基于磁场测量的行程传感液压缸技术研究

基于磁场测量的行程传感液压缸技术研究

现有的行程传感器测量方法包括超声位移测量方法、威德曼效应测量方法、开度仪测量方法、活塞杆上刻标法的测量方法和活塞杆上刻标法。活塞杆上刻标尺的方法是在液压缸活塞杆上制作标尺、用磁传感器进行测量,是目前的发展方向。它具有行程长、测量精度与行程长度无关、传感器性能稳定、价格低廉、可靠性高等优点。这种方法是将标尺刻于液压缸活塞杆体上,覆盖上非铁磁性镀层后对液压缸的结构没有影响。这样就不占用额外空间,不受行程长短的限制,标尺基本上不用维护,减少了维护工作量;同时,由于磁性传感器置于液压缸出杆侧端盖上,传感器不受压力高低的限制,而且维护、维修方便。这种标尺的间隔较宽,槽深较深,加工成本低。传感器可安装在液压缸的高压腔以外。国外已有这种形式的液压缸产品出现,并得到了一定的应用和好评,但这些产品所用行程测量方法涉及的核心技术并没有公开。本文的研究希望能开发出具有自主知识产权的行程传感液压缸产品。这种行程传感液压缸技术主要包括磁性标尺、传感器和信号处理。1磁度研究1.1表面变化情况对磁场产生的影响液压缸活塞杆一般为钢质,钢是铁磁性材料,在一个固定磁场中,铁磁性材料的存在会影响磁场分布。铁磁性材料的表面变化也会对其周围的磁场产生影响,这种影响与表面变化情况有关。在一定范围内,表面变化的曲率越小,引起的磁场变化也越小,对磁场影响最大的是平头齿槽。在液压缸活塞杆上,以平头齿槽的宽度为间距,在活塞杆的行程范围内加工多个平头齿槽,再用非磁性材料进行覆盖,就形成了一个磁性标尺。在平头齿槽附近建立起磁场,液压缸运行的时候就可以使用磁敏感元件测量出平头齿槽附近的磁场变化,通过此磁场变化可以得出液压缸的行程值。1.2绝对编码值的读取磁性标尺编码的作用是系统电启动时,运行一段很短的行程,可找到当前的绝对行程值;在正常工作过程中,还可起到校准的作用,如果发生行程计算错误,可以及时纠正。使用两种不同深度的槽,把深槽和浅槽分别看作0和1,这样,一个磁性标尺,可看作一个二进制数串,从而提出了一种编码形式,即帧重叠编码。所谓帧重叠编码方法,是以任何一位作为起始位,到达一帧的长度时都可以读出一个绝对编码值。这种编码方法不用起始位、停止位和奇偶校验位等特殊标志位,相临的帧除一位二进制位以外都是重叠排列的,每走一个二进制位读出一个编码值。例如,帧长度为3的一组编码值如下:0001110100从右边开始,分别以第1位,第2位,…,第8位为起始位,向后一帧(3位二进制位),读出的数依次为0,1,3,7,6,5,2,4。这种编码方法的主要问题是通过调整每一位,使读出的编码不重复。排列成功的8位编码如下:00000000111111110111111001111101011111000111101101111010011110010111100001110111011001110101011101000111001101110010011100010111000001101101011011000110101001101001011010000110011001010110010001100010011000010110000001010101000101001001010000010010000100010000000目前,已可以实现16位编码排列。2传感器结构研究2.1磁场强度的计算方法使用图1所示的测量结构,这种结构中,使用U型永磁体作激励磁场,永磁体的两磁极直接对着活塞杆,永磁体产生的磁场大部分通过钢质活塞杆形成通路,磁敏感元件测量出的是活塞杆表面变化产生的漏磁场和磁极与活塞杆之间的间隙产生的漏磁场。这种方法测量出的有效磁场变化较大,通过选择合适的磁敏感元件并调整其位置,可得到很好的测量效果。