工作,此外,還能承受高溫、高壓和高震蕩的環境。傳感器輸出信號為絕對數值,所以假使電源中斷重接也不會對數據接收構成問題,更無須重新調整零位。該種傳感器適用于多種不同的工業自動化環境,例如:機械控制和液體容量測量。
2、磁致伸縮工作原理
       磁致伸縮意指一些金屬(例如鐵或鎳)在磁場作用下具有伸縮能力。磁致伸縮的效果是非常細微的,通常鎳鐵合金是30ppm。不過,科學界已設計出更新的物質,可將磁致伸縮效果提升至1500ppm以上。
       一個基本的敏感元件利用磁致伸縮波導管來測量移動磁鐵的位置,他的工作原理并不復雜,是利用兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號,然后計算這個信號被探測所需的時間,便能換算出準確的位置。
       這兩個磁場一個來自在傳感器外面的活動磁鐵,另一個則源自傳感器內波導管的電流脈沖,而這個電流脈沖式傳感器的固有電子部件所產生的。當兩個磁場相交時,所產生的一個應變脈沖會以聲速進行回電子部件的感測線圈。而從產生電流脈沖的一刻到測回應變脈沖所需要的時間乘以做個固定速度,我們便能準確的算出位置的變動。這其實就是活動磁鐵的位置變化。這個過程是連續不斷的,所以每當活動磁鐵被移動時,新的位置很快就會被感測出來。
       最后,由于傳感元件都是非接觸的,所以就算感測過程是不斷重復的,也不回對傳感器造成任何磨損。
3、位置計算
       位置的計算非常簡單,將所測量的時差乘以一個傳感器傳送速度的系數?;蛘哂脮r差除以傳送速度之倒置恒數,或稱之為傾斜度。掛歷上,傳送速度是以傾斜度方式印在傳感器的標簽上。
4、更新時間及頻率響應
       傳感器的更新頻率對伺服控制機械之應用非常重要。由于磁鐵距離傳感器的電子零件越遠,音波所需行走時間越長,所以傳感器的更新時間與距離成正比。另外,循環電子所需之更新時間也較一般為長。然后,當傳感器比較長或利用循環電子時,等價頻率也相應降低。
磁致伸縮位移傳感器
二、磁致伸縮位移傳感器性能
1、傳感器的精度及特性
       磁致伸縮位移傳感器的精確度極高,其重復性和分辨率最高可達2μm,而非線性誤差最高為0.02%F.S.,其遲滯誤差小于4μm,由于其重復性極高,一些數字配套系統可利用線性校正系統將非線性誤差降至0.01%F.S.或更低。
       波導管是選用特別材料制造的,所以其溫度穩定性也雞架。波導管的熱度系數為5.4ppm/℃或更佳。傳感器的沖擊指標為100g(單一沖擊),符合IEC標準68-2-27;而其震蕩指標為5g/10-150Hz,符合IEC標準68-2-6.
       多重測量-由于電子部件可探測由同一詢問脈沖所產生的連續磁波,所以在同一傳感器上可裝配多個活動磁鐵。這樣做可省去額外所需的傳感器以降低成本。此優點應用在注塑機方面,其射出器及同軸射座之位置均可被同時監察。而在液體測量方便,例如汽油存儲,則可以同時探測在同一有缸內的汽油容量以及凝聚于缸底的水分。此外,多頭切割系統如鋸床或紙張切割機也可利用此優點。只需用一個傳感器便可讀取置于每一個切到頭的磁鐵位置。
       內在安全性-由于傳感器所需電量非常低,它在易爆環境中可釋放的能量有限且低于燃燒點很多,故稱之為內在安全(必須加上認可安全柵以符合國際標準要求,如美國FM)。沒在安全傳感器在油類計量、儲存、采礦業及印刷業應用尤為普遍。
2、接口、顯示及電控部分
       可供傳感器使用的接口多不勝數,但在過去的幾年內,一般方法是使傳感器頭部電子盡可能處理更過資料,減少外置電子裝配之需要。因此,更新的傳感器電路都配備微處理器處理更大量的數據和運算。另外,不同形式的電子轉換電路也可供選擇,包括現場總線及CAN總線等。
(1)模擬電子
