标题：磁致伸缩位移传感器
概述
磁致伸缩位移（液位）传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。
由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，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。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。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。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。
工作原理
磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。
由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。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。
技术参数
测量对象:位置、速度（绝对速度），可测量1～2个位置磁致伸缩位移传感器(6张)
测量范围:50 mm～8000mm
零点可调范围:100%F.S
输出方式:
电流:4～20mA,最大负载电阻 600Ω
电压:0～10VDC 0～5VDC,最低负载>5KΩ
精 度:
分辨率:采用 16Bit D/A 转换，0.0015%F.S（最小1μm）
非线性:<±0.015%F.S（最小±50μm）
重复精度:<±0.002%F.S（最小±3μm）
迟 滞:<0.002%F.S.
温度系数:<0.007%F.S./℃
更新时间测量范围:<0.5ms/m
供电电源:+24VDC±10%
工作电流:<50m A
工作温度:-40～+85℃
储存温度:-40～+100℃
零点/跨度调整:100%有效行程（最小范围25mm）
分辨率:16bit,0.0015%(最小10um)
线性度:<+0.01%满量程(最小+50um)
重复精度:<+0.001%满量程(最小+2.5um)
滞 后:<4um
刷新周期:0.5ms达到1200mm/1.0ms达到2400mm/
纹 波:2.0ms达到4800mm/5.0ms达到7600mm行程长度
速度测量:<0.01%满量程
范 围:0.025m/s至10m/s
误 差:<0.5%
分辨率:0.1mm/s
刷新周期:（ms）见位置测量
温度系数:<30ppm/0C
结构材质
测杆结构:刚性测杆结构、外置一体式结构；
测杆材质:不锈钢 316、铝型材
测杆耐压:≤34MPa（位移）；液位：由所选浮子承压决定
电子仓外壳:铝合金
安装接口:螺纹连接、固定座
出线方式:直出电缆线、航空插头
防护等级:IP65（可根据要求定制 IP67 或 IP68）产品特点* 内部非接触式测量
* 性能价格比高
* 多种输出方式可供选择
* 防浪涌、防射频干扰  磁致伸缩的工作原理图[1]* 不需定期标定和维护
* 安装方便
* 高精度、高稳定性、高可靠性
* 使用寿命长
* 具有输入电源反向极性保护功能
* 结构精巧、环境适应性强
* 隔离防爆型（可选）应用领域* 伺服液压油缸活塞位置反馈或预置
* 研磨机械位置反馈或预置
* 木材加工定位控制磁致伸缩位移传感器(4张)
* 水轮机导叶开度的检测与控制
* 纸张和塑料薄膜成型
* 挤注模具机械
* 吹塑
* 工程机械
* 金属成型/剪切冲压
* 其它机械定位和位移检测
* 水坝闸门* 伺服汽缸活塞位置反馈或预置
* 铸锻机床位移控制
* 注塑机模板定位与监测
* 汽轮机气阻阀门开度的检测与控制
* 玻璃压制
* 塑料机械改造
* 气动缸
* 钢材滚压
* 食品加工
* 港口机械
* 船舶舵机伺服系统应用领域可广泛应用于石油、化工、水利、制药、食品、饮料等行业的各种液罐的液位计量和控制，航天加油系统、汽车加油系统、柴油加油系统及各种液压罐、水文监测、水处理等。
磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用内部非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下(如容易受油溃、尘埃或其他的污染场合)，也能正常工作[01]。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。它的行程可达3米或更长，标称精度为0.05% F·S，行程1米以上传感器精度可达0.02% F，S,重复性可达0.002% F·S，因此它在石油化工，航空航天、电力、水利等行业得到广泛的应用。
磁致伸缩现象
大家都知道物质有热胀冷缩。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长和缩短。铁磁性物质在外磁场的作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。此现象的机理是：铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化，形成磁畴。在每个磁畴内。晶格都沿磁化强度方向发生形变。当施加外磁场时，材料内部随即取向的磁畴发生旋转，是各磁畴的磁化方向趋于一致，物体对外显示的宏观效应即沿磁场方向伸长或缩短。
