新型静磁栅位移传感器

目前用于长度与位移检测的数字传感器有光栅传感器和磁栅位移传感器两大类。而磁栅位移传感器又包括静磁栅位移传感器与绝对编码器两种。它具有检测精确度高、寿命长、抗干扰能力强及使用方便等优点。本文将介绍新型静磁栅位移传感器及应用。

一定义

1.关于磁栅

磁栅是一种有磁化信息的标尺．它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜,并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长λ录上磁性刻度线而构成的,因此又把磁栅称为磁尺。

录制磁信息时,要使磁尺固定,磁头根据来自激光波长的基准信号,以一定速度在其长度方向两边运行边流过一定频率的相等电流,这样,就在磁尺上录上了相等节距的磁化信息而形成磁栅。磁栅录制后的磁化结构相当于一个个刀、磁铁按NS、SN、NS……的状态排列起来,如图1(a)所示。因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化,并在N-N或S-S相接处为最大。

磁栅的种类可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。磁栅主要作为位置或位移量的检测元件。磁栅和其他类型的位移传感器相比,具有结构简单、使用方便、动态范围大(1～20m)和磁信号可重新录制等优点。

2.静磁栅位移传感器

静磁栅位移传感器的结构如图1(b)所示。它由磁尺(磁栅)、磁头和检测电路组成。磁尺是检测位移的基准尺,磁头用来读取磁尺上的记录信号。

静态磁头是一种调制式磁头,磁头上有两个绕组,一个是激励绕组,加以激励电源电压；另一个是输出绕组。即使在磁头与磁尺之间处于相对静止时,也会因为有交变激励信号使输出绕组有感应电压信号输出。当静态磁头和磁尺之间有相对运动时,输出绕组产生一个新的感应电压信号输出,它作为包络,调制在原感应电压信号频率上。这提高了测量精确度,称静态磁头的位移传感器为静磁栅位移传感器。

检测电路主要用来供给磁头激励电压和把磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。当磁尺与磁头之间产生相对位移时,磁头的铁心使磁尺的磁通有效地通过输出绕组,在绕组中产生感应电压,该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化,从而将位移量转换成电信号输出。图1(c)是磁信号与静态磁头输出信号波形图。磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。图1(d)为静磁栅位移传感器应用结构示意图。其磁头可用霍尔元件取代。

静磁栅位移传感器允许最高工作速度为12m/min,系统精确度可达0.01mm/m,最小指示值0.001mm,使用范围为0～40℃,是一种测量大位移的传感器。

3.绝对编码器

光电式编码器是一种绝对位置编码器,即几位编码器其码盘上就有几位码道,编码器在转轴的任何位置都可输出一个固定的与位置相对应的数字码。它与增量编码器不同,它们的编码带排列可使计读系统直接给出与每个位置相对应的编码数,见图2所示。每个编码带对应于一个输出位,最里面的编码带对应于最高有效位。这类编码器最常用的传感器是光电式传感器,其性能大大领先于接触式传感器。集成光电传感器阵列简化了系统的设计。

绝对编码器对中断和电磁干扰具有固有的抗扰性。它们不会累积差错。由此形成的反馈系统在启动、断电或程序执行期间都不需要自动引导步骤。

二新型静磁栅绝对编码器和位移传感器及其特点

1.新型静磁栅绝对编码器——位移传感器

新型静磁栅绝对编码器——位移传感器是静磁栅位移传感器与绝对编码器两技术结合的产物。使用无源钕铁硼磁铁作为探测头的静磁栅绝对编码器其原理简单,构想奇特,使用不多的开关型霍尔传感元件,直接产生高于毫米数量级的位移量数字信号。该位移检测方式独特。因直接测量物体位移和角度一直是工业界的一个追求。这是何因呢？

(1)静磁栅直线绝对编码器(又称直线绝对位移传感器),目前最高分辨度可达0.2mm,最高测长可达2km。使用“空间静磁栅”原理,还可深度开发弧形和圆盘形无接触位移、角度检测单元,在使用寿命上具有明显优势。静磁栅直线绝对编码器由“静磁栅源(磁头)”和“静磁栅尺(磁栅)”两部分结合使用。“静磁栅源”使用铝合金压封无源钕铁硼磁栅,“静磁栅尺”用内藏计算机的特制高强度铝合金管材封装。

“静磁栅源”沿“静磁栅尺”轴线作无接触相对运动时,由“静磁栅尺”解析出数字化位移信息。“静磁栅源”和“静磁栅尺”均有很高的防震、防水、抗污染等级。同时,两者在结合使用时,又有很高的相对间隙宽容度和相对姿态宽容度,这在工业和军事运用中非常可贵。

什么是“空间静磁栅”？顾名思义是永久磁铁通过空间被细分的栅片状的作用区无接触地对位移测量装置产生作用,磁场的作用区能细分为0.2mm厚薄的有相当宽度的栅片状空间。

(2)直线绝对编码器充分发掘了嵌入式微处理器的资源。

静磁栅绝对编码器在悬浮且完全无磨损的情况下工作,永久磁铁的寿命毋庸置疑(不超过钕铁硼稀土磁性材料的居里点),可靠性完全由有源“静磁栅尺”和数据传输系统来决定。“空间栅片”有非常固定的编号,在失电投电不断转换的过程中,或在永久磁铁离开又回到作用区时,均能正确地反映探测的位置或角度,真正做到了“绝对编码”。该直线绝对编码器充分发掘了嵌入式微处理器的资源,将数据更新速度提高到毫秒数量级,以便能适应1m/s以下运动速度的位移响应。

