拉繩位移傳感器工作原理

 

通過(guò)一系列的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部單圈或多圈電位器的角度變化轉(zhuǎn)換為外部連接端的直線(xiàn)位移變化，并以各種信號(hào)形式將這種變化以模擬量或數(shù)字量進(jìn)行輸出。由于其輸出端是柔軟的鋼絲線(xiàn)，所以可以通過(guò)滑輪，轉(zhuǎn)盤(pán)等機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)渡，在不沿著被測(cè)物運(yùn)動(dòng)方向的地方進(jìn)行安裝，所以在安裝使用上，拉繩傳感器具有電子尺無(wú)法比擬的靈活性和適應(yīng)性。

 

 

拉繩位移傳感器的功能與應(yīng)用范圍

 

把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)。感應(yīng)器可以是編碼器、旋轉(zhuǎn)電位計(jì)、同步器或解析器。常用參數(shù)有測(cè)量行程、輸出信號(hào)形式、分辨率、工作電壓等。信號(hào)輸出方式通常匹配編碼器的輸出方式，例如常見(jiàn)的數(shù)字脈沖輸出等。

 

應(yīng)用范圍：萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)位置控制、導(dǎo)軌位置控制、印刷機(jī)傳感器、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備傳感器、閘門(mén)開(kāi)度控制、氣缸位置控制、油缸位置控制等工業(yè)自動(dòng)化位置與量程檢測(cè)系統(tǒng)。

 

 

拉繩位移傳感器的信號(hào)輸出方式

 

為數(shù)字信號(hào)輸出和模擬信號(hào)輸出，數(shù)字輸出型可以選擇增量旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)值編碼器等，輸出信號(hào)為方波ABZ信號(hào)、正余弦信號(hào)、CANopen信號(hào)、自由RS485信號(hào)、MODBUS信號(hào)、Profibus信號(hào)或格雷碼/二進(jìn)制信號(hào)，測(cè)量行程長(zhǎng)（100～15000mm），精度高（～%FS），防護(hù)等級(jí)IP65。外殼和線(xiàn)輪均經(jīng)過(guò)防腐處理，牽引繩為316不銹鋼繩，可以在惡劣的環(huán)境下（包括海水）工作?？蛇x輸出方式有：電阻型、電壓型、電流型、增量脈沖型、絕對(duì)脈沖型。

 

模擬輸出型可以選擇精密電位器、霍爾編碼器、絕對(duì)值編碼器等，輸出信號(hào)可以為4－20毫安、0－5伏、0－10伏和電阻信號(hào)等，最大行程可以達(dá)到12500毫米，使用環(huán)境最大可以達(dá)到IP65的防護(hù)等級(jí)，-45℃～+105℃的寬溫度環(huán)境下使用。

 

拉線(xiàn)位移傳感器設(shè)計(jì)方案實(shí)例

 

傳統(tǒng)的拉線(xiàn)式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線(xiàn)性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線(xiàn)電位器和圓形電位器都可分別用作直線(xiàn)位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。

 

電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

 

傳統(tǒng)的拉線(xiàn)式位移傳感器由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件的時(shí)，則過(guò)大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導(dǎo)致測(cè)量精度的下降。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。

 

基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器以磁場(chǎng)為傳輸載體，將位移變換轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)角度位移，同時(shí)，通過(guò)通信接口將位移信號(hào)返回給應(yīng)用系統(tǒng)。

 

1、總體設(shè)計(jì)方案

 

基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器的功能是將拉線(xiàn)的機(jī)械位移換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)，主要由自動(dòng)回復(fù)彈簧、輪轂、磁鐵以及數(shù)據(jù)處理單元等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

 

由圖1可以看出，該基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統(tǒng)的拉線(xiàn)式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點(diǎn)，基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器以磁場(chǎng)為媒介，將機(jī)械位移變化轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)角度變化，一方面解決傳統(tǒng)拉線(xiàn)位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統(tǒng)高頻特性，從而確保位移檢測(cè)精度。數(shù)據(jù)處理運(yùn)算器，用于對(duì)接收到的磁敏角度信號(hào)通過(guò)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算為拉線(xiàn)的位移信號(hào)。通信接口，通過(guò)通信接口與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信，接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的命令并將采集到的位移信號(hào)反饋給應(yīng)用系統(tǒng)。從而提高了數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性和可靠性，降低了位移傳感器的應(yīng)用門(mén)檻。