磁致伸缩材料主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料。这两种称为传统磁致伸缩材料。它们并没有得到广泛的应用：后来人们发现了电致伸缩材料，其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛的应用；第三大类是发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。
磁致伸缩全球领航者-美国mts位移传感器 MTS系统公司成立于1966年，是全球第一家开拓磁致伸缩测量技术的公司，在美国NASDAQ独立上市，其总部位于美国明尼苏达州，是全球最大的高性能和高精度力学性能测试、模拟系统和位移传感器的制造商。其产品和服务主要应用于科研、产品开发、质量控制等领域，范围涉及试验设备、分析软件和优秀工程解决方案咨询，客户涉及国际各大汽车、飞机制造商、国家及高校科研机构，例如奔驰、丰田、通用、福特、大众、波音、空中客车及国际各大知名高校科研机构、试验室。自上世纪七十年代后期进入中国市场以来，中国许多顶级的国家科研机构、重点高校和大型企事业单位就引进了许多MTS测试和模拟系统、软件，如中科院的许多科研所、航空航天研究所、清华大学、上海交通大学、同济大学等国内外知名科研机构在改革开放的初期就与MTS建立了合作关系。在工业界，宝钢、上海大众、上海通用、一汽集团、二汽集团、奇瑞等知名企业也早已成为MTS的重要用户。
美国 MTS磁致伸缩位移传感器适用于高温、高压和强振荡等极其恶劣的工况，其绝对式输出很好地解决了断电归零问题，由于敏感元件都是非接触式、无磨损运行，平均无故障时间长达23年。
满足各种需求和预算的解决方案
MTS 解决方案和服务体现了最先进的技术和最高的行业水平。无论您的需求是否复杂、是否频繁，MTS都会竭诚为您提供高品质的创新型测试服务。随着测试需求的不断增加，MTS时刻准备为您提供所需的解决方案和技术支持，帮助您维持较高的工作效率。
来自业内专家的创新性建议
由于众多知名专家的加入，MTS 团队在产品研发领域始终保持领先地位。这些业界精英代表客户从事各种科研和行业活动，从而更深入地了解客户所面临的挑战并能提出相应的创新解决方案。
Temposonics® R-系列
一个高精度、快速、同步位置控制的智能传感器系列。适合要求高的机械自动化控制应用。输出模式包括：
模拟的电压与电流、SSI 同步串行数字、DeviceNet、CANbus、Profibus、Interbus 和 EtherCAT总线。更可提供位置和速度双输出，以及多重位置同步测量。
Temposonics® G-系列
可编程和内置诊断功能的传感器系列。适合一般的机械自动化应用，输出模式有：模拟的电压与电流、数字的 Start / Stop 和 PWM 脉冲。
G-系列与旧型的 T2 和 L-系列传感器提供接近百分百的兼容性。在替代互换旧型号上绝对没有问题。
Temposonics® E-系列
E-系列传感器，为用户提供了非常实用的绝对值位移反馈信号，性价比极高。标准输出方式有：模拟的电压与电流以及数字的 Start / Stop 脉冲等。
E-系列还能提供多元化的安装方式，最适合机床行业使用。
Temposonics® L-系列
*LD2 型为专业产品，用户必须先征求MTS同意寸能选购。
Temposonics® M-系列
M-系列位移传感器提供快速的测量，超强的重复精度和长期稳定的性能，非常适合行走机械中的电液动力系统应用。不只应用在工业车辆上，同时也被大量的应用于农林业机械设备，如翻土机和收割机等。
磁致伸缩位移传感器的研制
磁致伸缩位移传感是利用磁致伸缩效应研制的传感器。该传感器可以实现非接触、绝对式测量，具有高精度、大量程的特点，特别是由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器可应用在恶劣的工业环境，如易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。此外，传感器能承受高温高压和高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以即使电源中断重接也不会对数据收构成问题，更无尖重新调整零位。由于传感器组件都是非接触的，所以即使测量过程理不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。
研制中涉及的关键技术有：
（1）大电流周期激发电路的设计；
（2）微弱信号的检测、信号的滤波、放大、电压比较、峰值检验波、电压限幅等一系列电路的设计；
（3）基于单片机的高精度时间量测量。技术要求：测量范围0～8cm，精度0.1mm。测量范围不是很大，主要是受到实验所用波导钢丝本身长度的限制。
1位移传感器的原理
磁致旋转波位移传感器，  如图1所示。除位置磁铁外，所有其他元器件都安装在传感器壳体内，
组成传感器的主体。位置磁铁通常装在一个运动部件A上，
而传感器主体则装在一个固定的部件B上。
传感器工作时，电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为T的激励脉冲电流ie该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。根据Widemanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，使波导钢丝产生磁致弹性伸缩，即形成一个磁致旋转波。磁致旋转波的传播速度为
