位置传感器在工业自动化中的应用
作者：屈平；温志芳；周士华




1.简介

       目前检测与转换技术已成为一些发达国家最重要的热门技术之一，其主要原因是它可以给人们带来巨大的经济效益和社会效益，可以说一个国家的大阳城娱乐化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的[1]。模拟位置传感器由于具有很多现实的优势，在未来将获得更广泛的应用。由于它的周期时间和转换时间更短，对提高工艺质量和准确性有很重要的意义。本文讨论的磁致伸缩位移传感器可以代替很多开关，能获得更好的性能，降低安装和布线成本，供客户进行开发和生产中使用。

2.工艺和应用

        目前在工业应用中，位置传感器分为两种。一种传感器通过磁性开关来检测气动活塞的位置，并输出二进制信号。另一种是用于机器人系统的高度精密定位传感器，它能够进行一个或多个轴的控制，这类传感器能识别0.01m m 精度的信号, 并对高速的位置信号有很强的处理能力。为了用于速度和加速度的推导，这种位置传感器需要一个非常精确的线性输出信号，这需要较高的精度和高速定位。目前的传感器设备主要用于检测独立或非独立的位置信号，大多通过多种磁性开关来实现的，这使得人们不得不安装更多的附加设备，并且缺少两者之间的位置信息。我们需要去开发一个更加简便的模拟位置传感器，这种传感器可以代替许多位置开关，并且解决了外围设备复杂的问题，缩短了周期时间和转换时间，使迅速检查和诊断设备成为可能。

3.技术问题

       我们的目标是设计一个可以安装到所有的传感器槽的位置传感器，它能够满足一定的长度要求，并且能够输出模拟信号。由于驱动器种类繁多，相应的永久磁铁也各不相同，我们没有统一的内外部磁场（杂散场分布），为此，我们必须找到一个与磁铁与磁场分布直接关联的独立的传感器。此外，我们还必须考虑到永久磁铁之间的距离和传感器的机械公差，因此，该传感器的工作原理至少在一定范围内对磁场的变化不敏感。最后，这种传感器的外形必须易于安装，能够固定在汽缸的传感器槽上。

4.物理原理和结果

        我们在不改变永磁铁的几何形状的前提下研究三种不同原理的传感器来解决上述问题并进行测试：

(1)保持恒定磁场强度不变，改变磁铁的形状，考虑磁铁和传感器之间的距离机械公差；

(2)保持该磁铁的形状不变，改变磁场强度。

4.1 感应原理

       这个原理是基于软磁带铁心的励磁铁（频率为50-200kH z）和长螺线管两端的二次线圈的性质。有了这样的装置就可以检测出在传感器附近移动的永久磁铁的位置。由于铁磁的饱和，磁场在铁心部位出现中断，产生两个独立的磁场。每个磁场在二次线圈处产生一个感应电压，这两个差动电压信号与相应磁铁的位置有线性的对应关系。试验数据表明，磁铁的尺寸和磁场的距离有很明显的对应关系。当磁铁距离过小或者磁场分布过广时，这种线形关系更加明显。

4.2 磁致伸缩原理

       磁致伸缩原理是指磁性物体在磁化过程中出现的尺寸变化的现象。根据威德曼效应，铁磁性材料同时受到轴向磁场H a 和周向磁场H c作用时，会引起材料沿轴向产生一个扭转[2]。轴向磁场是由环形的永磁铁通过沿传感器外管活塞纵向磁化产生的，周向磁场是由沿磁致伸缩波导线引起的脉冲电流而产生的。这两个场之间的互相作用产生一个扭转应力脉冲，它的传输波导以超过3000 米/秒的速度下降。这个应力是在设备顶端的线圈处检测到的，所以通过测量电流脉冲的发射和波导结束时应变脉冲到达时间的延迟，就可以精确地测量出永磁铁的位置（即活塞的位置）。为了得到良好的信号，我们需要一个稳定的磁场环境。当永磁铁的厚度增加或磁铁和传感器的距离超过一定值时，输出信号将有偏差。

4.3 阵列传感器

       阵列传感器的基本原理是获得一个分布的场的虚拟图象,就像微处理器的存储空间一样，它通过阵列的场X M R 传感器或霍尔输出转换实现连续的模拟信号到数字信号的转换。这些传感器必须被放置在固定的位置（即保持一定间距）。由于传感器的数量和型号不同，必要时应该增加模拟预处理电路，例如放大器或信号选择器等，同时还需要一个转换过程把输出转换成0 -10V 或4-20 毫安的信号,以便直接处理输出的数据。这种传感器阵列的输出信号主要决定于永磁铁的尺寸，大范围内磁场的强度对信号也有一定的影响。

5.结论

       我们已经阐述了三种模拟位置传感器的基本原理，并且列出了我们的研究结果。模拟位置传感器在工业自动化控制领域的市场日益增长，简单的数字位置传感器和高精度的模拟位置传感器在市场中都有广泛的应用，如何设计更简化的模拟位置传感器将是我们未来研究的主要方向和需要解决的问题。





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