 

各個(gè)部件功能描述如下：

 

（1）拉線(xiàn)的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個(gè)磁鐵連接在一起，當(dāng)拉線(xiàn)產(chǎn)生位移的時(shí)候，帶動(dòng)輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而磁鐵的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)變化的角度。拉線(xiàn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，自動(dòng)回復(fù)彈簧確保拉線(xiàn)具備一定的張力，確保拉線(xiàn)的位移與磁敏角度的比例關(guān)系。

 

（2）磁敏角度感應(yīng)器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來(lái)感應(yīng)磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，將磁敏角度運(yùn)算為拉線(xiàn)的位移。

 

（3）通訊接口，微處理器通過(guò)通信接口接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將位移信息通過(guò)通信接口返回給應(yīng)用系統(tǒng)。

 

2、硬件接口電路設(shè)計(jì)

 

數(shù)據(jù)處理單元由磁敏角度感應(yīng)器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖2所示。

 

 

通過(guò)分析圖2，磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將拉線(xiàn)位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對(duì)接收到的磁敏角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的角度，所以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線(xiàn)的位移。因此，為了能夠快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數(shù)據(jù)處理單元。輸入、輸出控制模塊負(fù)責(zé)各種對(duì)外接口的處理，如通過(guò)通信接口接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)的命令，向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果，以便能夠?qū)⑽⑻幚砥鲉卧軌驁?zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將采集結(jié)果通過(guò)接口安全可靠地發(fā)送到應(yīng)用設(shè)備，主要包含1路的RS 485和4～20 mA的電流輸出。

 

2．1磁敏角度接收接口

 

MLX90316是一種線(xiàn)性霍爾芯片，采用了平面霍爾傳感技術(shù)的單片集成傳感芯片，該芯片可以用來(lái)測(cè)量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0～360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過(guò)多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線(xiàn)性絕對(duì)位置信號(hào)，并且成本低廉、安裝簡(jiǎn)便。

 

MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，經(jīng)過(guò)14位微分型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器（DSP），再經(jīng)過(guò)16位DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D／A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出（SPI）。

 

 

由于串行通信的輸出信號(hào)直接來(lái)自于MLX90316的內(nèi)部DSP輸出，SPI輸出模式更穩(wěn)定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力。在本設(shè)計(jì)中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖3所示。在圖3中，MLX90316的SPI三根線(xiàn)與ARM LPC2136的SPl0口連接。SPI（SerialProtocol InterIace）總線(xiàn)接口是一種同步串行外設(shè)接口。這是一個(gè)4根信號(hào)線(xiàn)的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號(hào)線(xiàn)分別是：時(shí)鐘線(xiàn)（SCK）、數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)（MISO）、數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)（MOSI）和從設(shè)備使能線(xiàn)（SS）。

 

拉線(xiàn)位移傳感器接線(xiàn)圖如下：

 

 

 

以上就是關(guān)于拉線(xiàn)位移傳感器原理、設(shè)計(jì)方案、接線(xiàn)的知識(shí)介紹，賢集網(wǎng)小編友情提醒：位移傳感器安裝凸臺(tái)定位時(shí)，得用螺釘、螺母或壓板固緊在金屬板上。在安裝傳感器時(shí)，嚴(yán)禁對(duì)軸、殼體進(jìn)行車(chē)、鉆等加工，避免軸或殼體受到外界的沖擊力和壓力，軸的軸向和徑向不允許受到?jīng)_擊力和壓力(靜壓力應(yīng)小于300n)。嚴(yán)禁松動(dòng)傳感器上的螺釘，轉(zhuǎn)動(dòng)固緊環(huán)位置。位移傳感器的外部接線(xiàn)應(yīng)焊接在引出端的腰槽處，盡量不要焊在引出端的頂部。焊接時(shí)應(yīng)使用不大于45w電鉻鐵，焊接時(shí)間應(yīng)小于5秒。在焊接及未冷卻透時(shí)不應(yīng)拉動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)。

 

 

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