基本内容
一、概述
傳感器輸出信号為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丢失，更無須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，就算不斷重複檢測，也不會對傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。
二、工作原理
磁緻伸縮位移（液位）傳感器，是利用磁緻伸縮原理、通過兩個不同磁場相交産生一個應變脈沖信号來準确地測量位置的。測量元件是一根波導管，波導管内的敏感元件由特殊的磁緻伸縮材料制成的。
測量過程是由傳感器的電子室内産生電流脈沖，該電流脈沖在波導管内傳輸，從而在波導管外産生一個圓周磁場，當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環産生的磁場相交時，由于磁緻伸縮的作用，波導管内會産生一個應變機械波脈沖信号，這個應變機械波脈沖信号以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。
由于這個應變機械波脈沖信号在波導管内的傳輸時間和活動磁環與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精确地确定這個距離。由于輸出信号是一個真正的絕對值,而不是比例的或放大處理的信号,所以不存在信号漂移或變值的情況,更無需定期重标。
三、産品特點及應用領域
産品特點
内部非接觸式測量
性能價格比高
多種輸出方式可供選擇
防浪湧、防射頻幹擾
不需定期标定和維護
安裝方便
高精度、高穩定性、高可靠性
使用壽命長
具有輸入電源反向極性保護功能
結構精巧、環境适應性強
隔離防爆型（可選）
應用領域（位移）
伺服液壓油缸活塞位置反饋或預置
研磨機械位置反饋或預置
木材加工定位控制
水輪機導葉開度的檢測與控制
紙張和塑料薄膜成型
擠注模具機械
吹塑
工程機械
金屬成型/剪切沖壓
其它機械定位和位移檢測
水壩閘門伺服汽缸活塞位置反饋或預置
鑄鍛機床位移控制
注塑機模闆定位與監測
汽輪機氣阻閥門開度的檢測與控制
玻璃壓制
塑料機械改造
氣動缸
鋼材滾壓
食品加工
港口機械
船舶舵機伺服系統
應用領域（液位）
可廣泛應用于石油、化工、水利、制藥、食品、飲料等行業的各種液罐的液位計量和控制，航天加油系統、汽車加油系統、柴油加油系統及各種液壓罐、水文監測、水處理等。
磁緻伸縮位移傳感器是根據磁緻伸縮原理制造的高精度、長行程絕對位置測量的位移傳感器。它采用内部非接觸的測量方式，由于測量用的活動磁環和傳感器自身并無直接接觸，不至于被摩擦、磨損，因而其使用壽命長、環境适應能力強，可靠性高，安全性好，便于系統自動化工作，即使在惡劣的工業環境下(如容易受油潰、塵埃或其他的污染場合)，也能正常工作。
此外，它還能承受高溫、高壓和強振動，現已被廣泛應用于機械位移的測量、控制中。它的行程可達3米或更長，标稱精度為0.01%F•S，行程1米以上傳感器精度可達0.02%F，S,重複性可達0.001%F•S，因此它在石油化工，航空航天、電力、水利等行業得到廣泛的應用。
磁緻伸縮現象和磁緻伸縮材料
大家都知道物質有熱脹冷縮的現在。除了加熱外，磁場和電場也會導緻物體尺寸的伸長和縮短。鐵磁性物質在外磁場的作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場後，其又恢複原來的長度，這種現象稱為磁緻伸縮現象（或效應）。此現象的機理是：鐵磁或亞鐵磁材料在居裡點以下發生自發磁化，形成磁疇。在每個磁疇内。
晶格都沿磁化強度方向發生形變。當施加外磁場時，材料内部随即取向的磁疇發生旋轉，是各磁疇的磁化方向趨于一緻，物體對外顯示的宏觀效應即沿磁場方向伸長或縮短。
磁緻伸縮材料主要有三大類：即：磁緻伸縮的金屬與合金和鐵氧體磁緻伸縮材料。這兩種稱為傳統磁緻伸縮材料。它們并沒有得到廣泛的應用：後來人們發現了電緻伸縮材料，其電緻伸縮系數比金屬與合金的大約200~300ppm，它很快得到廣泛的應用；第三大類是近期發展的稀土金屬間化合物磁緻伸縮材料，稱為稀土超磁緻伸縮材料。它是可提高一個國家競争力的材料，是21世紀戰略性功能材料。
意大利germanjet
MK4A磁緻伸縮位移傳感器
特性：
非接觸式，使用壽命長
行程50～4000mm
透過不鏽鋼接頭快速插入
滑動或浮動磁性遊标
位移及速度可直接類比輸出（mA/V)
工作溫度範圍：-30～80℃
抗震防護（DINICE68T2/6-12g)
保護等級為IP67
通過EMI/CE認證（EN50081-1/50082-1)
電源供應24Vdc±20%
遊标位置：1組或2組（最少80mm）
德國germanjet
IK4A磁緻伸縮位移傳感器
主要特征：
絕對類型傳感器
位移從50到4000mm
工作溫度：-30℃+75℃
抗振（DINIEC68T2/612g）
外形小
IP67保護等級
EMICE兼容（EN50081-250082-1）
電源電壓：24VDC±20%
電源和輸出之間的流電隔離形式可選擇
非接觸型線性位移傳感器應用磁伸縮原理，無機械電氣接觸的指針的類型可以消除損耗的問題并保證了一個幾乎沒有限制的壽命時間，有兩種磁鐵可供選擇：變
化的磁鐵指針或浮動的磁鐵指針，IK型可以作為高壓内部汽缸應用的内部安裝，（靜态350bar;過壓700bar）,它的主要特點是在振動和機械沖擊下具有良好的線性.
