静磁栅长直线型位移传感器用于大车500米行程定位控制

摘要：本文列举了几种常用的位移传感器在长行程位移控制方面的情况，在分析比较各种位移传感器原理与特点及其局限性的基础上，详细解说了静磁栅长直线型位移传感器的特点。静磁栅位移传感器构思奇特,位置检测直接,理论上无寿命极限。

关键词：静磁栅  传感器  长直线  位移  控制  PLC

物体位移的检测与控制一直是工业界最常用、最基础的定位手段。现阶段产品在结构和性能上已经发生了巨大的变化，功能更加完善，可靠性更高，并向着自动化和智能化方向发展；位移检测产品的性能主要反映在满足准确性、可靠性、及时性、耐用性和自动化水平程度等方面。
●  静磁栅位移传感器简介
静磁栅位移传感器，是武汉莹佳科技发展有限责任公司在消化吸收世界最先进磁位移传感器技术的基础上研制生产的新型高可靠位移传感器产品，它一问世就受到冶金、机械，石化、运输，水利等行业的普遍青睐，使用该技术所生产的通用位移传感器、液位计、闸门开度仪、行车行程检测仪、油缸行程检测仪等在恶劣工业环境中广泛运用，其无接触位移测量方式适用于极宽的量程范围，弥补了进口产品价位高、售后服务不完善，环境适应能力差，量程局限，订货周期长等缺陷，能与多类自动控制系统接口。本静磁栅位移测量技术借用“游标卡尺差分刻度测微”原理，依靠霍尔线阵列群动效应，解析数字化绝对位移编码，准确可靠，该项原创性新技术的商品化进程非常迅速。
一、 静磁栅位移传感器原理
1、静磁栅位移传感器由“静磁栅源”和“静磁栅尺”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组成磁栅编码阵列；“静磁栅尺”用内藏嵌入式微处理器系统的特制高强度铝合金管材封装，使用开关型霍尔传感器件组成霍尔编码阵列，铝合金管材外部使用防氧化镀塑处理。
2、“静磁栅源”沿“静磁栅尺” 轴线作无接触（相对间隙宽容度和相对姿态宽容度达50mm）相对运动时，由“静磁栅尺”解析出数字化位移信息，直接产生高于毫米数量级的位移量数字信号。充分发掘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5m/S以下运动速度的位移响应。直接测量物体位移和角度，普通分辨度1毫米，目前最高分辨度可达0.2毫米，最高测长可达2公里。机理有如“游标卡尺”，游标卡尺1毫米的刻度可以辨别出0.02毫米，其分辨率提高了50倍。磁栅编码阵列间距和霍尔编码阵列间距不同，有如游标卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再经过一套反复推演的算法，使得静磁栅绝对编码器的分辨率可达0.2毫米或者更
3、“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，“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”。通俗的讲就是霍尔编码阵列元件只有开和关两种状态。由于物理位置不同，每只霍尔开关元件含有不同的位置信息，通过计算机高速扫描辨识，实现了“空间直线位置绝对编码”，无论量程多长，只要保证安装精度，就能获得非常小的示值误差。基本不受外界温度、湿度、杂散磁场、电磁干扰等因素影响。
4、配套的显示控制器可以实现常规位移控制功能，现场显示调校功能和数据通讯转换功能集成其间，不仅可现场调定参数，直接实施位置闭环控制，而且其通讯接口还可提供I2C、RS485、RS422、SSI、CAN、PROFIBUS等多种硬件形式以利上位机直接采集数据。如果挂接现场总线，又可望直接与变频调速器联机使用。在短距离测控方面（例如短于2米），提供4～20mA或1～5V标准信号。  
二、静磁栅位移传感器详述
1、产品综合特点：
1.1、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。
1.2、抗恶劣环境：－40℃至＋100℃工作温度范围，连续高粉尘、泥浆、水下(中南国家计量测试中心测试该产品可在水下1000m运行，测试证书编号：力 字第04411486 号)及高撞击、强振动工作环境。
1.3、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
1.4，量程极长，分辨率适中:260毫米-2000米长度量程，分辨率0.2mm；全向360度角度量程，分辨率0.1度。
1.5、极丰富的数据接口：有NBK三种方式，N方式为内置方式,可提供1－5V、4-20mA等标准模拟信号和I2C、RS485、RS422三种数字信号。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、RS485、RS422、SSI、高速并行输出、Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet、CANopen、InterBus、ControlNet、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、闭环控制和通讯转换等多种功能，可以形成独立的显示控制系统。
1.6、安装维护方便:在保持适度间隙的条件下,无约束安装运行。
2、产品外观说明
2.1、静磁栅位移传感器：



