织机恒经纱张力控制中磁致伸缩传感器的应用
作者：徐福林；芮延年





       目前，传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用等诸项内容在内的传感器技术，已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。本文将介绍一种新型传感!磁致伸缩传感器及织机经纱恒张力控制系统中的应用。
1、逆磁致伸缩效应与磁致伸缩传感器简介
       某些磁致伸缩材料如硅钢片、坡莫合金等，在外力的作用下，引起内部发生变形，产生应力，使各磁畴间的界限发生移动，磁畴磁化强度矢量扭动，从而使材料的磁化强度和磁导率发生相应的变化，这种由于应力使磁性材料性质发生变化的现象称为逆磁致伸缩磁效应，也称为压磁效应。

       磁致伸缩材料受压力作用时，在作用力方向磁导率减少，而在与作用力相垂直的方向，磁导率略有增大。作用力为拉力时则相反。当作用力取消后，磁导率恢复原值。磁致伸缩效应的强弱除了与外作用力有关，还跟磁场的强 度 " 有 关 如 图 # 所示。从图中还可以看出，$%&坡莫合金的磁致伸缩效应较强，非常适合制作传感器。因此，利用逆磁致伸缩磁效应制成的传感器称为磁致伸缩传感器（压磁式传感器）。

2、磁致伸缩传感器的结构、工作原理及性能

       磁致伸缩传感器由测压头和控制单元组成。而测压头又包括一个特别的机架、压磁头和传力钢球组成。下面以一种典型的压头结构来说明这种传感器的结构。

（1）压磁头的结中的压磁头元件是由冲压形成的冷扎硅钢片，经热处理后叠成一定的厚 度 ，由环氧树脂黍合在一 起 ，然后在两对互相垂直的孔中分别绕上激磁绕组和测量绕组。为了在长期使用压磁头结构过程中能保持力作用点的位置不变，将压磁元件装入一个由弹簧钢制成的弹性机架内，机架的两道弹性梁使被测力能垂直均匀地作用于压磁元件上。机架上的传力钢球能保证被测力集中作用于传感器上，机架与压磁元件的接合面有一定的平直度和表面粗糙度要求。它们之间的配合为有一定预压力的过盈配合，以保证在使用过程中压磁元件的位置和受力情况不会改变。预压力一般为额定被测压力的5%-15%。

（2）磁致伸缩传感器的工件原理。在硅钢片上相互垂直地开有两对孔 1、 2和3、3。孔 1、2 间绕有一次激磁绕组，孔3、4 间绕有二次测量绕组。当一次绕组通以一定的交变电流时，铁芯中就会产生磁场。设想把孔间分成A、B、C、D四个部分，在不受外力作用的情况下，由于铁磁体具有磁的各向同性的原理，A、B、C、D 四个部分的磁导率 ! 是相同的。此时一次绕组产生的磁力线呈轴对称分布。所以其合成磁场强度 % 平行于二次绕组的平面，即磁力线不与二次绕组交链，所以不会产生感应电势。当压磁头受到外力P 作用时 ，AB区域在受到很大的压应力，而CD区域仍处在自由状态。于是AB区域在受压方向 （垂直方向）的磁导率μ下降，磁阻增大，而 CD区域的磁导率仍不变。这样，部分磁力线将不再通过AB区域，而绕过CD区域而闭合。磁力线被扭曲变形，合成磁场强度 H与二次绕组相交链，从而在二次绕组中感应出电动势。且压力越大，转移的磁通越多，感应电动势E 也越大。

（3）磁致伸缩传感器的输出特性。传感器的输出特性在负载增加与负载减小时的特性曲线是不重合的。这是由于材料的弹性后效与磁滞效应造成的。此外，由于铁磁材料的曲线的非线性，测量绕组中的输出信号的波形就会含有大量的高次谐波。

（4）磁致伸缩传感器的特点。磁致伸缩传感器的输出功率大。额定压力 & 作用下，磁导率的变化大约 10%-20%，一般测力范围 10-50KN的传感器，激磁绕组为8匝，测量绕组为10匝左右。抗干扰能力强，精度高，线性好，寿命长，维护方便。由于其特殊的结构和工作原理，能适应恶劣的工作环境，在灰尘、水汽和腐蚀性气体的环境中长期运行可靠。

3、磁致伸缩传感器在织机系统中的应用

       根据织造工艺要求，织机在织造过程中经纱张力应保持稳定，以保证能开清棱口，打紧纬纱。一般采用积极、连续电子式送经机构，均采用电子传感器来检测经纱张力，织机的微处理器依据测量的经纱张力来控制送经马达 （伺服电机），以便在织造过程中尽可能获得一个连续的恒定的经纱张力。

       传感器的信号采集电路DE-WT为传感器信号，MCB为主微处理器所在的主控板，TRIAX板为送经、卷取马达控制板 ，为 功 放驱动板。为了保证经纱不会有过高或过低的张力，在软件上可以设定经纱的张力极限。所需的经纱张力和其极限可调整，通过终端显示屏显示。DT-WT-CAL为经纱张力传感器校准检测信号，用于检测经纱张力传感器连接与否。在织机涉及到改变经纱张力的织机运动启动前，这个信号电压会立即升高 （0-26vDC）。这时传感器的输出电流正确值应为 8mA。如果该值与标准值不一致，织机的当前运动停止，并在终端上显示 “CHECK TSF”。

       通过前面对磁致伸缩传感器特点的介绍，该传感器还具有输出功率大的特点，不需要专门的放大电路，但输出信号中有高次谐波。其信号处理电路比较简单。各部分的主要功能如下。匹配电压器：使传感器的输出电压升高，并使输出阻抗匹配，使输出功率增大。相敏检波电路：将信号电压变为单向脉冲直流电压。滤波电路：滤掉高次谐波。调零电路：用来补偿传感器原始磁场强度不平衡和压磁元件装在基座中的预压力所形成的输出信号。交流稳压电路：把输入的电源利用 ;" 共振电路产生恒流源，向激磁绕组和相敏检波电路供电。整个信号处理电路都集成在TRIAX 板上，经处理后的信号送交信号采集电路处理。最后经主微处理器进行综合处理，产生控制信号，经PDAF板和TRIAX板，产生送经伺服马达的驱动信号。保证经纱有恒定、合理的上机动态张力。

4结论

       综上所述，磁致伸缩传感器的 （压磁式传感器）性能可靠，使用方便，用途非常广泛。可测力、压力、力矩、重量等物理量。目前已广泛用于轧机控制、运输机械控制、称重装置等。相信随着传感器的生产技术的提高，磁致伸缩传感器的应用必将会越来越受到重视。





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