基于磁場測量的行程傳感液壓缸技術(shù)研究

現(xiàn)有的行程傳感器測量方法包括超聲位移測量方法、威德曼效應(yīng)測量方法、開度儀測量方法、活塞桿上刻標(biāo)法的測量方法和活塞桿上刻標(biāo)法?；钊麠U上刻標(biāo)尺的方法是在液壓缸活塞桿上制作標(biāo)尺、用磁傳感器進行測量,是目前的發(fā)展方向。它具有行程長、測量精度與行程長度無關(guān)、傳感器性能穩(wěn)定、價格低廉、可靠性高等優(yōu)點。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液壓缸的結(jié)構(gòu)沒有影響。這樣就不占用額外空間,不受行程長短的限制,標(biāo)尺基本上不用維護,減少了維護工作量;同時,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、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,但這些產(chǎn)品所用行程測量方法涉及的核心技術(shù)并沒有公開。本文的研究希望能開發(fā)出具有自主知識產(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、傳感器和信號處理。1磁度研究1.1表面變化情況對磁場產(chǎn)生的影響液壓缸活塞桿一般為鋼質(zhì),鋼是鐵磁性材料,在一個固定磁場中,鐵磁性材料的存在會影響磁場分布。鐵磁性材料的表面變化也會對其周圍的磁場產(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,引起的磁場變化也越小,對磁場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)加工多個平頭齒槽,再用非磁性材料進行覆蓋,就形成了一個磁性標(biāo)尺。在平頭齒槽附近建立起磁場,液壓缸運行的時候就可以使用磁敏感元件測量出平頭齒槽附近的磁場變化,通過此磁場變化可以得出液壓缸的行程值。1.2絕對編碼值的讀取磁性標(biāo)尺編碼的作用是系統(tǒng)電啟動時,運行一段很短的行程,可找到當(dāng)前的絕對行程值;在正常工作過程中,還可起到校準(zhǔn)的作用,如果發(fā)生行程計算錯誤,可以及時糾正。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,一個磁性標(biāo)尺,可看作一個二進制數(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,到達一幀的長度時都可以讀出一個絕對編碼值。這種編碼方法不用起始位、停止位和奇偶校驗位等特殊標(biāo)志位,相臨的幀除一位二進制位以外都是重疊排列的,每走一個二進制位讀出一個編碼值。例如,幀長度為3的一組編碼值如下:0001110100從右邊開始,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題是通過調(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,已可以實現(xiàn)16位編碼排列。2傳感器結(jié)構(gòu)研究2.1磁場強度的計算方法使用圖1所示的測量結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)中,使用U型永磁體作激勵磁場,永磁體的兩磁極直接對著活塞桿,永磁體產(chǎn)生的磁場大部分通過鋼質(zhì)活塞桿形成通路,磁敏感元件測量出的是活塞桿表面變化產(chǎn)生的漏磁場和磁極與活塞桿之間的間隙產(chǎn)生的漏磁場。這種方法測量出的有效磁場變化較大,通過選擇合適的磁敏感元件并調(diào)整其位置,可得到很好的測量效果。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,首先對磁路進行了理論分析。以圖1中的矩形框為磁場分析區(qū)域,這樣,就將所要分析的三維磁場,沿軸向?qū)ΨQ面簡化為二維磁場。磁路中不包含分布電流,可用磁標(biāo)勢求解,因此本問題是標(biāo)準(zhǔn)的拉普拉斯方程問題。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;M為磁化強度;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)格來分析計算。計算得到的標(biāo)量磁位等高線圖見圖2。圖2中,可以清楚地看出活塞桿上的平頭齒槽對磁場的影響情況。計算結(jié)果表明,有多種w、b、l、s參數(shù)組合可達到比較理想的效果,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,磁場越分散,探測出的磁場強度越小。槽深h越大越好,越大曲線越平滑。槽不能太寬,應(yīng)小于3mm。槽深與磁場強度之間的關(guān)系曲線見圖3。參數(shù)合理時,液壓缸位移與磁場強度的關(guān)系曲線見圖4。圖3與圖4中的縱軸表示磁場強度,每一分度表示永磁體磁極處磁場強度的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,所以在運行過程中液壓缸載荷的大小和方向的變化,會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,才能得到正確的測量值;而且,使用單一傳感器無法判斷出液壓缸活塞桿的運動方向,所以,測量時使用2個傳感器,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個傳感器所受到的間隙變化的影響是相同的。根據(jù)2個傳感器波形的變化情況可以判斷出運動的方向,并可通過自學(xué)習(xí)過程和信號處理算法去掉準(zhǔn)正弦信號振幅的影響。3ad1[s]的基本原理根據(jù)相位差為π/2的2個波形的特征,分成4個區(qū)域,示意圖見圖5,由豎線劃分的區(qū)域1、2、3、4。這樣,測量結(jié)果由三部分組成,設(shè)周期長度為L,測量點所在的周期數(shù)為X,區(qū)域為Y,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)過程中得到的幅值,通過引入這2個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)尺加工時確定的,數(shù)組DLR1[S]、DLR2[S]、ALR1[S]、ALR2[S]是學(xué)習(xí)過程中確定的,均為已知量;周期數(shù)X和區(qū)域Y可通過兩傳感器的輸出值得到;測量過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算結(jié)果值的變化可判斷出液壓缸活塞桿的運動方向。在自學(xué)習(xí)過程中,使液壓缸活塞桿勻速運行,同時對傳感器的輸出值進行曲線擬和,根據(jù)擬和誤差進行分段,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)尺和測量磁路,編制了數(shù)據(jù)處理程序,進行了實驗。實驗中,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。實驗結(jié)果見圖6和圖7。圖6是位移測量結(jié)果曲線,從測量數(shù)據(jù)來看,測量誤差可達到±0.1mm以內(nèi)。當(dāng)活塞桿反向運行時,測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)可重復(fù)。圖7是編碼校正實驗結(jié)果曲線,編碼校正實驗的目的就是檢驗在測量發(fā)生錯誤時能否根據(jù)編碼自動糾正。為了實驗,