智能式磁致伸縮位移傳感器在船舶上的應(yīng)用

引言

隨著船舶自動化程度的日益提高，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。由江蘇省無錫交通學(xué)校研制，并通過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)鐵磁體受到外磁場作用而磁化時，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)在磁場方向上的長度發(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)用在潛艇聲納探測距離系統(tǒng)上。1960 年美國人Jack Tellerman首次向美國政府申請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、可超長行程測量的新型位移傳感器。其位移測量范圍為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，使其具有高精度、超低溫漂、可隨意互換、安裝調(diào)試方便簡單、調(diào)零調(diào)滿只須輕按一下按鈕，無需反復(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法相比的，在許多領(lǐng)域都可充分發(fā)揮其用途。

從國內(nèi)外同類傳感器的運(yùn)用來看，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量物體位移，并須將測量數(shù)據(jù)輸入中心控制計算機(jī)的場合。

根據(jù)船舶自動控制技術(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量，以及各種閥門的開啟行程檢測等。目前，船舶上常用的液位檢測方法有浮力法、靜壓法、電極法、電阻法、電容法等。閥門的開啟行程檢測主要采用電阻式、差動式等傳統(tǒng)位移傳感器。但這些傳感器均存在著測量精度低，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、燃油油位檢測、艙底污水檢測、以及特殊船舶如散裝化學(xué)品運(yùn)輸船的液艙液位遙測與溢流控制、油船的油位檢測與溢流控制等。船舶上閥門則更是不計其數(shù)。隨著船舶自動化程度的提高，各種閥門的控制自動化要求也越來越高。與之相應(yīng)，對檢測設(shè)備精度的要求也越來越高。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、不銹鋼測桿、波導(dǎo)線(磁致伸縮線) 、可移動的磁鐵環(huán)及計算機(jī)電子部件所組成，是磁致伸縮原理的一種應(yīng)用，參見圖1。它的工作原理，就是利用兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，然后計算這個信號被探測所需要的時間，從而換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個磁場，一個來自于傳感器外面的移動磁鐵，另一個則由傳感器內(nèi)部脈沖發(fā)生器的電流脈沖，沿波導(dǎo)線傳播，產(chǎn)生的磁場與活動磁環(huán)的固定磁場矢量相加，形成螺旋場，產(chǎn)生瞬時扭力，使波導(dǎo)線扭動而產(chǎn)生張力脈沖。由這個脈沖回應(yīng)需要的時間周期乘以一個固定速度，便能準(zhǔn)確地計算出外部移動磁鐵的位移量。

將外部移動磁鐵作為該傳感器的敏感元件，與實(shí)際檢測體安裝在一起，就是一個具有實(shí)用意義的位移傳感器了。同時，由于該傳感器的輸出信號是一個絕對位置的輸出量，而不是比例放大信號，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、計算機(jī)處理電路、顯示電路、測量參數(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
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 2. 3g
工作方式 連續(xù)

由于采用光電耦合器及計算機(jī)芯片和EIA RS- 422/ 485 國際串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計代替了傳統(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，而且可以與PLC、計算機(jī)等直接通訊，無須配備變送器、A/ D 轉(zhuǎn)換器，從而使智能磁致伸縮位移傳感器組成的測控系統(tǒng)更加方便、穩(wěn)定，成本也大大降低。電子部件與測量頭分離一定的距離，可適應(yīng)更多的應(yīng)用場合。