技術參數
測量對象:位置、速度（絕對速度），可測量1～2個位置
測量範圍:50mm～8000mm
零點可調範圍:100%F.S
輸出方式:
電流:4～20mA,最大負載電阻600Ω
電壓:0～10VDC0～5VDC,最低負載>5KΩ
精度:
分辨率:采用16BitD/A轉換，0.0015%F.S（最小1μm）
非線性:<±0.015%F.S（最小±50μm）
重複精度:<±0.002%F.S（最小±3μm）
遲滞:<0.002%F.S.
溫度系數:<0.007%F.S./℃
更新時間測量範圍:<0.5ms/m
供電電源:+24VDC±10%
工作電流:<50mA
工作溫度:-40～+85℃
儲存溫度:-40～+100℃
零點/跨度調整:100%有效行程（最小範圍25mm）
分辨率:16bit,0.0015%(最小10um)
線性度:<+0.01%滿量程(最小+50um)
重複精度:<+0.001%滿量程(最小+2.5um)
滞後:<4um
刷新周期:0.5ms達到1200mm/1.0ms達到2400mm/
紋波:2.0ms達到4800mm/5.0ms達到7600mm行程長度
速度測量:<0.01%滿量程
範圍:0.025m/s至10m/s
誤差:<0.5%
分辨率:0.1mm/s
刷新周期:（ms）見位置測量
溫度系數:<30ppm/0C
在船舶上的應用
引言
随着船舶自動化程度的日益提高,微機監控系統在船舶上得到日益廣泛的運用。船舶微機自控系統的運用,要求廣泛地運用各種傳感器,并且要求傳感器與計算機的連接方便,數據傳輸速度快、精度高。由江蘇省無錫交通學校研制,并通過江蘇省交通廳課題驗收的智能式磁緻伸縮位移傳感器,正是滿足了上述要求的新型傳感器。在這裡,作者與各位同行探讨一下智能式磁緻伸縮位移傳感器在船舶上的應用前景。
1磁緻伸縮原理
磁緻伸縮原理是由科學家JamesPrescottJoule于1842年發現的。JamesPrescottJoule發現,當鐵磁體受到外磁場作用而磁化時,其磁疇結構将發生變化,晶體的原子間距随之改變,緻使鐵磁體的體積、形狀發生變化,特别是鐵磁體物質在磁場方向上的長度發生變化。這種磁效應就稱之為磁緻伸縮。
2磁緻伸縮技術的應用
1940年,磁緻伸縮技術首次成功地應用在潛艇聲納探測距離系統上。1960年美國人JackTellerman首次向美國政府申請了磁緻伸縮位移傳感器的專利權。
目前,一部分飛機油箱的油位檢測就是采用的磁緻伸縮位移傳感器。我校研制的智能式磁緻伸縮位移傳鹹器,就是采用磁緻伸縮原理進行高精度、可超長行程測量的新型位移傳感器。其位移測量範圍為0～3000mm,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”主要體現在:由于傳感器與單片機一體化設計,使其具有高精度、超低溫漂、可随意互換、安裝調試方便簡單、調零調滿隻須輕按一下按鈕。
無需反複調試等特點;其内部線路采用了當今較先進的數字電路,485并行輸出接口,操作簡單,互換性好,有效傳遞距離達1km以上。該傳感器能直接與計算機、中央控制系統交換數據。其綜合指标目前較為領先,是其它任何位移傳感器都無法相比的,在許多領域都可充分發揮其用途。
從國内外同類傳感器的運用來看,由我校研制的智能式磁緻伸縮位移傳感器,非常适合工業自動化、汽輪發電機行業、液壓缸體、飛機油箱油位等需要精确測量物體位移,并須将測量數據輸入中心控制計算機的場合。
根據船舶自動控制技術運用的現狀,以及智能式磁緻伸縮位移傳感器的技術特點,作者認為該傳感器非常适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、差動式等傳統位移傳感器。
