一文深度了解位移传感器的应用场景

传感器技术 2020-07-10

 

位移传感器种类繁多,近年来应用领域不断扩大,越来越多的创新技术被运用到传感器中, 我们通过几种在工业生产中的典型应用,来更多地了解各种不同的位移传感器。


位移传感器在盾构机中的应用




在隧道施工设备中,不同形式的盾构机,其主机的结构特点和配套设施也不相同。在一些复杂的盾构机上, 盾构机的功能是系统和多样化的。包括:机械、液压、测量和控制等多种功能。例如,在一些复合式盾构机上,就包括有开挖系统、主驱动系统、推进系统、注浆系统、液压系统等多种功能。


作为一种线性传感器,位移传感器主要用来测量线性位置上的机械位移, 在盾构机推进系统的每组油缸,都配备有位移传感器,用于测量油缸推进时的位移数据。

盾构机推进系统油缸的分组通常如下图所示分区,顶部(A组)、右部(B组)、底部(C组)、左部(D组)。其中每组油缸都单独安装有位移传感器。



在推进时,推进油缸伸出,撑靴作用到管片上提供盾构机前进的反力。油缸的压力可以独立调节,通过查看位移传感器监测到的每组油缸的推进数据,施工人员在控制室内可以实时监控每组油缸的行程和压力。通过调整每组油缸的推进压力和速度,可实现盾构机的纠偏和调向。


静磁栅位移传感器在电梯控制系统中的应用


电梯是现代建筑内关系到人民生命财产安全的重要交通工具,是楼层用以固定提升的成套设备, 它由提升曳引系统、引导系统、安全装置和电控系统组成。如何提高电梯的运行效率、降低电梯能耗以及减少机械磨损、延长电梯的使用寿命,都是非常重要的研究课题。



目前电梯的控制普遍采用了两种方式,一是采用微机作为信号控制单元, 实现电梯的自动调度和集选运行功能,拖动控制则由变频器来完成;第二种控制方式用可编程控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。 


静磁栅位移传感器在电梯控制系统中的作用是电梯平层控制的调整,电控系统是电梯的“中枢神经”, 为了使电梯具有较高的运行效率,加减速度应该有一个合适的限度,而且变化要平稳,需要有一个设计合理的电控系统。


静磁栅位移传感器由“静磁栅源”和“静磁栅尺”两部分结合使用。“静磁栅源”使用铝合金压封无源钕铁硼磁栅组成磁栅编码阵列;“静磁栅尺”用内藏嵌入式微处理器系统的特制高强度铝合金管材封装,使用开关型霍尔传感器件组成霍尔编码阵列,铝合金管材外部使用防氧化镀塑处理。“静磁栅源”沿“静磁栅尺”轴线作无接触(相对间隙宽容度和相对姿态宽容度达50mm)相对运动时,由“静磁栅尺”解析出数字化位移信息,直接产生高于毫米数量级的位移量数字信号。充分发掘嵌入式微处理器的资源,将数据更新速度提高到毫秒数量级,以便能适应5m/S以下运动速度的位移响应。


电梯平层自动控制系统的控制部分是静磁栅位移传感器,安装图如下图所示。



静磁栅源安装于电梯井道和室外层平行,每层一个,静磁栅尺安装于轿厢上,长度为1.2米,地下层安装两个静磁栅源,用于检测轿厢是否到底位和运动方向。


由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制,而楼层和轿厢的呼叫是随机的,因此,系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上,根据随机的输入信号,以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外,轿厢的位置是由静磁栅位移传感器确定,并送 PLC的计数器来进行控制。同时,每层楼设置一个静磁栅源用于检测系统的楼层信号。


采用静磁栅位移传感器实现电梯平层控制。可实现电梯控制的智能化,电梯运行舒适感好,启动、减速、平层的舒适感不因轿厢负载的变化而变化。


LVDT线性位移传感器保障燃气轮机高效运行



燃气轮机包含各种控制阀, 如调节气流或阻止气流等。这种对来自控制阀的气流进行的精确监测和控制使燃气轮机得以高效运行,同时能够最大限度减少能源浪费。制动器会移动控制阀,而反馈器件则将阀门位置信息传回燃气轮机控制系统,指明阀门的开合状态和开合程度。


