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巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可以說一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平是用自動(dòng)化水平來衡量的，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。一種傳感器通過磁性開關(guān)來檢測(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)，大多通過多種磁性開關(guān)來實(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關(guān)，并且解決了外圍設(shè)備復(fù)雜的問題，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解決上述問題并進(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)磁鐵距離過小或者磁場(chǎng)分布過廣時(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研究的主要方向和需要解決的問題。
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