产品基本参数：
①、静磁栅尺为特制铝合金“A”管型（截面尺寸52 mm *35mm，80mm安装唇边），最长尺寸为4200 mm，有效检测长度250 mm~4000 mm。
②、静磁栅源使用铝合金压封无源钕铁硼磁栅，截面尺寸120*25*20mm。
③、电缆长度：2000mm。
④、分辨率：1mm（0.2mm、0.5mm、1mm 、2mm、5mm）
⑤、尺原分离式作用间隙：0~10mm（最大可达0~50mm）
⑥、输出接口：RS485数字输出（模拟输出1-5V，4-20Ma、总线型数字输出）
⑦、环境使用温度：-10℃~85℃
⑧、封装形式：普通防水型（深水耐压型）
⑨、使用条件：环境：IP69(水下)， -10℃～＋85℃，振动：全向振幅±5mm, 5～200Hz，加速度：全向 50g , 1次/分钟
2.2、显示控制器：



显示控制器基本参数：
①、显示控制器外形尺寸130 mm *100mm*55mm、140 mm*100 mm *65 mm
②、基本功能为显示实时位置信号，扩充功能：通讯制式转换，定位（同步）控制单尺、双尺、四尺
③、接线端子为万可 WAGO
④、可独力实现位置闭环控制，设置存贮中心位置值、
3、静磁栅位移传感器
静磁栅位移传感器属无接触直接测量型位移传感器，“静磁栅源”嵌装多组编码钕铁硼磁栅，“静磁栅尺”使用5mm厚特制铝合金管材封装，有很高的防震和防水等级（IP69）。“静磁栅源”和“静磁栅尺”在商品运输和储存过程中可以自由分离。安装好的传感器当“静磁栅源”沿“静磁栅尺”探测面轴线移动时，由“静磁栅尺”中的霍尔磁栅阵列感测出分辨度为0.2~5mm的数字化位移信号。
特别令人感兴趣的是，霍尔磁栅阵列仅仅对“静磁栅源”沿“静磁栅尺”探测面轴线的移动量敏感，而对“静磁栅源”的侧移量，上下移动量，三维各方向上的倾斜量和环境温度，工作电压等因素均不敏感。这样，就带来了一系列的好处。首先，该新型位移传感器不仅容易安装，而且在安装和运行上给出了宽容的条件：以分辨度为1mm的传感器为例，“静磁栅源”和“静磁栅尺”探测面之间的间隙在1mm~15mm之间均能可靠工作，“静磁栅源”在安装中有所侧移或有所倾斜均无妨；设备运行过程中，“静磁栅源”发生除轴线方向以外的偏侧也无妨。其次，温度，湿度等许多外界条件的变化几乎不影响传感器的正常工作。这些都是在工业现场有价值的特点。
由于使用空间静磁栅感应原理和永久磁钢，该传感器不适合于使用在特强磁场和周边有大量颗粒，粉末状铁磁材料的场合，如需使用，必须加以防护措施。
有了显示控制器，静磁栅位移传感器器将成为一套集位置传感，位置控制与位置显示为一体的嵌入式计算机装置。它能独立实现大多数工业现场对位置显示和控制的要求，也能与工业控制计算机，变频调速器和PLC等协调工作。显示控制器也使用在无需位置控制而仅仅需要显示位置的场合。显示控制器为户内安装型。
位置控制的整个环节中，位置设定，定位指令给定和驱动控制是三个主要环节。例如，移动的送料车需要在A处装料，在B处等候，在C处卸料，这A，B，C三处就是我们所关心的定位点（senter），我们能将这些定位点长期储存在控制器中。实际工业控制中，A，B，C三处应设定一段有一定宽度的被称之为“定位精度”（calibrate）的小区间。物体运动存在惯性，还应选择一个合适的停车（减速）点（little）更为合理。物体在接近目标时，我们或许希望用“点动”（pulse）方式让它更准确地到位。上面所描述的控制功能均可通过在按键面板上选择性地一一调试储存来实现。
4、静磁栅位移传感器两种测量方式
4.1、直线型方式：



