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智能式磁致伸缩位移传感器在船舶上的应用

作者:时间:2011-03-10来源:网络收藏
引言

随着
自动化程度的日益提高,微机监控系统在上得到日益广泛的运用。微机自控系统的运用,要求广泛地运用各种传感器,并且要求传感器与计算机的连接方便,数据传输速度快、精度高。由江苏省无锡交通学校研制,并通过江苏省交通厅课题验收的智能式磁致伸缩,正是满足了上述要求的新型传感器。在这里,作者与各位同行探讨一下智能式磁致伸缩在船舶上的

1 磁致伸缩原理

磁致伸缩原理是由科学家James Prescott Joule于1842 年发现的。James Prescott Joule 发现,当铁磁体受到外磁场作用而磁化时,其磁畴结构将发生变化,晶体的原子间距随之改变,致使铁磁体的体积、形状发生变化,特别是铁磁体物质在磁场方向上的长度发生变化。这种磁效应就称之为磁致伸缩。

2 磁致伸缩技术的应用

1940 年,磁致伸缩技术首次成功地应用在潜艇声纳探测距离系统上。1960 年美国人Jack Tellerman首次向美国政府申请了磁致伸缩的专利权。目前,一部分飞机油箱的油位检测就是采用的磁致伸缩位移传感器。我校研制的智能式磁致伸缩位移传咸器,就是采用磁致伸缩原理进行高精度、可超长行程测量的新型位移传感器。其位移测量范围为0~3 000mm ,是一种非接触式位移传感器,不存在磨擦和磨损。该传感器的“智能”主要体现在:由于传感器与单片机一体化设计,使其具有高精度、超低温漂、可随意互换、安装调试方便简单、调零调满只须轻按一下按钮,无需反复调试等特点;其内部线路采用了当今较先进的数字电路,485 并行输出接口,操作简单,互换性好,有效传递距离达1km以上。该传感器能直接与计算机、中央控制系统交换数据。其综合指标目前较为领先,是其它任何位移传感器都无法相比的,在许多领域都可充分发挥其用途。

从国内外同类传感器的运用来看,由我校研制的智能式磁致伸缩位移传感器,非常适合工业自动化、汽轮发电机行业、液压缸体、飞机油箱油位等需要精确测量物体位移,并须将测量数据输入中心控制计算机的场合。

根据船舶自动控制技术运用的现状,以及智能式磁致伸缩位移传感器的技术特点,作者认为该传感器非常适用于船舶的各种液位测量,以及各种阀门的开启行程检测等。目前,船舶上常用的液位检测方法有浮力法、静压法、电极法、电阻法、电容法等。阀门的开启行程检测主要采用电阻式、差动式等传统位移传感器。但这些传感器均存在着测量精度低,稳定性、重复性等指标低,输出的电量是模拟量,输入计算机系统速度慢、难度大,数据传输衰减严重等缺陷。船舶上有许多地方需要运用液位传感器,例如普通船舶上的船用锅炉水位检测、燃油油位检测、舱底污水检测、以及特殊船舶如散装化学品运输船的液舱液位遥测与溢流控制、油船的油位检测与溢流控制等。船舶上阀门则更是不计其数。随着船舶自动化程度的提高,各种阀门的控制自动化要求也越来越高。与之相应,对检测设备精度的要求也越来越高。因此,智能式磁致伸缩位移传感器在船舶上的十分光明。

3 智能式磁致伸缩位移传感器的组成

智能式磁致伸缩位移传感器由外壳、不锈钢测杆、波导线(磁致伸缩线) 、可移动的磁铁环及计算机电子部件所组成,是磁致伸缩原理的一种应用,参见图1。它的工作原理,就是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号,然后计算这个信号被探测所需要的时间,从而换算出准确的位置。这两个磁场,一个来自于传感器外面的移动磁铁,另一个则由传感器内部脉冲发生器的电流脉冲,沿波导线传播,产生的磁场与活动磁环的固定磁场矢量相加,形成螺旋场,产生瞬时扭力,使波导线扭动而产生张力脉冲。由这个脉冲回应需要的时间周期乘以一个固定速度,便能准确地计算出外部移动磁铁的位移量。

将外部移动磁铁作为该传感器的敏感元件,与实际检测体安装在一起,就是一个具有实用意义的位移传感器了。同时,由于该传感器的输出信号是一个绝对位置的输出量,而不是比例放大信号,所以不存在漂移。

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图1 磁致伸缩位移传感器结构原理示意图

该传感器的电路由敏感元件头、接收电路、参数校正输入电路、计算机处理电路、显示电路、测量参数输出电路等组成。其电路硬件结构框图如图2 所示。

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图2 电路硬件结构框图

我校研制的智能式磁致伸缩位移传感器主要技术参数为:

线性量程0~3 000mm
分辨率满量程×0. 05 %
重复精度0. 05 级
电源电压220V ±10 %
输出485 串行输出, 可配0~10mA 或4~20mA 恒流
工作条件要求(发送头部分)
温度- 20 ℃~ + 120 ℃
湿度≤95 %
振动 2. 3g
工作方式 连续

由于采用光电耦合器及计算机芯片和EIA RS- 422/ 485 国际串行数据传输标准电路设计代替了传统的模拟电路,并在传感器的结构和材质上作了一些改变,内置电子模块采取超小型电子元件贴面焊接,从而使新型磁致伸缩传感器工作更加稳定、可靠,传感器的数字传输距离大大加长,而且可以与PLC、计算机等直接通讯,无须配备变送器、A/ D 转换器,从而使智能磁致伸缩位移传感器组成的测控系统更加方便、稳定,成本也大大降低。电子部件与测量头分离一定的距离,可适应更多的应用场合。


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