智能式磁致伸縮位移傳感器在船舶上的應用

引言

隨著(zhù)船舶自動(dòng)化程度的日益提高，微機監控系統在船舶上得到日益廣泛的運用。船舶微機自控系統的運用，要求廣泛地運用各種傳感器，并且要求傳感器與計算機的連接方便，數據傳輸速度快、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收的智能式磁致伸縮位移傳感器，正是滿(mǎn)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)現的。James Prescott Joule 發(fā)現，當鐵磁體受到外磁場(chǎng)作用而磁化時(shí)，其磁疇結構將發(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(cháng)度發(fā)生變化。這種磁效應就稱(chēng)之為磁致伸縮。

2 磁致伸縮技術(shù)的應用

1940 年，磁致伸縮技術(shù)首次成功地應用在潛艇聲納探測距離系統上。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(zhuān)利權。目前，一部分飛機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(cháng)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”主要體現在:由于傳感器與單片機一體化設計，使其具有高精度、超低溫漂、可隨意互換、安裝調試方便簡(jiǎn)單、調零調滿(mǎn)只須輕按一下按鈕，無(wú)需反復調試等特點(diǎn);其內部線(xiàn)路采用了當今較先進(jìn)的數字電路，485 并行輸出接口，操作簡(jiǎn)單，互換性好，有效傳遞距離達1km以上。該傳感器能直接與計算機、中央控制系統交換數據。其綜合指標目前較為領(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。

從國內外同類(lèi)傳感器的運用來(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)電機行業(yè)、液壓缸體、飛機油箱油位等需要精確測量物體位移，并須將測量數據輸入中心控制計算機的場(chǎng)合。

根據船舶自動(dòng)控制技術(shù)運用的現狀，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(mén)的開(kāi)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(mén)的開(kāi)啟行程檢測主要采用電阻式、差動(dòng)式等傳統位移傳感器。但這些傳感器均存在著(zhù)測量精度低，穩定性、重復性等指標低，輸出的電量是模擬量，輸入計算機系統速度慢、難度大，數據傳輸衰減嚴重等缺陷。船舶上有許多地方需要運用液位傳感器，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(mén)則更是不計其數。隨著(zhù)船舶自動(dòng)化程度的提高，各種閥門(mén)的控制自動(dòng)化要求也越來(lái)越高。與之相應，對檢測設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、波導線(xiàn)(磁致伸縮線(xiàn)) 、可移動(dòng)的磁鐵環(huán)及計算機電子部件所組成，是磁致伸縮原理的一種應用，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)應變脈沖信號，然后計算這個(gè)信號被探測所需要的時(shí)間，從而換算出準確的位置。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)則由傳感器內部脈沖發(fā)生器的電流脈沖，沿波導線(xiàn)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，使波導線(xiàn)扭動(dòng)而產(chǎn)生張力脈沖。由這個(gè)脈沖回應需要的時(shí)間周期乘以一個(gè)固定速度，便能準確地計算出外部移動(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是一個(gè)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構原理示意圖

該傳感器的電路由敏感元件頭、接收電路、參數校正輸入電路、計算機處理電路、顯示電路、測量參數輸出電路等組成。其電路硬件結構框圖如圖2 所示。

圖2 電路硬件結構框圖

我校研制的智能式磁致伸縮位移傳感器主要技術(shù)參數為:

線(xiàn)性量程0～3 000mm
分辨率滿(mǎn)量程×0. 05 %
重復精度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(dòng) 2. 3g
工作方式 連續

由于采用光電耦合器及計算機芯片和EIA RS- 422/ 485 國際串行數據傳輸標準電路設計代替了傳統的模擬電路，并在傳感器的結構和材質(zhì)上作了一些改變，內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定、可靠，傳感器的數字傳輸距離大大加長(cháng)，而且可以與PLC、計算機等直接通訊，無(wú)須配備變送器、A/ D 轉換器，從而使智能磁致伸縮位移傳感器組成的測控系統更加方便、穩定，成本也大大降低。電子部件與測量頭分離一定的距離，可適應更多的應用場(chǎng)合。