本磁路主要参数包括磁性标尺的槽深h,槽宽b,磁极宽度w,两磁极之间的间距l,磁敏元件中心与一侧磁极的距离s。为确定各参数的值,首先对磁路进行了理论分析。以图1中的矩形框为磁场分析区域,这样,就将所要分析的三维磁场,沿轴向对称面简化为二维磁场。磁路中不包含分布电流,可用磁标势求解,因此本问题是标准的拉普拉斯方程问题。在包含永磁体的区间,方程为ᐁ2φi=-ᐁ·M(1)其它区间的方程为ᐁ2φj=0(2)式中,φ为磁标势;M为磁化强度;i为包含永磁体的区间;j为不包含永磁体的区间。根据式(1)、式(2),采用超松弛方法,用正方形网格来分析计算。计算得到的标量磁位等高线图见图2。图2中,可以清楚地看出活塞杆上的平头齿槽对磁场的影响情况。计算结果表明,有多种w、b、l、s参数组合可达到比较理想的效果,各参数之间有规整关系的参数组合为w=(n+0.5)bl=(2m+0.5)bs=mb⎫⎭⎬⎪⎪(3)w=(n+0.5)bl=(2m+0.5)bs=mb}(3)n、m为正整数,n、m不能太大,越小越好,n、m越大,磁场越分散,探测出的磁场强度越小。槽深h越大越好,越大曲线越平滑。槽不能太宽,应小于3mm。槽深与磁场强度之间的关系曲线见图3。参数合理时,液压缸位移与磁场强度的关系曲线见图4。图3与图4中的纵轴表示磁场强度,每一分度表示永磁体磁极处磁场强度的1‰。2.2传感器间隙的变化由于液压缸的端盖与活塞杆之间存在间隙,所以在运行过程中液压缸载荷的大小和方向的变化,会使液压缸活塞杆与传感器之间的距离产生变化,此变化对传感器的输出有着非常大的影响,必须设法消除这种影响,才能得到正确的测量值;而且,使用单一传感器无法判断出液压缸活塞杆的运动方向,所以,测量时使用2个传感器,沿轴向直线布置,距离尽量靠近,使它们的输出相位差为π/2奇数倍,这样,2个传感器所受到的间隙变化的影响是相同的。根据2个传感器波形的变化情况可以判断出运动的方向,并可通过自学习过程和信号处理算法去掉准正弦信号振幅的影响。3ad1[s]的基本原理根据相位差为π/2的2个波形的特征,分成4个区域,示意图见图5,由竖线划分的区域1、2、3、4。这样,测量结果由三部分组成,设周期长度为L,测量点所在的周期数为X,区域为Y,偏移量为Z,则液压缸的行程STR为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分别为传感器1和传感器2的A/D转换值;S为在学习过程中的分段位置;DLR1[S]、DLR2[S]分别为传感器1和传感器2在学习过程中得到的直流分量值;ALR1[S]、ALR2[S]分别为传感器1和传感器2在学习过程中得到的幅值,通过引入这2个值可消除液压缸活塞杆与传感器之间的间隙的影响。L为标尺加工时确定的,数组DLR1[S]、DLR2[S]、ALR1[S]、ALR2[S]是学习过程中确定的,均为已知量;周期数X和区域Y可通过两传感器的输出值得到;测量过程中只需要两传感器的输出值。而且,根据传感器输出值所在的域之间变化和计算结果值的变化可判断出液压缸活塞杆的运动方向。在自学习过程中,使液压缸活塞杆匀速运行,同时对传感器的输出值进行曲线拟和,根据拟和误差进行分段,记录分段位置、相应分段的幅值和直流分量。4结果曲线与编码校正制作了磁性标尺和测量磁路,编制了数据处理程序,进行了实验。实验中,磁敏传感器使用集成线性霍尔元件DN6835,使用10位A/D转换器,显示分辨率0.01mm。实验结果见图6和图7。图6是位移测量结果曲线,从测量数据来看,测量误差可达到±0.1mm以内。当活塞杆反向运行时,测量结果在误差范围内可重复。图7是编码校正实验结果曲线,编码校正实验的目的就是检验在测量发生错误时能否根据编码自动纠正。为了实验,