虽然也考虑过使用其他技术作为反馈器件,但发电行业已标准化 LVDT 线性位移技术。LVDT 位移传感器是一个只包含几个线圈和一个亚铁芯线的简单器件,可以承受高强度的冲击和振动,即使在极脏时运行也能符合规格。激光遇到灰尘和污垢就无法发挥作用,而电容和涡电流传感器又无法测量长冲程。电位器、磁阻位移传感器和拉绳式位移传感器无法很好地满足温度、振动和本质安全要求。


LVDT 位移传感器是一个只包含几个线圈和一个亚铁芯线的简单器件,可以承受高强度的冲击和振动,即使在极脏时运行也能符合规格。


LVDT 线性位移传感器可以测量各种大小的移动,小到百万分之一英寸,这对将某些阀门移动的测量精确到微小级别至关重要。例如,由于排放阀是调节阀,因而必须打开到特定程度,具体取决于发电量。通过确认阀门已开合到适当程度,工厂能够提高运行效率,从而达到节约燃料的目的。


LVDT 线性位移传感器如今可使用合金和钛等现代材料包装,以应对燃气轮机常有的极端温度和极不稳定的环境。钴和镍等特殊合金可使 LVDT 具有更高的性能。


由于燃气轮机中存在气体蒸汽,因而安装在燃气轮机上的 LVDT 必须符合本安参数,而且必须获得美国安全检测实验室公司 (UL)、FM、CSA 和 ATEX 等认证机构的认可。即使传感器设计为在危险条件下使用,认证也能让最终用户放心,让他们知道传感器已获准在燃气轮机的诸多危险环境中使用。


在使用传感器监测燃气轮机正常运行状况或调节阀门的环境中,温度可以达到 +250°C 。这些传感器能够将位于燃气轮机控制系统上的 LVDT 电子设备与 LVDT 线圈分隔开来。


传统 LVDT 线性位移传感器的冲程一度对空间受限的应用而言过长。得益于新的计算机化绕组技术和更小的嵌入式微处理器,线性位移传感器的本体长度相较其可测量的冲程长度而言,已大幅缩短。如今的现代化 LVDT 外形尺寸减小了多达 80%,适用于任何给定的冲程 ,LVDT 位移传感器可实现较高的准确度和耐用性。


LVDT 线性位移传感器性能可靠、可重复使用、准确度高,而且成本较低,无论是在燃气轮机运行还是在工厂改造项目中皆能发挥重要作用,最大限度提高效率。


位移传感器在定量灌装机中的高精度控制


旋转式自动定量灌装机是目前饮料、酒类生产厂家大量购置的先进生产设备。采用边定量边灌装的形式:就是每一个电气联控的灌装阀都配有一个量筒,由液位传感器(浮子式)控制其定量补液和灌装,液体先由料缸转移到量筒,然后再灌注到包装容器。


这是一种动态计量定量形式,如何实现在设备高速运转的同时精确计量并控制是一个很大的挑战。 



动态计量关键技术难点是量筒内液位的精确检测,磁致伸缩位移传感器以其可靠性、高分辨率、微小的温漂值和丰富的接口信号完美地契合了精确定量灌装的技术要求,成为主流旋转式自动定量灌装机厂家的产品中标配组件。   

 

磁致伸缩传感器的高精度检测位移值通过匹配的信号接口传送到自动化控制系统参与控制,已经成熟的解决方案通常会采用模拟量信号、SSI串行同步信号和CANOpen总线信号三者之一构建系统。


 

位移传感器在娱乐动感器械中的应用


在仿真动作的娱乐动感舞台上,对位移传感器的需求也非常的多。目前,在很多城市的大型娱乐场所,从只能容纳2至3人的小型机动飞船,到几十甚至上百人的大型动感影院,到处可见。尤其是在大型的主题公园如全球的迪士尼世界、大型影城等场所。为达到机械装置安全性和稳定性的要求,这些系统基本上都是以液压推动。它们就普遍采用一些带位移传感器的长行程液压缸,随着编定好的程序作出多种不同类型和方向的动作,随着观众的身体移动,让他们体会到身临其境的真实感。



位移传感器通常被安装于在长行程的液压缸上,主要是为了实现活塞杆的精确位移,这样才能确保在对活塞的位置测量的基础上,而实现远程控制。


这种情况下,对于位移传感器的要求是能提供一个长行程,长达10米或以上的连续不断的位置测量,输出既稳定可靠,外壳又能承受户外的恶劣条件。需要注意的是,在户外安装使用时,需要对位移传感器和电缆加上适当的保护措施,以防范下雨、台风和打雷等。


