基于磁場(chǎng)測(cè)量的行程傳感液壓缸技術(shù)研究

基于磁場(chǎng)測(cè)量的行程傳感液壓缸技術(shù)研究

現(xiàn)有的行程傳感器測(cè)量方法包括超聲位移測(cè)量方法、威德曼效應(yīng)測(cè)量方法、開(kāi)度儀測(cè)量方法、活塞桿上刻標(biāo)法的測(cè)量方法和活塞桿上刻標(biāo)法。活塞桿上刻標(biāo)尺的方法是在液壓缸活塞桿上制作標(biāo)尺、用磁傳感器進(jìn)行測(cè)量,是目前的發(fā)展方向。它具有行程長(zhǎng)、測(cè)量精度與行程長(zhǎng)度無(wú)關(guān)、傳感器性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。這種方法是將標(biāo)尺刻于液壓缸活塞桿體上,覆蓋上非鐵磁性鍍層后對(duì)液壓缸的結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。這樣就不占用額外空間,不受行程長(zhǎng)短的限制,標(biāo)尺基本上不用維護(hù),減少了維護(hù)工作量;同時(shí),由于磁性傳感器置于液壓缸出桿側(cè)端蓋上,傳感器不受壓力高低的限制,而且維護(hù)、維修方便。這種標(biāo)尺的間隔較寬,槽深較深,加工成本低。傳感器可安裝在液壓缸的高壓腔以外。國(guó)外已有這種形式的液壓缸產(chǎn)品出現(xiàn),并得到了一定的應(yīng)用和好評(píng),但這些產(chǎn)品所用行程測(cè)量方法涉及的核心技術(shù)并沒(méi)有公開(kāi)。本文的研究希望能開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行程傳感液壓缸產(chǎn)品。這種行程傳感液壓缸技術(shù)主要包括磁性標(biāo)尺、傳感器和信號(hào)處理。1磁度研究1.1表面變化情況對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響液壓缸活塞桿一般為鋼質(zhì),鋼是鐵磁性材料,在一個(gè)固定磁場(chǎng)中,鐵磁性材料的存在會(huì)影響磁場(chǎng)分布。鐵磁性材料的表面變化也會(huì)對(duì)其周?chē)拇艌?chǎng)產(chǎn)生影響,這種影響與表面變化情況有關(guān)。在一定范圍內(nèi),表面變化的曲率越小,引起的磁場(chǎng)變化也越小,對(duì)磁場(chǎng)影響最大的是平頭齒槽。在液壓缸活塞桿上,以平頭齒槽的寬度為間距,在活塞桿的行程范圍內(nèi)加工多個(gè)平頭齒槽,再用非磁性材料進(jìn)行覆蓋,就形成了一個(gè)磁性標(biāo)尺。在平頭齒槽附近建立起磁場(chǎng),液壓缸運(yùn)行的時(shí)候就可以使用磁敏感元件測(cè)量出平頭齒槽附近的磁場(chǎng)變化,通過(guò)此磁場(chǎng)變化可以得出液壓缸的行程值。1.2絕對(duì)編碼值的讀取磁性標(biāo)尺編碼的作用是系統(tǒng)電啟動(dòng)時(shí),運(yùn)行一段很短的行程,可找到當(dāng)前的絕對(duì)行程值;在正常工作過(guò)程中,還可起到校準(zhǔn)的作用,如果發(fā)生行程計(jì)算錯(cuò)誤,可以及時(shí)糾正。使用兩種不同深度的槽,把深槽和淺槽分別看作0和1,這樣,一個(gè)磁性標(biāo)尺,可看作一個(gè)二進(jìn)制數(shù)串,從而提出了一種編碼形式,即幀重疊編碼。所謂幀重疊編碼方法,是以任何一位作為起始位,到達(dá)一幀的長(zhǎng)度時(shí)都可以讀出一個(gè)絕對(duì)編碼值。這種編碼方法不用起始位、停止位和奇偶校驗(yàn)位等特殊標(biāo)志位,相臨的幀除一位二進(jìn)制位以外都是重疊排列的,每走一個(gè)二進(jìn)制位讀出一個(gè)編碼值。例如,幀長(zhǎng)度為3的一組編碼值如下:0001110100從右邊開(kāi)始,分別以第1位,第2位,…,第8位為起始位,向后一幀(3位二進(jìn)制位),讀出的數(shù)依次為0,1,3,7,6,5,2,4。這種編碼方法的主要問(wèn)題是通過(guò)調(diào)整每一位,使讀出的編碼不重復(fù)。