1.簡(jiǎn)介
目前檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為一些發(fā)達(dá)國(guó)家最重要的熱門技術(shù)之一，其主要原因是它可以給人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可以說(shuō)一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平是用自動(dòng)化水平來(lái)衡量的，而自動(dòng)化水平是用儀表及傳感器的種類和數(shù)量多少來(lái)衡量的[1]。模擬位置傳感器由于具有很多現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)將獲得更廣泛的應(yīng)用。由于它的周期時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間更短，對(duì)提高工藝質(zhì)量和準(zhǔn)確性有很重要的意義。本文討論的磁致伸縮位移傳感器可以代替很多開(kāi)關(guān)，能獲得更好的性能，降低安裝和布線成本，供客戶進(jìn)行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中使用。
2.工藝和應(yīng)用
目前在工業(yè)應(yīng)用中，位置傳感器分為兩種。一種傳感器通過(guò)磁性開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)氣動(dòng)活塞的位置，并輸出二進(jìn)制信號(hào)。另一種是用于機(jī)器人系統(tǒng)的高度精密定位傳感器，它能夠進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)軸的控制，這類傳感器能識(shí)別0.01m m 精度的信號(hào), 并對(duì)高速的位置信號(hào)有很強(qiáng)的處理能力。為了用于速度和加速度的推導(dǎo)，這種位置傳感器需要一個(gè)非常精確的線性輸出信號(hào)，這需要較高的精度和高速定位。目前的傳感器設(shè)備主要用于檢測(cè)獨(dú)立或非獨(dú)立的位置信號(hào)，大多通過(guò)多種磁性開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這使得人們不得不安裝更多的附加設(shè)備，并且缺少兩者之間的位置信息。我們需要去開(kāi)發(fā)一個(gè)更加簡(jiǎn)便的模擬位置傳感器，這種傳感器可以代替許多位置開(kāi)關(guān)，并且解決了外圍設(shè)備復(fù)雜的問(wèn)題，縮短了周期時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間，使迅速檢查和診斷設(shè)備成為可能。
3.技術(shù)問(wèn)題
我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)可以安裝到所有的傳感器槽的位置傳感器，它能夠滿足一定的長(zhǎng)度要求，并且能夠輸出模擬信號(hào)。由于驅(qū)動(dòng)器種類繁多，相應(yīng)的磁鐵也各不相同，我們沒(méi)有統(tǒng)一的內(nèi)外部磁場(chǎng)（雜散場(chǎng)分布），為此，我們必須找到一個(gè)與磁鐵與磁場(chǎng)分布直接關(guān)聯(lián)的獨(dú)立的傳感器。此外，我們還必須考慮到磁鐵之間的距離和傳感器的機(jī)械公差，因此，該傳感器的工作原理至少在一定范圍內(nèi)對(duì)磁場(chǎng)的變化不敏感。最后，這種傳感器的外形必須易于安裝，能夠固定在汽缸的傳感器槽上。
4.物理原理和結(jié)果
我們?cè)诓桓淖冇来盆F的幾何形狀的前提下研究三種不同原理的傳感器來(lái)解決上述問(wèn)題并進(jìn)行測(cè)試：
(1)保持恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，改變磁鐵的形狀，考慮磁鐵和傳感器之間的距離機(jī)械公差；
(2)保持該磁鐵的形狀不變，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度。
4.1 感應(yīng)原理
這個(gè)原理是基于軟磁帶鐵心的勵(lì)磁鐵（頻率為50-200kh z）和長(zhǎng)螺線管兩端的二次線圈的性質(zhì)。有了這樣的裝置就可以檢測(cè)出在傳感器附近移動(dòng)的磁鐵的位置。由于鐵磁的飽和，磁場(chǎng)在鐵心部位出現(xiàn)中斷，產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的磁場(chǎng)。每個(gè)磁場(chǎng)在二次線圈處產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，這兩個(gè)差動(dòng)電壓信號(hào)與相應(yīng)磁鐵的位置有線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，磁鐵的尺寸和磁場(chǎng)的距離有很明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)磁鐵距離過(guò)小或者磁場(chǎng)分布過(guò)廣時(shí)，這種線形關(guān)系更加明顯。
4.2 磁致伸縮原理
磁致伸縮原理是指磁性物體在磁化過(guò)程中出現(xiàn)的尺寸變化的現(xiàn)象。根據(jù)威德曼效應(yīng)，鐵磁性材料同時(shí)受到軸向磁場(chǎng)h a 和周向磁場(chǎng)h c作用時(shí)，會(huì)引起材料沿軸向產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)[2]。軸向磁場(chǎng)是由環(huán)形的永磁鐵通過(guò)沿傳感器外管活塞縱向磁化產(chǎn)生的，周向磁場(chǎng)是由沿磁致伸縮波導(dǎo)線引起的脈沖電流而產(chǎn)生的。這兩個(gè)場(chǎng)之間的互相作用產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力脈沖，它的傳輸波導(dǎo)以超過(guò)3000 米/秒的速度下降。這個(gè)應(yīng)力是在設(shè)備頂端的線圈處檢測(cè)到的，所以通過(guò)測(cè)量電流脈沖的發(fā)射和波導(dǎo)結(jié)束時(shí)應(yīng)變脈沖到達(dá)時(shí)間的延遲，就可以精確地測(cè)量出永磁鐵的位置（即活塞的位置）。為了得到良好的信號(hào)，我們需要一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境。當(dāng)永磁鐵的厚度增加或磁鐵和傳感器的距離超過(guò)一定值時(shí)，輸出信號(hào)將有偏差。
4.3 陣列傳感器
陣列傳感器的基本原理是獲得一個(gè)分布的場(chǎng)的虛擬圖象,就像微處理器的存儲(chǔ)空間一樣，它通過(guò)陣列的場(chǎng)x m r 傳感器或霍爾輸出轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)連續(xù)的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這些傳感器必須被放置在固定的位置（即保持一定間距）。由于傳感器的數(shù)量和型號(hào)不同，必要時(shí)應(yīng)該增加模擬預(yù)處理電路，例如放大器或信號(hào)選擇器等，同時(shí)還需要一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程把輸出轉(zhuǎn)換成0 -10v 或4-20 毫安的信號(hào),以便直接處理輸出的數(shù)據(jù)。這種傳感器陣列的輸出信號(hào)主要決定于永磁鐵的尺寸，大范圍內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)度對(duì)信號(hào)也有一定的影響。
5.結(jié)論
我們已經(jīng)闡述了三種模擬位置傳感器的基本原理，并且列出了我們的研究結(jié)果。模擬位置傳感器在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的市場(chǎng)日益增長(zhǎng)，簡(jiǎn)單的數(shù)字位置傳感器和高精度的模擬位置傳感器在市場(chǎng)中都有廣泛的應(yīng)用，如何設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化的模擬位置傳感器將是我們未來(lái)研究的主要方向和需要解決的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：傳感器 自動(dòng)化控制