2.直线绝对编码器优异性

(1)优异性

能将提供用户选择配套的显示控制器常规位移控制功能、现场显示调校功能和数据通信转换功能等作系统集成。其间,不仅可现场调定参数,直接实施位置闭环控制,而且其通信接口还可提供I2C、RS--485、RS-422、SSI、CAN、PROFIBUS等多种硬件形式以便让上位机直接采集数据。如果挂接现场总线,又可直接与变频调速器联机使用。在短距离测控方面(例如短于2m),还提供4～20mA或1～5V标准化信号产品。

(2)特点

使用寿命长,无接触检测位置及角度,避免了机械损伤,理论上无寿命极限；直接绝对型测量:直接指示位移毫米数或旋转角度数,无需换算,不怕掉电,任意定位控制；量程极长,分辨率适中:260mm～2000m长度量程,分辨率0.2mm；全向360°角度量程,分辨率0.1°。极丰富的数据接口:有N、B、K三种方式,N方式为内置方式,可提供1～5V、4～20mA等标准化模拟信号和I2C、RS-485、RS-422三种数字信号。B方式为带专用变送器方式,可提供标准模拟信号和更丰富的数字信号,如I2C、RS-485、RS-422、高速并行输出、Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet、CANopen、Interbus、ControINet、ASI、PF、Modbus等。K方式为带专用显示控制器方式,除了具有B方式的全部接口外还具有显示位置、闭环控制和通信转换等多种功能,可形成独立的显示控制系统。

三直线绝对编码器应用

1.岸桥长行程集群定位系统选用静磁栅绝对编码器长直线型解决方案

在轨道一侧等距离(每隔3m)安装多只静磁栅源；每台岸桥配备3.2m静磁栅尺一根,多根静磁栅尺共用一套静磁栅源。静磁栅尺采集的实时位移信号通过内藏式信号转换器传输给岸桥主PLC系统。采用该集群控制方式的优点是:车轮打滑完全不影响检测精确度；自动防止岸桥碰撞；装卸箱作业自动精确定位。

岸桥集群定位系统现场工作方式:由于岸桥轨道与地面平齐,对定位检测精确度要求不高(定位精确度5mm可满足要求),可将静磁栅源等距离埋在岸桥轨道旁与地面平齐；静磁栅尺(3.2m)安装在车架上,静磁栅尺与地面平行,高度保持在40mm以内。图3为现场工作方式示意图。

2.梗丝加料液位检测系统应用

a.传统现场液位测量与控制中的问题

传统梗丝加料液位检测(即现场液位测量与控制)是采用电容式以及超声波液位计或WNA静磁栅液位计。但其缺陷是:一直存在检测不准的问题,所以一直都没有让其参与控制；另外,车间加(送)科、加(送)香的管路与地沟都直接相联,阀门误动作会出现漏料,以前就出现过由于阀门不到位,而导致料液进入地沟或泄露的情况。因由于以前车间的液位计没有参与控制,出现此类情况时就未能及时发现,导致质量事故的发生。为此应对静磁栅液位计进行改进后在梗加料和片叶加料处试用。

b.静磁栅尺的改进

WNA静磁栅尺的改进后液位测量与控制示意图如图4所示。

WNA静磁栅以前用于对运动物体位置的检测,WNA静磁栅源只需固定于被测物体上即可,通过被测物体的移动来检测移动位置。要用其对液位进行检测,于是在料液罐外安装一个玻璃管并与料液罐连通,这就是旁通玻璃管,将WNA静磁栅源改制成浮子式的静磁栅源(简称浮子)放进旁通玻璃管中。将浮子设计成两头粗中间细的形状,粗端为不规则形,只有3个点与玻璃管接触,这样减小浮子在旁通玻璃管中的阻力,当液位发生变化时“静磁栅源”即“浮子”能在旁通管内随液位的变化而自由移动,减小了测量误差。

c.新型静磁栅液位计的应用

静磁栅液位计的输出信号可直接送到现场的PLC中,在送料和加料的过程中都得以应用。料罐形状为U形,最底部有8kg的液体为不可测的,上面为均匀的圆柱体,在此范围静磁栅尺上标度每变化1mm,料罐液位就变化1.1kg。

(1)在送料过程

送料全过程的数据变化将保存在集控数据库中,随时可调出进行数据分析。图5为送料控制信息框图。

(2)加料过程

送料全过程的数据变化也将保存在集控数据库中,随时可以进行每批加料情况的数据分析,来判断加科系统是否完好。图6为在加料控制信息方框图。

使用静磁栅液位计后,可对科罐内的料液及加料设备进行时时监视、控制。如有故障及时报警及停机,减少质量事故的发生和提高加料质量。

四结束语

虽然新型的静磁栅绝对编码器在探测精确度上还略有差距。但它更多的优点使它在相当多的工业现场有可观的运用价值。对于那些测控平移机构,精确度要求在毫米数量级,或测量角度,精确度要求0.1°以上的工业运用现场,新型绝对编码器是一个相当不错的选择。

康先生,立凯智能网络有限公司工程师

来源:《世界仪表与自动化》