排列成功的8位編碼如下:00000000111111110111111001111101011111000111101101111010011110010111100001110111011001110101011101000111001101110010011100010111000001101101011011000110101001101001011010000110011001010110010001100010011000010110000001010101000101001001010000010010000100010000000目前,已可以實(shí)現(xiàn)16位編碼排列。2傳感器結(jié)構(gòu)研究2.1磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算方法使用圖1所示的測(cè)量結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)中,使用U型永磁體作激勵(lì)磁場(chǎng),永磁體的兩磁極直接對(duì)著活塞桿,永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)大部分通過(guò)鋼質(zhì)活塞桿形成通路,磁敏感元件測(cè)量出的是活塞桿表面變化產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)和磁極與活塞桿之間的間隙產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)。這種方法測(cè)量出的有效磁場(chǎng)變化較大,通過(guò)選擇合適的磁敏感元件并調(diào)整其位置,可得到很好的測(cè)量效果。本磁路主要參數(shù)包括磁性標(biāo)尺的槽深h,槽寬b,磁極寬度w,兩磁極之間的間距l(xiāng),磁敏元件中心與一側(cè)磁極的距離s。為確定各參數(shù)的值,首先對(duì)磁路進(jìn)行了理論分析。以圖1中的矩形框?yàn)榇艌?chǎng)分析區(qū)域,這樣,就將所要分析的三維磁場(chǎng),沿軸向?qū)ΨQ(chēng)面簡(jiǎn)化為二維磁場(chǎng)。磁路中不包含分布電流,可用磁標(biāo)勢(shì)求解,因此本問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)的拉普拉斯方程問(wèn)題。在包含永磁體的區(qū)間,方程為?2φi=-?·M(1)其它區(qū)間的方程為?2φj=0(2)式中,φ為磁標(biāo)勢(shì);M為磁化強(qiáng)度;i為包含永磁體的區(qū)間;j為不包含永磁體的區(qū)間。根據(jù)式(1)、式(2),采用超松弛方法,用正方形網(wǎng)格來(lái)分析計(jì)算。計(jì)算得到的標(biāo)量磁位等高線圖見(jiàn)圖2。圖2中,可以清楚地看出活塞桿上的平頭齒槽對(duì)磁場(chǎng)的影響情況。計(jì)算結(jié)果表明,有多種w、b、l、s參數(shù)組合可達(dá)到比較理想的效果,各參數(shù)之間有規(guī)整關(guān)系的參數(shù)組合為w=(n+0.5)bl=(2m+0.5)bs=mb?????(3)w=(n+0.5)bl=(2m+0.5)bs=mb}(3)n、m為正整數(shù),n、m不能太大,越小越好,n、m越大,磁場(chǎng)越分散,探測(cè)出的磁場(chǎng)強(qiáng)度越小。槽深h越大越好,越大曲線越平滑。槽不能太寬,應(yīng)小于3mm。槽深與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。參數(shù)合理時(shí),液壓缸位移與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。圖3與圖4中的縱軸表示磁場(chǎng)強(qiáng)度,每一分度表示永磁體磁極處磁場(chǎng)強(qiáng)度的1‰。