磁悬浮位移传感器

磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。

由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。

测量对象:位置、速度（绝对速度），可测量1~2个位置

测量范围:50mm~8000mm

零点可调范围:100%F.S

输出方式:

电流:4~20mA,最大负载电阻600Ω

电压:0~10VDC0~5VDC,最低负载>5KΩ

精度:

分辨率:采用16BitD/A转换，0.0015%F.S（最小1μm）

非线性:<±0.015%F.S（最小±50μm）

重复精度:<±0.002%F.S（最小±3μm）

迟滞:<0.002%F.S.

温度系数:<0.007%F.S./℃

更新时间测量范围:<0.5ms/m

供电电源:+24VDC±10%

工作电流:<50mA

工作温度:-40~+85℃

储存温度:-40~+100℃

零点/跨度调整:100%有效行程（最小范围25mm）

分辨率:16bit,0.0015%(最小10um)

线性度:<+0.01%满量程(最小+50um)

重复精度:<+0.001%满量程(最小+2.5um)

滞后:<4um

刷新周期:0.5ms达到1200mm/1.0ms达到2400mm/

纹波:2.0ms达到4800mm/5.0ms达到7600mm行程长度

速度测量:<0.01%满量程

范围:0.025m/s至10m/s

误差:<0.5%

分辨率:0.1mm/s

刷新周期:（ms）见位置测量

温度系数:<30ppm/0C

测杆结构:刚性测杆结构、外置一体式结构；

测杆材质:不锈钢316、铝型材

测杆耐压:≤34MPa（位移）；液位：由所选浮子承压决定

电子仓外壳:铝合金

安装接口:螺纹连接、固定座

出线方式:直出电缆线、航空插头

防护等级:IP65（可根据要求定制IP67或IP68）

*内部非接触式测量

*性能价格比高

*多种输出方式可供选择

*防浪涌、防射频干扰*不需定期标定和维护

*安装方便

*高精度、高稳定性、高可靠性

*使用寿命长

*具有输入电源反向极性保护功能

*结构精巧、环境适应性强

*隔离防爆型（可选）

*伺服液压油缸活塞位置反馈或预置

*研磨机械位置反馈或预置

*木材加工定位控制

*水轮机导叶开度的检测与控制

*纸张和塑料薄膜成型

*挤注模具机械

*吹塑

*工程机械

*金属成型/剪切冲压

*其它机械定位和位移检测

*水坝闸门*伺服汽缸活塞位置反馈或预置

*铸锻机床位移控制

*注塑机模板定位与监测

*汽轮机气阻阀门开度的检测与控制

*玻璃压制

*塑料机械改造

*气动缸

*钢材滚压

*食品加工

*港口机械

*船舶舵机伺服系统

磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用内部非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下(如容易受油溃、尘埃或其他的污染场合)，也能正常工作。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。它的行程可达3米或更长，标称精度为0.05%F·S，行程1米以上传感器精度可达0.02%F，S,重复性可达0.002%F·S，因此它在石油化工，航空航天、电力、水利等行业得到广泛的应用。

磁悬浮位移传感器又称磁致伸缩位移（液位）传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。

由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。

大家都知道物质有热胀冷缩。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长和缩短。铁磁性物质在外磁场的作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。此现象的机理是：铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化，形成磁畴。在每个磁畴内。晶格都沿磁化强度方向发生形变。当施加外磁场时，材料内部随即取向的磁畴发生旋转，是各磁畴的磁化方向趋于一致，物体对外显示的宏观效应即沿磁场方向伸长或缩短。

磁致伸缩材料主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料。这两种称为传统磁致伸缩材料。它们并没有得到广泛的应用：后来人们发现了电致伸缩材料，其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛的应用；第三大类是发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。