  式中：G为波导管的剪切弹性模量；ρ为波导管密度。
由于G和ρ均为恒定（对于一定的波导管来说）的，所以传播速度也恒定。经过计算该旋转波沿着波导钢丝以2 800 m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器时被转换成电信号ua·通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间tL就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样，当部件A和B产生相对运动，通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。
在波导钢丝的另一端，磁致旋转波将通过减波元件被大大削弱，以避免反射的波形对测量精度造成影响。波反射器是用于改善电信号ua的波形和加强电信号的大小。
2位移传感器的结构
根据这个原理，设计了总体的电子信号系统方案来检测这个磁致旋转波并送人到MCS51微型计算机处理。数字信号处理系统如图2所示。
(1)产生一个周期激励脉冲电流，该脉冲输入波导钢丝，以便围绕波导钢丝形成一个周期脉冲磁场。该脉冲的周期和宽度应通过微处理器编程来调节。为了获得较强的脉冲磁场，激励脉冲应具有足够的能量，即足够的电流。
3传感器性能指标测试及结果
为了给传感器系统进行定标，搭建了测试平台。测试平台由传感器主体、位置磁铁、螺旋测微器、印制电路板、LCD、FDPS-50BA型电源（输人220V，输出±15V,5 V)组成。
在搭建的平台上面对传感器的性能进行测量，主要包括传感器的线性度，迟滞和重复性。
3.1 传感器线性度
测量：在传感器测量整个0～80mm范围内，旋动螺旋测微器分别每隔5mm记一组数据，位置磁铁相应移动，连续取测量数据20组，如图3。
  线性度的指标公式为  式中：el为非线性误差（线性度）；△max为最大非线性绝对误差；YFS为输出满量程。
  从图3可知，采用最小二乘法拟合直线的斜率为0.992，直线方程为Y = 0.15784+0. 992X，因此在0~80 mm范围内的线性度为0.387%。
3.2 传感器迟滞
将螺旋测微器在传感器的正反两个方向量程内来回移动，测量范围为0～80mm，测到的数据如图4。其中有正向测量和反向测量数值（每隔5mm测量1次），以及正反方向测量的差值△H。
由迟滞误差公式
  式中△Hmax为正反行程输出最大差值。
从图4知，△Hmax=0.41，而rH=0.256%。
3.3 传感器重复性
图5是传感器在正行程和反行程测量各测2次的数据，其中还计算了重复性偏差。根据式（2）可计算出0～80mm满量程的重复性误差指标el=±0.287%.。
  3.4 传感器其他静态特性
3.4.1 传感器的分辨力
经过测试系统测试，移动螺旋测微器±0.056mm，传感器LCD显示值改变±0.056mm。
3.4.2 稳定性
在测试时，将传感器设定在一固定点，然后分别在4h读取数据1次，测得值分别为31.62 mm, 31.56 mm, 31.56nm, 31.62mm。稳定性误差为0.06mm。传感器通、断电几次后在此位置读数，仍旧为31.62，验证了磁致伸缩传感器不受掉电影响。
温度稳定性是指传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。测量传感器温度稳定性时，分别在房间温度为15℃和室外温度为1℃测量，读数变化为0.06 m，即温度稳定性误差为0.06 mm。
3.4.3 测试系统灵敏度
移动螺旋测微器0.05mm，测到传感器LCD屏上变化0.056mm，此测试系统的灵敏度为1.12。
综上，经过实验测得传感器的静态特性，可知传感器的线性度为0.387%，迟滞误差为0.256%，重复性误差为±0.287%,分辨力为0.056mm。磁致伸缩位移传感器的自身精度很高，理论可以达到μm级，实际分辨力只有0.056mm。
4结束语
在搭建的平台上对磁致伸缩位移传感器进行了进一步的误差分析。误差主要还是在传感器的一些性能指标上。磁致伸缩传感器的主体部分及位置磁铁开发与研制，经实验测试，结果理想，位置磁铁在传感器不同的位置都有一不同的信号反_映。信号处理电路中占空比可调的脉冲激发控制信号电路部分设计，经实际的电路调试结果理想。脉冲激发电路用不同方案设计并综合考虑到实际电路实现，在ORCAD上模拟效果理想。进一步提高精度有几种方案。比如用DSP芯片来测量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，时钟周期t=1/40M=25ns, DSP无需分频，则位移分辨率为70μm,也可以用复杂可编程逻辑器件（CPLD），它具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点，CPLD可实现系统编程，而且能重复多次，使用CPLD器件进行开发，不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性，而且还可大大缩短产品的设计周期。磁致伸缩位移传感器技术必将广泛应用于我国的各项工业领域中。