磁致伸缩技术在线性位移传感器上的应用

磁致伸缩技术在线性位移传感器上的应用

摘 要 本文从磁致伸缩效应出发，介绍了磁致伸缩位移传感器的技术原理、特点及在2250热轧板厂的实际应用，提出传感器选择的注意事项，对常见故障进行了细致的原因分析并提出了改进措施，同时总结了使用中的传感器维护要点。

关键词 磁致伸缩；传感器；热轧厂

0 引言

线性位移传感器是位移传感器中的一种，用来测量直线位移、速度、位置等信号，广泛应用于工业生产的各个领域。按照原理主要分为电阻式、电容式、电感式、变压器式、涡流式、激光式等等。每一种都有自己的优缺点，根据工业应用环境的不同，如距离远近、精度高低、工作环境等，选择不同形式的传感器来满足用户需求。涟钢2250热轧板厂轧线液压油缸活塞杆位置检测需求较高，从加热炉到卷取运输链区域总计大小位置油缸约200多个，工作行程120mm～3580mm之间，磁致伸缩线性位移传感器以大量程、非接触式、高稳定性和高精度等诸多特点得到很好的应用。

1磁致伸缩效应

铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的现象，叫做磁致伸缩。产生这种行为的原因是材料中磁畴在外磁场的作用下，每个磁畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向发生形变e ，同时应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致物质整体上的形变。应变dl /l 随外磁场增加而变化，最终达到饱和l。虽然磁致伸缩引起的形变比较小，其范围在10-5～10-6之间，但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中，仍是一个很重要的因素。

式中：e 为磁化饱和时的形变， j 覌察方向（测试方向）与磁化强度方向之间的夹角。

2磁致伸缩技术原理

磁致伸缩线性位移传感器的结构原理如图所示。该产品主要由测量杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环组成。测量杆内装有铁磁材料制成的测量感应元件（波导线），外部套有不锈钢管，用来保护波导丝。工作时，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的使能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移。

3 磁致伸缩位移传感器特点

磁致伸缩位移传感器作为一种新的位置检测传感器，主要有以下特点：1）采用高科技材料和先进的电子处理技术，能够应用在高温、高压和高振荡的环境中；2）检测磁环和传感器无直接接触，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响，检测的可靠性高，使用寿命长；3）传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零；4）由于输出信号是一个真正的绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更无需定期重标；5）电气信号输出模式较多，用户选择范围较宽，如SSI、Profibus-Dp、CANBus、DeviceNet等；6）安装灵活方便，提供分体式与柔性外管，适应现场多种安装条件。下图是磁致伸缩位移传感器与其他几种线性位移传感器各项参数的比较。

4磁致伸缩应用

磁致伸缩线性位移传感器广泛应用于各种工业领域，其中又以液压缸或液位计居多。涟钢2250热轧板厂加热炉、粗轧、精轧、热卷箱、卷取等区域均采用带磁致线性位移传感器（MTS公司传感器）的液压油缸，位置检测十分方便快捷。

4.1典型安装示意图

1）传感器头-电子部分内置于一个坚固的外壳内；

2）保护外观-传感器带有安装法兰的耐压圆管（最大压力530bar）保护着内部的敏感元件和波导管系统。它直接被安装到空心活塞杆内；

3）位置磁铁-位移的移动部分，它被固定于活塞杆末端。这个永磁铁沿着不动的传感器外管无接触无磨损的移动。它的磁场透过传感器臂启动测量信号。

4.2选型注意事项

选择传感器的尺寸时，考虑感应杆的长度与磁环的安装位置要求是十分重要的。为了防止磁环和检波器之间的相互干扰，在工艺设计制造时设置一个区域称之为零区，长度根据传感器的外壳选型而定。在设计运动系统时必须预留空间，使得磁环的背面与传感器安装法兰之间的距离不小于零区长度。在传感器杆的末端（与电子头相反的一端），有一个内置有阻尼的非工作区，叫做死区。象零区一样，在系统设计时计算好使得磁环的前面与传感器末端的距离不小于指定的死区距离。比如，如果移动轴运动1.5m，订货行程填1.5m。但检测杆的实际总长度，从法兰平面（电子头端）到杆末端应该是1.5m+零区长度+死区长度。

