1842年Joule發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮原理,1960年Tellerman申請(qǐng)了磁致伸縮位移傳感器的。由于磁致伸縮位移傳感器具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、長(zhǎng)距離測(cè)量等特點(diǎn) ,可在冶金、化工、環(huán)保等許多行業(yè)廣泛應(yīng)用。TemposonicsⅢ系列磁致伸縮位移傳感器具有高準(zhǔn)確度和小的更新時(shí)間,在高準(zhǔn)確度、高響應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊的市場(chǎng)。
在液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的研制中成功地應(yīng)用 Temposonics Ⅲ系列磁致伸縮位移傳感器 ,使動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)近距離測(cè)試時(shí) ,分辨力為 2μm ,在100 m 左右測(cè)試時(shí) ,分辨力為 4μm?？偨Y(jié)出 Tem2 posonics Ⅲ系列磁致伸縮位移傳感器的軟件設(shè)計(jì)思路。
1、磁致伸縮位移傳感器
磁致伸縮位移傳感器是利用Fe或Ni在磁場(chǎng)作用下具有伸縮能力的特性而設(shè)計(jì)的線性位移傳感器。它由活動(dòng)磁環(huán)和具有磁致伸縮性的波導(dǎo)管組成 ,活動(dòng)磁環(huán)與波導(dǎo)管之間沒有直接接觸 ,它利用活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與波導(dǎo)管內(nèi)固定頻率的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交 ,產(chǎn)生應(yīng)變脈沖 ,該脈沖以固定速度運(yùn)行到電子部件的測(cè)量頭 ,從電流脈沖的上升沿到感應(yīng)脈沖的上升沿之間的時(shí)間乘以這個(gè)固定速度 ,就是該活動(dòng)磁環(huán)的準(zhǔn)確位置。
由于磁致伸縮位移傳感器的磁致伸縮波導(dǎo)管與活動(dòng)磁環(huán)不直接接觸 ,因此它在惡劣的工業(yè)環(huán)境下(如油漬、溶液、塵埃等)也能正常工作 ,即使在高溫、高壓和高振蕩環(huán)境下也一樣工作自如。它的輸出為值 ,斷電后重新上電無需進(jìn)行其它處理 ,它的準(zhǔn)確度高 ,安裝方便。
TemposonicsⅢ系列磁致伸縮位移傳感器是“智能型”位移傳感器 ,它具有高速度、高可靠性和高精確的數(shù)據(jù)處理和通信能力 ,內(nèi)置電路板中含有微處理器 ,并采用 ASIC 電路提高分辨力和更新時(shí)間,輸出讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為5μm,可達(dá)2μm,準(zhǔn)確度及功能已接近光學(xué)尺 ,而其承受強(qiáng)力沖擊、振蕩及污染則比光學(xué)尺強(qiáng)。信號(hào)可以以位移和速度輸出,并提供多種的數(shù)據(jù)傳輸方式 ,常用的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸模式有現(xiàn)場(chǎng)總線的 CANbus , Devicenet,Profibus 輸出,SSI( serial synchronous interface) 輸出,模擬量的電壓電流輸出等。模擬量的電壓電流輸出模式的分辨力為 16位D/A或 0.025mm ,而CANbus和SSI模式分辨力標(biāo)準(zhǔn)為5μm ,可達(dá)2μm。SSI(同步串行接口)傳輸方式推出后,很快被市場(chǎng)接受。該傳輸方式的輸出數(shù)字量是24位或25位的二進(jìn)制數(shù)(或格雷碼) ,它有僅4條通信線 (2條數(shù)字傳輸線 ,2條時(shí)鐘線)和2條電源線 ,最長(zhǎng)的傳輸距離可達(dá)500 m。
2 、磁致伸縮位移傳感器在液壓動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用
本測(cè)試系統(tǒng)是在某公司硅鋼廠ZR2和ZR1軋機(jī)AGC的改造中,由集美大學(xué)研制的液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制而成的 ,該系統(tǒng)已在某熱軋AGC伺服缸修復(fù)的測(cè)試中推廣使用。
本系統(tǒng)是一個(gè)高精度、高響應(yīng)的控制測(cè)試系統(tǒng) ,要求控制測(cè)試精度達(dá)到5μm。所選用的 Temposonics Ⅲ 系列磁致伸縮位移傳感器采用 SSI 數(shù)據(jù)輸出方式,而SSI接口板則用ISA-Basic板卡,該板卡內(nèi)有80C320微處理器 ,有2個(gè)通道的SSI接口 ,內(nèi)置時(shí)鐘28MHz,ISA-Basic 板對(duì)1個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)采集占用1kbyte的內(nèi)存,除此之外,ISA-Basic板卡上還有隔離模入、模出通道各2個(gè),有 A/D8個(gè)通道。
在進(jìn)行液壓伺服缸啟動(dòng)壓力測(cè)試時(shí)所用的傳感器量程為0.16MPa ,在系統(tǒng)工作狀態(tài)時(shí)所用的傳感器量程為25MPa。