电压和电流输出的负载是不一样的，电压的负载时要求电阻越大越好，一般不要小于1，000Ω，太小时就相当于短路了，会损坏产品；电流的负载是要求电阻越小越好，一般不要大于1，000Ω，太大时就相当于开路了，没有电流流通。所以电流输出的负载和电压输出的负载限制是不一样的而且一定要注意：电压输出时，负载不能短路，否则会使负荷太大，烧毁电路；而电流输出时，负载不能开路，否则会使负载增加而烧毁电路。这两点一定要清楚。至于电压输出和电流输出，到了机器上最终的用途还是一样的，电压输出直接用电压信号，电流信号流过电阻，在电阻上有电压，也是取用电压信号。

安装接线：磁致尺对电压的波动可以接受，可以使用12V~36V的电源，当然稳定的供电电源还是对产品的精度更有好处，但对静电还是要采取一些措施。除线路板内部采取了很多措施外，传输线有屏蔽线（双重屏蔽：编织网和锡包层，可以抗高、低频干扰），还有接地端子，必须保证可靠接地（抗静电干扰）。上述几项措施缺一不可。

一般情况下，客户的产品替换下来，可能了解原来的产品是电流型还是电压型，但订了货却不知道如何安装。如：原来的电压型是五线甚至七线的，而我们的四线的（电源+、-、信号线、地线）一般棕色或红色是直流电源正极，蓝色或黑色是负极，可以用万用表的电压档位测可能的正、负极之间的电压值，如果没有把握，就可以在可能的正、负极之间接一个1000Ω的电阻，再测量电阻之间的电压值，确认正负极性后，用正极分别去短路剩下的几根线，同时看电脑显示是否出现稳定的最大值，如果是，再用负极去短路刚才验证的那根线，同时看电脑显示是否出现稳定的最小值，如果是，就是信号线了。这就确定了+、-、和信号线了。如果信号线非常难以确定，上述方法行不通，可能就是该传感器的电源与电脑的电源没有共地，没有共地，就没有一个基准值，该传感器的电源相对电脑电源就是浮动电压值。因此，必须将该传感器的电源负极与电脑的电源负极短接。上述问题自然解决。这很容易出现在维修设备的过程中。其它的几根线不要管，用电工胶绑起即可。

如果是电流型输出的传感器，就不能这样实验了。因为，电流型输出负载不能开路，否则，容易过载损坏传感器。对于，三线制输出的传感器，应该先在传感器信号线与负极之间先接一个电阻1000Ω短路，以免误操作时过载。在预先弄清楚正负极的情况下，接好传感器的正负极接线，再将信号线分别与其余几根线短路，看有无稳定的显示。如有，可确定信号线的接线。然后在停电的情况下，取下原来短接的那个电阻，再接好线，然后才能送电。注意信号线一定不能开路。

对于传输距离较长，但是电脑有需要电压输出信号，可以选用电流输出信号进行传输，到了电脑边再将电流信号转换成电压信号，方法很简单，只需要在输出与电源负极之间接入一个标准的高品质电阻就可以。

由于磁致伸缩位移传感器的原理，从机械上讲，因为是无接触、无磨损的，所以出现故障的机会不多，除非机械损坏，磁环脱落，这从外观就容易判断。如果是装在油缸内部，磁环突然脱落，显示数值将没有变化。如果是停机好久才脱落，开机上电时好像在靠近电子仓端出现了一个磁环，即：正逻辑尺将会出现最小显示数值，负逻辑尺会出现最大显示数值。如果是可拆卸电子仓式的，可以简单地将电子仓取下，带电用一磁环测试即可。从电气上讲，是有出现问题的可能。公司为了避免电气出现问题，作了大量工作，如：选择功耗很小的元器件使功率消耗小，如电流消耗只有16mA，实际功率只有不到0.4W，这样就不会使元器件发热、老化和损坏；还有公司，公司通过先进的工艺客服了其它各种问题，产品经严酷的环境测试和机械测试，均符合要求。应该在一般使用条件和环境中不会出现问题。可能会出现的问题，诸如：数据传输不会运行，软件包未安装成功、接线错误、信号大小方向不对、静电干扰未有效接地、电流型输出不会接线、或原来是了两线的而我们的产品是三线制的。

