1842年Joule發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮原理,1960年Tellerman申請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確度高、穩(wěn)定性好、長距離測量等特點 ,可在冶金、化工、環(huán)保等許多行業(yè)廣泛應用。TemposonicsⅢ系列磁致伸縮位移傳感器具有高準確度和小的更新時間,在高準確度、高響應系統(tǒng)中的應用具有廣闊的市場。
在液壓控制系統(tǒng)的動態(tài)測試系統(tǒng)的研制中成功地應用 Temposonics Ⅲ系列磁致伸縮位移傳感器 ,使動態(tài)測試系統(tǒng)近距離測試時 ,分辨力為 2μm ,在100 m 左右測試時 ,分辨力為 4μm。總結出 Tem2 posonics Ⅲ系列磁致伸縮位移傳感器的軟件設計思路。
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在磁場作用下具有伸縮能力的特性而設計的線性位移傳感器。它由活動磁環(huán)和具有磁致伸縮性的波導管組成 ,活動磁環(huán)與波導管之間沒有直接接觸 ,它利用活動磁環(huán)產生的磁場與波導管內固定頻率的電流產生的磁場相交 ,產生應變脈沖 ,該脈沖以固定速度運行到電子部件的測量頭 ,從電流脈沖的上升沿到感應脈沖的上升沿之間的時間乘以這個固定速度 ,就是該活動磁環(huán)的準確位置。
由于磁致伸縮位移傳感器的磁致伸縮波導管與活動磁環(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行其它處理 ,它的準確度高 ,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間,輸出讀數(shù)標準為5μm,可達2μm,準確度及功能已接近光學尺 ,而其承受強力沖擊、振蕩及污染則比光學尺強。信號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)信號傳輸模式有現(xiàn)場總線的 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模式分辨力標準為5μm ,可達2μm。SSI(同步串行接口)傳輸方式推出后,很快被市場接受。該傳輸方式的輸出數(shù)字量是24位或25位的二進制數(shù)(或格雷碼) ,它有僅4條通信線 (2條數(shù)字傳輸線 ,2條時鐘線)和2條電源線 ,最長的傳輸距離可達500 m。
2 、磁致伸縮位移傳感器在液壓動態(tài)測試系統(tǒng)中的應用
本測試系統(tǒng)是在某公司硅鋼廠ZR2和ZR1軋機AGC的改造中,由集美大學研制的液壓控制系統(tǒng)的動態(tài)測試系統(tǒng)的基礎上研制而成的 ,該系統(tǒng)已在某熱軋AGC伺服缸修復的測試中推廣使用。
本系統(tǒng)是一個高精度、高響應的控制測試系統(tǒng) ,要求控制測試精度達到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,該板卡內有80C320微處理器 ,有2個通道的SSI接口 ,內置時鐘28MHz,ISA-Basic 板對1個循環(huán)的數(shù)據(jù)采集占用1kbyte的內存,除此之外,ISA-Basic板卡上還有隔離模入、模出通道各2個,有 A/D8個通道。
在進行液壓伺服缸啟動壓力測試時所用的傳感器量程為0.16MPa ,在系統(tǒng)工作狀態(tài)時所用的傳感器量程為25MPa。
3 、軟件設計
要正確地對SSI傳輸方式的Temposonics Ⅲ位移傳感器位移量進行采集 ,除了選擇相應的SSI接口電路外,必須注意正確的方法。在系統(tǒng)設計和調試中總結如下:①首先對接口板進行初始化 ,設置有關參數(shù); ②根據(jù)要求設置并保存位移傳感器零點;③編寫輸入程序 ,調整比例系數(shù) ,計算出位移量。以液壓控制系統(tǒng)的動態(tài)測試系統(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計中,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,接口板內置時鐘頻率為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 ,但分辨力會低些。在實際應用中 ,可對系數(shù) M 在小范圍內進行調整。M系數(shù)的成功設置可使其通過給定輸入函數(shù)得到與位移量相關的數(shù)據(jù)。
3. 2傳感器零點設置
Temposonics Ⅲ傳感器的零點可以根據(jù)需要在有效區(qū)內任意設定,零點的成功設置直接影響到該傳感器的正確應用。對接口板初始化后 ,將傳感器的活動磁環(huán)在零點的脈沖數(shù)(用Zero表示)作為參數(shù)保存起來,以備位移采集時使用。
3. 3 位移量的采集
在完成好上面兩項工作的基礎上,就可以進行位移量采集程序的設計。位移量的采集有兩項關鍵技術①正負方向的判斷和正負脈沖數(shù)的計算;②位移量的計算。位移量采集程序圖。首先讀取浮點位移量 (用 Position 表示) ,當它大于某數(shù)N時,表明此時位移量為負,則此時的負向脈沖數(shù)等于零位脈沖數(shù) Zero 減去當前位置的脈沖數(shù);當 Position小于等于 N 時 , 表明此時位移量為正 , 則此時的正向脈沖數(shù)等于當前位置的脈沖數(shù)減去零位脈沖數(shù)Zero 。所測得的位移量單位是 mm。
位移量 = 感應脈沖數(shù) ×L / M , Temposonics Ⅲ 的分辨力與傳感器的量程有關 , 在實際應用中總結出它的分辨力與傳輸線的長短也有關系 , 對于不同長短的傳輸線 , L 應作適當?shù)恼{整。在液壓控制的動態(tài)測試系統(tǒng)中 ,當傳輸線約 7 m時 , L = 2 ,分辨力為2μm;當傳輸線約 100 m 時 , L = 4 ,分辨力為 4μm。
4 、使用效果
被測對象是一個結晶器振動系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng) ,所用傳輸線為7m。從測試結果可以看出 ,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軋機改造中 ,在現(xiàn)場離線測試時 ,傳輸線為 100 m ,經參數(shù)調整后 ,分辨力為 4μm。
5 、結束語
在研制液壓系統(tǒng)的動態(tài)測試系統(tǒng)中 ,通過反復的實踐 ,對 Temposonics Ⅲ系列磁致伸縮位移傳感器的應用有了較深理解 ,總結出該位移傳感器的軟件設計方法。實踐證明這種方法是切實可行的。并在短距離位移測試中其分辨力可達 2μm ,在遠距離位移測試中分辨力變大 ,必須進行有關參數(shù)的調整 ,傳輸線為 100 m 時 ,分辨力為 4μm。