2.2傳感器間隙的變化由于液壓缸的端蓋與活塞桿之間存在間隙,所以在運(yùn)行過(guò)程中液壓缸載荷的大小和方向的變化,會(huì)使液壓缸活塞桿與傳感器之間的距離產(chǎn)生變化,此變化對(duì)傳感器的輸出有著非常大的影響,必須設(shè)法消除這種影響,才能得到正確的測(cè)量值;而且,使用單一傳感器無(wú)法判斷出液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)方向,所以,測(cè)量時(shí)使用2個(gè)傳感器,沿軸向直線布置,距離盡量靠近,使它們的輸出相位差為π/2奇數(shù)倍,這樣,2個(gè)傳感器所受到的間隙變化的影響是相同的。根據(jù)2個(gè)傳感器波形的變化情況可以判斷出運(yùn)動(dòng)的方向,并可通過(guò)自學(xué)習(xí)過(guò)程和信號(hào)處理算法去掉準(zhǔn)正弦信號(hào)振幅的影響。3ad1[s]的基本原理根據(jù)相位差為π/2的2個(gè)波形的特征,分成4個(gè)區(qū)域,示意圖見(jiàn)圖5,由豎線劃分的區(qū)域1、2、3、4。這樣,測(cè)量結(jié)果由三部分組成,設(shè)周期長(zhǎng)度為L(zhǎng),測(cè)量點(diǎn)所在的周期數(shù)為X,區(qū)域?yàn)閅,偏移量為Z,則液壓缸的行程STR為STR=XL+Y?L4+Z(4)SΤR=XL+Y?L4+Ζ(4)Z=atan((AD1?DLR1[S])/ALR1[S](AD2?DLR2[S])/ALR2[S]π/2(5)Ζ=atan((AD1-DLR1[S])/ALR1[S](AD2-DLR2[S])/ALR2[S]π/2(5)式中,AD1、AD2分別為傳感器1和傳感器2的A/D轉(zhuǎn)換值;S為在學(xué)習(xí)過(guò)程中的分段位置;DLR1[S]、DLR2[S]分別為傳感器1和傳感器2在學(xué)習(xí)過(guò)程中得到的直流分量值;ALR1[S]、ALR2[S]分別為傳感器1和傳感器2在學(xué)習(xí)過(guò)程中得到的幅值,通過(guò)引入這2個(gè)值可消除液壓缸活塞桿與傳感器之間的間隙的影響。L為標(biāo)尺加工時(shí)確定的,數(shù)組DLR1[S]、DLR2[S]、ALR1[S]、ALR2[S]是學(xué)習(xí)過(guò)程中確定的,均為已知量;周期數(shù)X和區(qū)域Y可通過(guò)兩傳感器的輸出值得到;測(cè)量過(guò)程中只需要兩傳感器的輸出值。而且,根據(jù)傳感器輸出值所在的域之間變化和計(jì)算結(jié)果值的變化可判斷出液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)方向。在自學(xué)習(xí)過(guò)程中,使液壓缸活塞桿勻速運(yùn)行,同時(shí)對(duì)傳感器的輸出值進(jìn)行曲線擬和,根據(jù)擬和誤差進(jìn)行分段,記錄分段位置、相應(yīng)分段的幅值和直流分量。4結(jié)果曲線與編碼校正制作了磁性標(biāo)尺和測(cè)量磁路,編制了數(shù)據(jù)處理程序,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,磁敏傳感器使用集成線性霍爾元件DN6835,使用10位A/D轉(zhuǎn)換器,顯示分辨率0.01mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。圖6是位移測(cè)量結(jié)果曲線,從測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看,測(cè)量誤差可達(dá)到±0.1mm以?xún)?nèi)。當(dāng)活塞桿反向運(yùn)行時(shí),測(cè)量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)可重復(fù)。圖7是編碼校正實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線,編碼校正實(shí)驗(yàn)的目的就是檢驗(yàn)在測(cè)量發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)能否根據(jù)編碼自動(dòng)糾正。為了實(shí)驗(yàn),