摘要：磁致伸縮
位移傳感器是利用磁致伸縮原理，進(jìn)行位移測(cè)量的新型位移傳感器。由江蘇省無(wú)錫交通學(xué)校研制的智能式磁致伸縮位移傳感器是將普通的磁致伸縮位移傳感器經(jīng)改造后，與單片機(jī)連接成一體。性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。介紹了該產(chǎn)品的原理，性能，以及在船舶工業(yè)中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：磁致伸縮位移傳感器；船舶；應(yīng)用前景
引言
隨著船舶自動(dòng)化程度的日益提高，微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在船舶上得到日益廣泛的運(yùn)用。船舶微機(jī)自控系統(tǒng)的運(yùn)用，要求廣泛地運(yùn)用各種傳感器，并且要求傳感器與計(jì)算機(jī)的連接方便，數(shù)據(jù)傳輸速度快、精度高。由江蘇省無(wú)錫交通學(xué)校研制，并通過(guò)江蘇省交通廳課題驗(yàn)收的智能式磁致伸縮位移傳感器，正是滿足了上述要求的新型傳感器。在這里，作者與各位同行探討一下智能式磁致伸縮位移傳感器在船舶上的應(yīng)用前景。
1 磁致伸縮原理
磁致伸縮原理是由科學(xué)家James Prescott Joule于1842 年發(fā)現(xiàn)的。James Prescott Joule 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵磁體受到外磁場(chǎng)作用而磁化時(shí)，其磁疇結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，晶體的原子間距隨之改變，致使鐵磁體的體積、形狀發(fā)生變化，特別是鐵磁體物質(zhì)在磁場(chǎng)方向上的長(zhǎng)度發(fā)生變化。這種磁效應(yīng)就稱之為磁致伸縮。
2 磁致伸縮技術(shù)的應(yīng)用
1940 年，磁致伸縮技術(shù)首次成功地應(yīng)用在潛艇聲納探測(cè)距離系統(tǒng)上。1960 年美國(guó)人Jack Tellerman首次向美國(guó)政府申請(qǐng)了磁致伸縮位移傳感器的專利權(quán)。目前，一部分飛機(jī)油箱的油位檢測(cè)就是采用的磁致伸縮位移傳感器。我校研制的智能式磁致伸縮位移傳咸器，就是采用磁致伸縮原理進(jìn)行高精度、可超長(zhǎng)行程測(cè)量的新型位移傳感器。其位移測(cè)量范圍為0～3 000mm ，是一種非接觸式位移傳感器，不存在磨擦和磨損。該傳感器的“智能”主要體現(xiàn)在:由于傳感器與單片機(jī)一體化設(shè)計(jì)，使其具有高精度、超低溫漂、可隨意互換、安裝調(diào)試方便簡(jiǎn)單、調(diào)零調(diào)滿只須輕按一下按鈕，無(wú)需反復(fù)調(diào)試等特點(diǎn);其內(nèi)部線路采用了當(dāng)今較先進(jìn)的數(shù)字電路，485 并行輸出接口，操作簡(jiǎn)單，互換性好，有效傳遞距離達(dá)1km以上。該傳感器能直接與計(jì)算機(jī)、中央控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。其綜合指標(biāo)目前較為領(lǐng)先，是其它任何位移傳感器都無(wú)法相比的，在許多領(lǐng)域都可充分發(fā)揮其用途。
從國(guó)內(nèi)外同類傳感器的運(yùn)用來(lái)看，由我校研制的智能式磁致伸縮位移傳感器，非常適合工業(yè)自動(dòng)化、汽輪發(fā)電機(jī)行業(yè)、液壓缸體、飛機(jī)油箱油位等需要精確測(cè)量物體位移，并須將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入中心控制計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合。