上图为静磁栅位移传感器的工作情景。图中1 钕铁硼永磁钢型无源“静磁栅源”，图中2 有源“静磁栅尺”，H为尺源间隙。
直线型方式使用一根静磁栅尺，一个静磁栅源。静磁栅源在静磁栅尺的长度范围内移动，量程=静磁栅尺的长度-100mm，这里需要特别说明：静磁栅直线型位移传感器其无源“静磁栅源”是安装在活动的物体上。有源“静磁栅尺”固定安装，要求“静磁栅源”与“静磁栅尺”保持1～12mm的间隙。这种测量方式长度受静磁栅尺的限制，最大量程为12米，精度1毫米。一根“静磁栅尺”上可以有多个“静磁栅源”，实现多点检测。
4.2、长直线型
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长直线型方式使用一根静磁栅尺，多个静磁栅源沿相对运动轴线一字排列安装，静磁栅尺使用接力方式感测位置信号，量程为静磁栅尺的长度与静磁栅源个数的乘积，最大可至2000米。“静磁栅源”被一字排列，每个“静磁栅源”之间定义为“区段”，“区段”自左至右编号为1、2、3、4、5······，区段编号表征了“米”的含义，“静磁栅尺”上解析了“毫米”的分辨度，两者相结合，就可以把长区间的位移用“毫米”的分辨度来表现。“静磁栅尺”中的嵌入式计算机系统带有最新失电高速存储芯片，分别记忆区段编号和移动方向，失电开机后，只要惯性滑移不超过“静磁栅尺”的长度，智能分析程序都能将真实位移准确复原。  
这里需要特别说明：静磁栅长直线型位移传感器其有源“静磁栅尺”是安装在活动的物体上。无源“静磁栅源”固定安装，要求“静磁栅源”与“静磁栅尺”保持1～12mm的间隙。
5、静磁栅位移传感器部分应用案例
、上海振华港口机械（集团）股份有限公司---集装箱起重机吊具定长控制系统
、昆明钢铁集团有限责任公司---轧钢小车定位系统
、厦门海德科液压机械设备有限公司---栈桥俯仰角量测系统
、武汉钢铁（集团）公司---堆取料机长行程定位系统
、武汉钢铁（集团）公司焦化厂---焦炉三车联锁系统
、武汉钢铁（集团）公司---浮吊船大车走行定位系统
、武钢炼铁厂6#高炉比肖夫环缝阀位计
、武汉钢铁（集团）公司工业港---配料小车定位控制系统
、武汉钢铁（集团）公司焦化厂---煤塔秤定位系统
、岸桥长行程集群定位系统
、物流小车位移检测系统
、大车间天车集群控制系统
、炼铁厂的火焰切割机控制系统
、炼铁厂矿石输送料斗车位置检测系统
、矿粉堆匀料机俯仰检测系统
、场桥及轨道吊小车定位系统
、双尺同步测控系统
、焦炉四大车联锁控制系统
、轧钢厂纵横开卷线鞍座车行走定位系统
、堆取料机无人操作系统
三、位移传感器比较
1、 增量型旋转编码器
2、 绝对型旋转编码器
3、 磁致伸缩位移传感器
4、 光栅增量型光栅尺
5、 电位器型位移传感器
6、 接触磁栅型位移传感器
7、 电感型位移传感器
8、 编码电缆位移传感器
9、 激光位移传感器
10、超声波传感器
11、涡电流式位移传感器
12、磁感式线性位移传感器
简略比较：针对500米行程控制
1、旋转编码器位置检测技术
　通过安装在车轮上的旋转编码器检测机车的位置，是一种相对定位的工作方式。优点是成本低，不超过2万元人民币，安装方便。缺点是车轮打滑，维护工作量大。
2、磁致伸缩位移传感器
  约束型安装，精度很高，价位也高，据我所知目前做不到500米
3、编码电缆位移传感器
  安装繁琐、比较笨重、寿命有限大约3-5年就老化了、不防火，耐高温、精度低。售价不会低于10万元人民币
4、 其它传感器
在此讨论的为500米行程，所以我就不多说了！
四、静磁栅长直线型位移控制方案（大车500米行程定位控制）
采用3.2米静磁栅尺（实际测量长度为3米）和167个静磁栅源（500米/3米），静磁栅源有两种安装方式：
（1） 静磁栅源可等距离埋在轨道旁与地面平齐；
（2） 静磁栅源可等距离安装在摩电道轨道旁与摩电道轨道平齐。
静磁栅尺（3.2米）安装在车上，静磁栅尺与静磁栅源平行，尺源间隙保持在10mm，如下图：
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说明：
A1、A2、A3、A4、A5.....A(n-3)、A(n-2)、A(n-1)、An均为静磁栅源，n=167
L1为A1点到A2点的距离3米，L2为A2点到A3点的距离3米
LN为需要定位控制的行程500米，JCL为静磁栅尺的长度3.2米，固定在运动机车上
CL为运动机车即大车的长度
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  作者：秦 宝
（武汉莹佳科技发展有限责任公司    武汉市青山区罗家路和平花苑4-2-202  430081）