首先是传感器的供电情况，如果位移传感器供电电源容量不足，就会造成以下的情况：熔胶的运动会使合模电子尺的显示变换，有波动，或者合模的运动会使射胶电子尺的显示波动，造成测量误差变大。如果电磁阀的驱动电源与直线位移传感器供电电源共用的时候，更容易出现这种情况。

其二是调频干扰和静电干扰的问题，调频干扰和静电干扰都有可能让直线位移传感器的电子尺的显示数字跳动的。所以，电子尺的信号线与设备的强电线路要分开线槽。电子尺必须强制性地接地。信号线需要使用屏蔽线，而且电箱的一段应该跟屏蔽线接地的。如果有高频干扰的时候，通常使用万用表的电压测量就会显示正常，但是显示数字就是会跳动不停的；而出现静电干扰时，出现的情况也是跟高频干扰一样的。要证明看是否是静电干扰时，只需用一段电源线把电子尺的封盖螺丝跟机器上的某一些的金属短接起来就可以了，只要一短接起来，静电干扰就会马上消除掉。但是如果要消除掉高频干扰就很难用上面的方法了，可以试下暂停高频干扰源，看显示结果会不会更好，以此来判断是不是高频干扰的问题。

其三如果出现显示数据有规律地跳动，或者是没有显示数据，技术人员就需要检查连接线绝缘是不是出现破损的现象，并且判断是否跟机器的外壳很有规律地接触而导致的对地短路。

其四位移传感器的对中性、平行度以及角度的具体要求问题，安装直线位移传感器的对中性需要很好，但是平行度可以允许有±0.5mm的误差，角度可以允许有±12°的误差。但是如果平行度误差和角度误差都是偏大的话，这样会出现显示数字跳动的情况。那么出现这样的情况的时候，必须要对平行度和角度进行调整了。

最后就是位移传感器接线问题，直线位移传感器的三条线是不可以接错的，电源线和输出线是不可以调换的。如果上面的线接错的话，就会出现线性误差很大的情况，要控制的话是很难的，控制的精度也会变得很差，而显示很容易出现跳动的现象等等。以上五点情况都是位移传感器安装使用时需要特别注意的。

磁致伸缩位移传感是利用磁致伸缩效应研制的传感器。该传感器可以实现非接触、绝对式测量，具有高精度、大量程的特点，特别是由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器可应用在恶劣的工业环境，如易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。此外，传感器能承受高温高压和高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以即使电源中断重接也不会对数据收构成问题，更无尖重新调整零位。由于传感器组件都是非接触的，所以即使测量过程理不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。

研制中涉及的关键技术有：

（1）大电流周期激发电路的设计；

（2）微弱信号的检测、信号的滤波、放大、电压比较、峰值检验波、电压限幅等一系列电路的设计；

（3）基于单片机的高精度时间量测量。技术要求：测量范围0~8cm，精度0.1mm。测量范围不是很大，主要是受到实验所用波导钢丝本身长度的限制。

1位移传感器的原理

磁致旋转波位移传感器，如图1所示。除位置磁铁外，所有其他元器件都安装在传感器壳体内，

组成传感器的主体。位置磁铁通常装在一个运动部件A上，

而传感器主体则装在一个固定的部件B上。

传感器工作时，电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为T的激励脉冲电流ie该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。根据Widemanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，使波导钢丝产生磁致弹性伸缩，即形成一个磁致旋转波。磁致旋转波的传播速度为

式中：G为波导管的剪切弹性模量；ρ为波导管密度。

由于G和ρ均为恒定（对于一定的波导管来说）的，所以传播速度也恒定。经过计算该旋转波沿着波导钢丝以2800m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器时被转换成电信号ua·通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间tL就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样，当部件A和B产生相对运动，通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。