根據(jù)船舶自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用的現(xiàn)狀，以及智能式磁致伸縮位移傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，作者認(rèn)為該傳感器非常適用于船舶的各種液位測(cè)量，以及各種閥門的開(kāi)啟行程檢測(cè)等。目前，船舶上常用的液位檢測(cè)方法有浮力法、靜壓法、電極法、電阻法、電容法等。閥門的開(kāi)啟行程檢測(cè)主要采用電阻式、差動(dòng)式等傳統(tǒng)位移傳感器。但這些傳感器均存在著測(cè)量精度低，穩(wěn)定性、重復(fù)性等指標(biāo)低，輸出的電量是模擬量，輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度慢、難度大，數(shù)據(jù)傳輸衰減嚴(yán)重等缺陷。船舶上有許多地方需要運(yùn)用液位傳感器，例如普通船舶上的船用鍋爐水位檢測(cè)、燃油油位檢測(cè)、艙底污水檢測(cè)、以及特殊船舶如散裝化學(xué)品運(yùn)輸船的液艙液位遙測(cè)與溢流控制、油船的油位檢測(cè)與溢流控制等。船舶上閥門則更是不計(jì)其數(shù)。隨著船舶自動(dòng)化程度的提高，各種閥門的控制自動(dòng)化要求也越來(lái)越高。與之相應(yīng)，對(duì)檢測(cè)設(shè)備精度的要求也越來(lái)越高。因此，智能式磁致伸縮位移傳感器在船舶上的應(yīng)用前景十分光明。
3 智能式磁致伸縮位移傳感器的組成
智能式磁致伸縮位移傳感器由外殼、不銹鋼測(cè)桿、波導(dǎo)線(磁致伸縮線) 、可移動(dòng)的磁鐵環(huán)及計(jì)算機(jī)電子部件所組成，是磁致伸縮原理的一種應(yīng)用，參見(jiàn)圖1。它的工作原理，就是利用兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，然后計(jì)算這個(gè)信號(hào)被探測(cè)所需要的時(shí)間，從而換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個(gè)磁場(chǎng)，一個(gè)來(lái)自于傳感器外面的移動(dòng)磁鐵，另一個(gè)則由傳感器內(nèi)部脈沖發(fā)生器的電流脈沖，沿波導(dǎo)線傳播，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與活動(dòng)磁環(huán)的固定磁場(chǎng)矢量相加，形成螺旋場(chǎng)，產(chǎn)生瞬時(shí)扭力，使波導(dǎo)線扭動(dòng)而產(chǎn)生張力脈沖。由這個(gè)脈沖回應(yīng)需要的時(shí)間周期乘以一個(gè)固定速度，便能準(zhǔn)確地計(jì)算出外部移動(dòng)磁鐵的位移量。
將外部移動(dòng)磁鐵作為該傳感器的敏感元件，與實(shí)際檢測(cè)體安裝在一起，就是一個(gè)具有實(shí)用意義的位移傳感器了。同時(shí)，由于該傳感器的輸出信號(hào)是一個(gè)絕對(duì)位置的輸出量，而不是比例放大信號(hào)，所以不存在漂移。
圖1 磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖
該傳感器的電路由敏感元件頭、接收電路、參數(shù)校正輸入電路、計(jì)算機(jī)處理電路、顯示電路、測(cè)量參數(shù)輸出電路等組成。其電路硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。
圖2 電路硬件結(jié)構(gòu)框圖
我校研制的智能式磁致伸縮位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)為:
線性量程0～3 000mm
分辨率滿量程×0. 05 %
重復(fù)精度0. 05 級(jí)
電源電壓220V ±10 %
輸出485 串行輸出， 可配0～10mA 或4～20mA 恒流
工作條件要求(發(fā)送頭部分)
溫度- 20 ℃～ + 120 ℃
濕度≤95 %
振動(dòng)< 2. 3g
工作方式 連續(xù)
由于采用
光電耦合器及計(jì)算機(jī)芯片和EIA RS- 422/ 485 國(guó)際串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)代替了傳統(tǒng)的模擬電路，并在傳感器的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上作了一些改變，內(nèi)置電子模塊采取超小型電子元件貼面焊接，從而使新型磁致伸縮傳感器工作更加穩(wěn)定、可靠，傳感器的數(shù)字傳輸距離大大加長(zhǎng)，而且可以與PLC、計(jì)算機(jī)等直接通訊，無(wú)須配備變送器、A/ D 轉(zhuǎn)換器，從而使智能磁致伸縮位移傳感器組成的測(cè)控系統(tǒng)更加方便、穩(wěn)定，成本也大大降低。電子部件與測(cè)量頭分離一定的距離，可適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)合。