4.3电气连接注意事项

1）需要系统提供一个稳定的低波动的直流电源，电源的波动直接影响模拟量输出的分辨率。低于供电范围有可能不能启动传感器，而超出供电范围有可能对传感器造成损坏；

2）最好选择厂家提供的标准连接接头，这样可以保证可靠的信号传递；

3）电缆最好选择厂家提供的专用电缆，如果选择其他，最好是低电容值的；

4）如果电缆所处的工业环境较为恶劣（高温、高压），必须加装保护装置或做好防护措施（如防水罩、隔热板等）；

5）确保传感器被安装在远离强磁场和电磁噪音高的地方。

4.4维护要点

1）定期查看屏蔽线的好坏，保证可靠接地；

2）加强检修期间的巡视，避免串入强电流，尤其是焊机接地线接地点与焊点控制在1.5米之内，以免焊接引起的强电流导致传感器损坏；

3）传感器需要更换时，在更换前，测定备用传感器的好坏，以免安装之后引起返工；4）传感器带压更换时，波导管从不锈钢耐压圆管中抽出后注意保护，放置在安全可靠的场所，以免损坏。

5常见故障分析及改进措施

实际应用过程中，工业现场各种不确定因素，引发了位移传感器各种各样的故障，归纳起来主要是四点： 1）磁环松动、脱落或磨损； 2）强电干扰； 3）电子头（即传感器电子仓）损坏； 4）线路不通或错误。通过逐一分析原因，提出了改进措施。

5.1磁环松动、脱落或磨损原因分析及改进措施

1）磁环固定在活塞端面上，与活塞杆一同伸缩，由于机械运动（如活塞杆销轴孔过大）引发振动，导致固定磁环的螺栓松动，最终引起磁环松动或脱落（如粗轧上支撑辊平衡缸磁环掉）。改进措施：安装磁环时，固定螺栓要拧紧，同时确保机械连接处连接刚性，经常检查活塞连接杆销轴磨损情况；

2）活塞杆受到外力作用，在油缸体内有径向位移，导致位移传感器测量杆与磁环内圈的非正常摩擦，引起磁环内圈变大，严重时磁环被磨碎（如3#步进梁横移油缸磁环磨成粉末）。改进措施：加强机械活塞杆点检，避免外力撞击，选择加大磁环。

5.2强电干扰原因分析及改进措施

1）部分区域（卷取侧导）的传感器电缆同动力电缆尤其是变频动力电缆敷设在一个桥架内，有强电流时，数据出现紊乱。改进措施：将传感器线路从动力电缆桥架中分离出来，单独配管敷设；

2）屏蔽层两端接地产生屏蔽电流，数据不稳定。改进措施：屏蔽层单端大面积接地。

5.3电子头损坏原因分析及改进措施

1）工业高压水区域（如助卷辊、卸卷小车）的废水渗透进工作中的电子头，损坏电子元器件。改进措施：安装时用高压绝缘胶布将电子头包扎密封，同时在外围制作防水罩。

2）检修时焊接产生的强电流损坏电子元器件，传感器损坏此类原因占大多数。改进措施：制定严格的技术规范，确保焊机接地线接地点与焊点控制在1.5米之内，传动侧焊接必须将地线拉到传动侧。

5.4线路不通或错误原因分析及改进措施

1）时钟脉冲线断，现象为传感器位置值不变；数据线断，位置值显示为3331或负值；电源线断，数值发生跳变。改进措施：加强电气线路点检，重点监控多水、多气区域的端子箱内接线，检修现场避免机械检修引起的电气线路受损，如踩断等；

2）电气人员接线不对（将数据线和时钟脉冲线错接），数据错误。改进措施：加强电气人员责任心培养，强调接线检查确认制。

6 结论

磁致伸缩位移传感器自2009年2250热轧板厂投产以来，在轧线众多设备位置油缸检测上应用良好，通过不断地结合现场工业状况进行的小型改进措施，完全能够满足轧钢控制系统高精度及高稳定性的要求。在应用过程中，要注意以下几点：

1）选择传感器安装形式时，要充分了解现场安装空间需求，根据实际情况选择分体式还是标准式；确定传感器尺寸时，要知道油缸或移动轴的行程；

2）电气连接必须保证可靠，提供的电源保持稳定，必要时设置防水隔热等防护装置；

3）检修遇有交叉作业，必须做好隔离措施，以防外部伤害（投产后损坏的传感器多半是因为机械损伤线缆，或是强电流导致电子头烧坏）。