在波导钢丝的另一端，磁致旋转波将通过减波元件被大大削弱，以避免反射的波形对测量精度造成影响。波反射器是用于改善电信号ua的波形和加强电信号的大小。

2位移传感器的结构

根据这个原理，设计了总体的电子信号系统方案来检测这个磁致旋转波并送人到MCS51微型计算机处理。数字信号处理系统如图2所示。

(1)产生一个周期激励脉冲电流，该脉冲输入波导钢丝，以便围绕波导钢丝形成一个周期脉冲磁场。该脉冲的周期和宽度应通过微处理器编程来调节。为了获得较强的脉冲磁场，激励脉冲应具有足够的能量，即足够的电流。

3传感器性能指标测试及结果

为了给传感器系统进行定标，搭建了测试平台。测试平台由传感器主体、位置磁铁、螺旋测微器、印制电路板、LCD、FDPS-50BA型电源（输人220V，输出±15V,5V)组成。

在搭建的平台上面对传感器的性能进行测量，主要包括传感器的线性度，迟滞和重复性。

3.1传感器线性度

测量：在传感器测量整个0~80mm范围内，旋动螺旋测微器分别每隔5mm记一组数据，位置磁铁相应移动，连续取测量数据20组，如图3。

线性度的指标公式为式中：el为非线性误差（线性度）；△max为最大非线性绝对误差；YFS为输出满量程。

从图3可知，采用最小二乘法拟合直线的斜率为0.992，直线方程为Y=0.15784+0.992X，因此在0~80mm范围内的线性度为0.387%。

3.2传感器迟滞

将螺旋测微器在传感器的正反两个方向量程内来回移动，测量范围为0~80mm，测到的数据如图4。其中有正向测量和反向测量数值（每隔5mm测量1次），以及正反方向测量的差值△H。

由迟滞误差公式

式中△Hmax为正反行程输出最大差值。

从图4知，△Hmax=0.41，而rH=0.256%。

3.3传感器重复性

图5是传感器在正行程和反行程测量各测2次的数据，其中还计算了重复性偏差。根据式（2）可计算出0~80mm满量程的重复性误差指标el=±0.287%.。

3.4传感器其他静态特性

3.4.1传感器的分辨力

经过测试系统测试，移动螺旋测微器±0.056mm，传感器LCD显示值改变±0.056mm。

3.4.2稳定性

在测试时，将传感器设定在一固定点，然后分别在4h读取数据1次，测得值分别为31.62mm,31.56mm,31.56nm,31.62mm。稳定性误差为0.06mm。传感器通、断电几次后在此位置读数，仍旧为31.62，验证了磁致伸缩传感器不受掉电影响。

温度稳定性是指传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。测量传感器温度稳定性时，分别在房间温度为15℃和室外温度为1℃测量，读数变化为0.06m，即温度稳定性误差为0.06mm。

3.4.3测试系统灵敏度

移动螺旋测微器0.05mm，测到传感器LCD屏上变化0.056mm，此测试系统的灵敏度为1.12。

综上，经过实验测得传感器的静态特性，可知传感器的线性度为0.387%，迟滞误差为0.256%，重复性误差为±0.287%,分辨力为0.056mm。磁致伸缩位移传感器的自身精度很高，理论可以达到μm级，实际分辨力只有0.056mm。

4结束语

在搭建的平台上对磁致伸缩位移传感器进行了进一步的误差分析。误差主要还是在传感器的一些性能指标上。磁致伸缩传感器的主体部分及位置磁铁开发与研制，经实验测试，结果理想，位置磁铁在传感器不同的位置都有一不同的信号反_映。信号处理电路中占空比可调的脉冲激发控制信号电路部分设计，经实际的电路调试结果理想。脉冲激发电路用不同方案设计并综合考虑到实际电路实现，在ORCAD上模拟效果理想。进一步提高精度有几种方案。比如用DSP芯片来测量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，时钟周期t=1/40M=25ns,DSP无需分频，则位移分辨率为70μm,也可以用复杂可编程逻辑器件（CPLD），它具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点，CPLD可实现系统编程，而且能重复多次，使用CPLD器件进行开发，不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性，而且还可大大缩短产品的设计周期。磁致伸缩位移传感器技术必将广泛应用于我国的各项工业领域中。