3 、軟件設(shè)計(jì)
要正確地對(duì)SSI傳輸方式的Temposonics Ⅲ位移傳感器位移量進(jìn)行采集 ,除了選擇相應(yīng)的SSI接口電路外,必須注意正確的方法。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試中總結(jié)如下:①首先對(duì)接口板進(jìn)行初始化 ,設(shè)置有關(guān)參數(shù); ②根據(jù)要求設(shè)置并保存位移傳感器零點(diǎn);③編寫輸入程序 ,調(diào)整比例系數(shù) ,計(jì)算出位移量。以液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)為例,接口板采用ISA-Basic板卡。
3. 1接口板的初始化
正確進(jìn)行位移量的數(shù)據(jù)采集必須首*行接口板的初始化。在接口板的初始化程序設(shè)計(jì)中,為了提高分辨力 ,采4次循環(huán)采集,系數(shù)M=4×28×9(4次循環(huán)采集,接口板內(nèi)置時(shí)鐘頻率為28MHz ,每英寸9ms) ,如為了提高采樣速度采用1次采集 , 則系數(shù)M=28×9 ,但分辨力會(huì)低些。在實(shí)際應(yīng)用中 ,可對(duì)系數(shù) M 在小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。M系數(shù)的成功設(shè)置可使其通過給定輸入函數(shù)得到與位移量相關(guān)的數(shù)據(jù)。
3. 2傳感器零點(diǎn)設(shè)置
Temposonics Ⅲ傳感器的零點(diǎn)可以根據(jù)需要在有效區(qū)內(nèi)任意設(shè)定,零點(diǎn)的成功設(shè)置直接影響到該傳感器的正確應(yīng)用。對(duì)接口板初始化后 ,將傳感器的活動(dòng)磁環(huán)在零點(diǎn)的脈沖數(shù)(用Zero表示)作為參數(shù)保存起來,以備位移采集時(shí)使用。
3. 3 位移量的采集
在完成好上面兩項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上,就可以進(jìn)行位移量采集程序的設(shè)計(jì)。位移量的采集有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)①正負(fù)方向的判斷和正負(fù)脈沖數(shù)的計(jì)算;②位移量的計(jì)算。位移量采集程序圖。首先讀取浮點(diǎn)位移量 (用 Position 表示) ,當(dāng)它大于某數(shù)N時(shí),表明此時(shí)位移量為負(fù),則此時(shí)的負(fù)向脈沖數(shù)等于零位脈沖數(shù) Zero 減去當(dāng)前位置的脈沖數(shù);當(dāng) Position小于等于 N 時(shí) , 表明此時(shí)位移量為正 , 則此時(shí)的正向脈沖數(shù)等于當(dāng)前位置的脈沖數(shù)減去零位脈沖數(shù)Zero 。所測(cè)得的位移量單位是 mm。
位移量 = 感應(yīng)脈沖數(shù) ×L / M , Temposonics Ⅲ 的分辨力與傳感器的量程有關(guān) , 在實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)出它的分辨力與傳輸線的長(zhǎng)短也有關(guān)系 , 對(duì)于不同長(zhǎng)短的傳輸線 , L 應(yīng)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在液壓控制的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中 ,當(dāng)傳輸線約 7 m時(shí) , L = 2 ,分辨力為2μm;當(dāng)傳輸線約 100 m 時(shí) , L = 4 ,分辨力為 4μm。
4 、使用效果
被測(cè)對(duì)象是一個(gè)結(jié)晶器振動(dòng)系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng) ,所用傳輸線為7m。從測(cè)試結(jié)果可以看出 ,穩(wěn)態(tài)誤差為2μm ,也就是說分辨力可以是2μm。在某硅鋼廠ZR2和ZR1軋機(jī)改造中 ,在現(xiàn)場(chǎng)離線測(cè)試時(shí) ,傳輸線為 100 m ,經(jīng)參數(shù)調(diào)整后 ,分辨力為 4μm。
5 、結(jié)束語
在研制液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中 ,通過反復(fù)的實(shí)踐 ,對(duì) Temposonics Ⅲ系列磁致伸縮位移傳感器的應(yīng)用有了較深理解 ,總結(jié)出該位移傳感器的軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明這種方法是切實(shí)可行的。并在短距離位移測(cè)試中其分辨力可達(dá) 2μm ,在遠(yuǎn)距離位移測(cè)試中分辨力變大 ,必須進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的調(diào)整 ,傳輸線為 100 m 時(shí) ,分辨力為 4μm。
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