       模擬輸出雖然是比較傳統的設計,但由于它的安裝方便,所以這類傳感器更容易安裝于新舊設備上面。
      電壓或4-20mA電流圈通常由內置混合電路板(僅郵票大?。┊a生,它混合放大及輸出形式選擇功能。其操作建議,只需兩個功能按鈕便可全面設定零點、量程及輸出電壓/電流。程序編制更尤如一般數字手表之簡易。無論是電壓或電流信號均可在同一電路板上產生,此外,如需要速度或多重位置測量還可加上第二塊輸出板。
(2)數字接口
      如果要求低噪音及高精度的話,數字接口應該是傳感器的最佳選擇。第一種是數字開始/停止方式及RS422信號。傳感器由外置控制器提供激勵信號,從而產生一個開始和一個停止信號,其周期與活動磁鐵位置成正比的。內置式中為28Mhz或更高。
第二種為脈沖寬度調制PWM,調制后的脈寬與磁鐵位置成正比例。PWM的其它功能還包括內置再循環讀數電子裝置。原理為重復讀取連續數據,最后用所測量的時間除所需循環次數,這樣即無需裝配更高頻的式中。比方說,一個28MHz量計可產生0.01mm精確度,但如果經4次循環,其精確度便可提高至0.025mm而無需更改量計頻率。另一體高精度的方便是增加式中頻率。比方說,時鐘頻率為56MHZ便可產生0.05mm的精度。置于串行數字傳輸方面,可將位置或水平信息經由一般雙線系統,如RS485、SSI或CAN總線等傳送。
3、傳感器包裝
(1)電子尺外殼
       磁致伸縮傳感器無論在外表、功能或操作方面,斗魚常規線性電子尺十分相似,而且更可直接替換舊有裝置。傳統電子尺一般都容易收到表面磨損的困擾,而工作環境污染更加速這方面的損耗。但磁致伸縮傳感器由于利用非接觸的工作原理,此類問題便迎刃而解。
       傳感器有三種式樣可供選擇:拉桿式、滑塊式、浮磁式等。不同形式之安裝配套可供翻新舊設備只用,再者,傳感器更有模擬及數字兩種模式供選擇。
(2)液壓缸外殼
       敏感元件被一條能承受高壓的外管所保護,它可以與高達3000psi的油壓缸于同一軸心工作。安裝只需將油壓缸的活塞鉆孔及將此案固定安裝于活塞上,而外管則利用螺紋加密封圈裝在油缸的一邊,敏感元件可以隨時在未需停機的情況下取出。安裝完畢后,磁環便于活塞桿共同進退,從而進行行程測量。另外,傳感器也可以裝置在油壓缸外面做測量。
(3)液位計外殼
       傳感器非常適用于液位計量方便,如汽油、化工、流程控制、生化(十五/醫藥)以及污水處理方面。在液體計量方便,傳感器可提供多種功能,除測量液面,還可以在同一容器中測量界面,另加上溫度催了阿寧。輸出方式有4-20mA輸出、RS485輸出或專利通訊協議。此外,加上其它公司提供的軟件及接口控制,用戶還可以把如容量計算、溫度補償及泄露測試等功能包括在內。因為傳感器可以同時測量液面及界面,因此可以利用廠家提供不同幣種的產品浮球或界面浮球,把各種各樣的液體及界面測量出來。
       TRD溫度裝置一般于4-20mA的計量內。RTD是沿著傳感器波導管外在不同的距離上安裝1-5處,這樣作可以不停的監察液體的溫度變化并得出平均溫度。如果液體水平改變,高于液面的RTD將不計在內。此外,根據液體溫度膨脹系數還可以計算出量,而通過監測容量的改變還可得到其泄露速率。敏感元件的外圍用不銹鋼外管保護,外管之外還可加上另一個保護套管以抗腐蝕。材料可依據需要來選擇,常用的有Teflon及哈氏合金等。
三、磁致伸縮位移傳感器應用
       傳感器的應用范圍十分廣泛,他成功的主要原因是操作簡單、高精度及可靠設計等優點。至于安裝方面,它并不需要特別的調試和標定。此外,由于其非接觸式的工作原理,因此磨損小、壽命長,且適應于惡劣環境。
 


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