性能较高的一些位移传感器,比起一些光学编码器要好的多,它不用定期重标和维护,也不需要配备冗余的传感器装置。同时,位移传感器工作寿命长,就算不幸发生故障或受到破坏,现场更换敏感元件也十分方便。


直线位移传感器在注塑机上的应用


对精密注塑机来说,位移控制是最为重要的一部分,它直接影响塑料制品的质量,而由其表征的速度也关系着制品的内在品质和生产效率。


在射胶时,用于控制射胶螺杆的位移来控制熔融物料的用量,以保证精密注塑计量准确;准确控制开锁模也是精密注塑的必要条件,若位置不够准确,则可能产生不完全合模,不能完成注塑。此外, 要严格控制注塑速度,满足密度均匀。因此,有效控制注射位置及其表征的速度对于精密注塑来说是非常重要的。


在这个循环工程中,锁合模、注射台移动、注塑和顶出制品这几个工位是需要精确控制的。 早先的应用中,电位计尺被大量的用於注塑机上,但是由於这种产品无论是在精度、可靠性、行程和寿命都远远不及磁致伸缩位移传感器,因为是接触式的,碳刷经过长时间重复使用难免磨损,最终导致失效。而磁致伸缩位移传感器精度可以满足要求,但是抗振动能力较差,幷且在安装上两端盲区较大,不适於在空间有限的工位上使用。


因此,现在的位置控制系统从技术上来说,非接触、无磨损、坚固耐用、安装方便、外型紧凑、可连接现场总线的位移传感器便是不能缺少的。


电感式直线位移传感器采用新的检测原理,不但继承了磁致伸缩直线位移传感器的众多优势,而且在抗磁场干扰、抗振动性、外型紧凑程度上都有更好表现。由於采用信号采集和处理分两个电路板的设计,使传感器输出类型的灵活性大大提高,只需换不同的信号处理电路板就能改变传感器输出类型,这使产品成本降低。目前产品的输出类型包括模拟量电流/电压型输出,SSI高分辨率输出,IO-link型输出,以及可以订制总线输出类型,如Profibus总线、DeviceNet总线、CANopen总线等。


位移传感器在激光切割中的使用


激光切割头在工件形状发生变化,以及表面出现凹凸不平的障碍时,位移传感器可以自动检测到变化,并根据变化自动调节高度,使其始终与工件表面的距离保持一致。这样可以提高加工速度,而不必持续监督。当今国内外采用的位移传感器基本上是电容式,其结构和形状与加工头相适应,同时配有检测信号处理单元。


激光头用位移式电容传感器与喷嘴体复合,传感器由内外两个不同金属锥形壳套在一起组成。内外壳层中间为陶瓷绝缘介质,外壳层选择接地且与内层绝缘,传感器工作时起屏蔽作用。锥形尖端一侧内壳层下部连接一环形金属片与外层绝缘,此环形金属片于金属工件即构成一个电容传感器的两个极板。从内壳层中引出一通道于信号采集系统相连接传感器工作时依次通过此通道,金属内壳层使发射极板(环形金属片)带电,整个探头上端于激光加工机连接,工作时激光束通过内层金属壳穿出。



在激光切割过程中,带有位移传感器的喷嘴控制着到工件的距离间隙一直,保证了工件的切割质量。


位移传感器在道路运输超载检测中的应用


对车辆超载现象的查处,采取的具体措施是,在公路的收费口处设置车辆超载检测装置。现有的装置是称重装置,用来测试车辆的载荷是否超重,但司机在交费时车辆往往不能准确停在称重装置的受力重心上,这样称出来的车辆载荷往往不准确。


基于光电位移传感器的车辆超载检测装置是从源头上检测超载及报警的装置。它能通过检测车架与车桥的距离判断车辆的载荷情况。


这套装置的系统包括:安装于车架上的至少一个位移传感器、车辆控制器、报警电路和电磁波发射模块。其中,位移传感器检测车架与车桥的距离;车辆控制器,则负责接收位移传感器的信号,并对其进行处理和输出控制信号;电磁波发射模块可以发射电磁波信号等。


现今各种位移传感器都在向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展,已被各军事、工业、农业市场所接受,广泛应用于机械、电力、发电厂、航空航天、冶金、煤炭、石油、铁路、交通、轻工、纺织、建材、水利等行业的工矿企业、科研院所、大专院校、军工单位产品开发与应用的自动测量与自动控制。


- END -



  



制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 

《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。

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