隨著船舶自動(dòng)化程度的日益提高 ,微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在船舶上得到日益廣泛的運(yùn)用。船舶微機(jī)自控系統(tǒng)的運(yùn)用 ,要求廣泛地運(yùn)用各種傳感器 ,并且要求傳感器與計(jì)算機(jī)的連接方便 ,數(shù)據(jù)傳輸速度快、精度高。由江蘇省無錫交通學(xué)校研制 ,并通過江蘇省課題驗(yàn)收的智能式磁致伸縮位移傳感器 ,正是滿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(yīng)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(xiàn)的。James Prescott Joule 發(fā)現(xiàn) ,當(dāng)鐵磁體受到外磁場作用而磁化時(shí) ,其磁疇結(jié)構(gòu)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)在磁場方向上的長度發(fā)生變化。這種磁效應(yīng)就稱之為磁致伸縮。
2 磁致伸縮技術(shù)的應(yīng)用
1940 年 ,磁致伸縮技術(shù)成功地應(yīng)用在潛艇聲納探測距離系統(tǒng)上。1960 年美國人Jack Tellerman向美國政府申請了磁致伸縮位移傳感器的權(quán)。目前 ,一部分飛機(jī)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(xiàn)在 :由于傳感器與單片機(jī)一體化設(shè)計(jì) ,使其具有高精度、超低溫漂、可隨意互換、安裝調(diào)試方便簡單、調(diào)零調(diào)滿只須輕按一下按鈕 ,無需反復(fù)調(diào)試等特點(diǎn) ;其內(nèi)部線路采用了當(dāng)今較*的數(shù)字電路 ,485 并行輸出接口 ,操作簡單 ,互換性好 ,有效傳遞距離達(dá)1km以上。該傳感器能直接與計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。其綜合指標(biāo)目前較為 ,是其它任何位移傳感器都無法相比的 ,在許多領(lǐng)域都可充分發(fā)揮其用途。
從國內(nèi)外同類傳感器的運(yùn)用來看 ,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(jī)行業(yè)、液壓缸體、飛機(jī)油箱油位等需要精確測量物體位移 ,并須將測量數(shù)據(jù)輸入中心控制計(jì)算機(jī)的場合。
根據(jù)船舶自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用的現(xiàn)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(rèn)為該傳感器非常適用于船舶的各種液位測量 ,以及各種閥門的開啟行程檢測等。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。閥門的開啟行程檢測主要采用電阻式、差動(dòng)式等傳統(tǒng)位移傳感器。但這些傳感器均存在著測量精度低 ,穩(wěn)定性、重復(fù)性等指標(biāo)低 ,輸出的電量是模擬量 ,輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度慢、難度大 ,數(shù)據(jù)傳輸衰減嚴(yán)重等缺陷。船舶上有許多地方需要運(yùn)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(yùn)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。船舶上閥門則更是不計(jì)其數(shù)。隨著船舶自動(dòng)化程度的提高 ,各種閥門的控制自動(dòng)化要求也越來越高。與之相應(yīng) ,對檢測設(shè)備精度的要求也越來越高。因此 ,智能式磁致伸縮位移傳感器在船舶上的應(yīng)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(dǎo)線 (磁致伸縮線) 、可移動(dòng)的磁鐵環(huán)及計(jì)算機(jī)電子部件所組成 ,是磁致伸縮原理的一種應(yīng)用 ,參見圖 1。它的工作原理 ,就是利用兩個(gè)不同磁場相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號 ,然后計(jì)算這個(gè)信號被探測所需要的時(shí)間 ,從而換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個(gè)磁場 ,一個(gè)來自于傳感器外面的移動(dòng)磁鐵 ,另一個(gè)則由傳感器內(nèi)部脈沖發(fā)生器的電流脈沖 ,沿波導(dǎo)線傳播 ,產(chǎn)生的磁場與活動(dòng)磁環(huán)的固定磁場矢量相加 ,形成螺旋場 ,產(chǎn)生瞬時(shí)扭力 ,使波導(dǎo)線扭動(dòng)而產(chǎn)生張力脈沖。由這個(gè)脈沖回應(yīng)需要的時(shí)間周期乘以一個(gè)固定速度 ,便能準(zhǔn)確地計(jì)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)位置的輸出量 ,而不是比例放大信號 ,所以不存在漂移。
該傳感器的電路由敏感元件頭、接收電路、參數(shù)校正輸入電路、計(jì)算機(jī)處理電路、顯示電路、測量參數(shù)輸出電路等組成。其電路硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。
我校研制的智能式磁致伸縮位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)為 :
線性量程：0～3 000mm
分辨率：滿量程 ×0. 05 %
重復(fù)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
溫度：- 20 ℃～ + 120 ℃
濕度：≤95 %
振動(dòng)：< 2. 3g
工作方式:連續(xù)
由于采用光電耦合器及計(jì)算機(jī)芯片和EIARS-422/485國際串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)代替了傳統(tǒng)的模擬電路,并在傳感器的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上作了一些改變,內(nèi)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(wěn)定、可靠 ,傳感器的數(shù)字傳輸距離大大加長 ,而且可以與PLC、計(jì)算機(jī)等直接通訊 ,無須配備變送器、A/D轉(zhuǎn)換器,從而使智能磁致伸縮位移傳感器組成的測控系統(tǒng)更加方便、穩(wěn)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(yīng)更多的應(yīng)用場合。
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