但這些傳感器均存在着測量精度低,穩定性、重複性等指标低,輸出的電量是模拟量,輸入計算機系統速度慢、難度大,數據傳輸衰減嚴重等缺陷。船舶上有許多地方需要運用液位傳感器,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品運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其數。随着船舶自動化程度的提高,各種閥門的控制自動化要求也越來越高。
與之相應,對檢測設備精度的要求也越來越高。因此,智能式磁緻伸縮位移傳感器在船舶上的應用前景十分光明。
3智能式磁緻伸縮位移傳感器的組成
智能式磁緻伸縮位移傳感器由外殼、不鏽鋼測杆、波導線(磁緻伸縮線)、可移動的磁鐵環及計算機電子部件所組成,是磁緻伸縮原理的一種應用。它的工作原理,就是利用兩個不同磁場相交産生一個應變脈沖信号,然後計算這個信号被探測所需要的時間,從而換算出準确的位置。
這兩個磁場,一個來自于傳感器外面的移動磁鐵,另一個則由傳感器内部脈沖發生器的電流脈沖,沿波導線傳播,産生的磁場與活動磁環的固定磁場矢量相加,形成螺旋場,産生瞬時扭力,使波導線扭動而産生張力脈沖。由這個脈沖回應需要的時間周期乘以一個固定速度,便能準确地計算出外部移動磁鐵的位移量。将外部移動磁鐵作為該傳感器的敏感元件,與實際檢測體安裝在一起,就是一個具有實用意義的位移傳感器了。同時,由于該傳感器的輸出信号是一個絕對位置的輸出量,而不是比例放大信号,所以不存在漂移。
該傳感器的電路由敏感元件頭、接收電路、參數校正輸入電路、計算機處理電路、顯示電路、測量參數輸出電路等組成。其電路硬件結構框圖如圖2所示。
圖2電路硬件結構框圖
我校研制的智能式磁緻伸縮位移傳感器主要技術參數為:
線性量程0～3000mm
分辨率滿量程×0.05%
重複精度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
工作條件要求(發送頭部分)
溫度-20℃～+120℃
濕度≤95%
振動<2.3g
工作方式連續由于采用光電耦合器及計算機芯片和EIARS-422/485國際串行數據傳輸标準電路設計代替了傳統的模拟電路,并在傳感器的結構和材質上作了一些改變,内置電子模塊采取超小型電子元件貼面焊接,從而使新型磁緻伸縮傳感器工作更加穩定、可靠,傳感器的數字傳輸距離大大加長,而且可以與PLC、計算機等直接通訊,無須配備變送器、A/D轉換器,從而使智能磁緻伸縮位移傳感器組成的測控系統更加方便、穩定,成本也大大降低。電子部件與測量頭分離一定的距離,可适應更多的應用場合。
TEU集裝箱船在該廠1号船台順利下水。該船長195.5m,型寬27.80m,型深16.80m,功率2.166萬kW,航速
22.5kn,滿載排水量3.8萬t。
26船舶動力裝置智能式磁緻伸縮位移傳感器在船舶上的應用
磁緻伸縮位移傳感器在風力發電機組上的應用
随着國内風力發電機組的制造水平的不斷提高，液壓變槳系統憑借其在性能、環境适應能力、維護成本等方面的優勢，必将得以廣泛應用。機械盤式刹車鎖緊銷方面，磁緻伸縮線性位移傳感器的應用顯着提高了鎖緊銷動作的可靠性，進而提高了整機運行的安全性。
風力發電機組的有氣動刹車和機械刹車兩種，兩種刹車裝置的結合可以徹底保證風機在各種情況下的正常工作。即使在緊急情況下也能使風機不遭到損壞。氣動刹車是由風機的漿距角調節系統實現的，在正常停車的情況下，變槳系統将槳葉驅動到空載位置，使槳葉轉子逐漸停轉，在緊急情況下，每一個槳葉分别由一個獨立的蓄電池組直接通過變矩控制器供電刹車。
作為氣動刹車的輔助手段，加入了機械盤式刹車系統，它被安置于風機的高轉速區段，在停機檢修時，氣動刹車将風機停穩後，用這個機械盤式刹車将風機刹車。氣動刹車在制動時會在發電機齒輪箱上産生巨大的制動扭矩，如果在機組停機維修時也依靠它來維持制動狀态，則會産生額外應力和不必要的摩損，由于這個原因，必須将系統緊急制動操作和維護制動操作分開。當轉子停止在預定位置時，轉子被鎖緊銷鎖定，傳動鍊制動器此時可以打開。
從而，制動器可釋放負載，否則負載将作用在傳動系上，而影響整個風力發電機組的使用壽命。鎖緊銷的動作是否可靠到位，需要通過位移傳感器來進行監測，所以在大多數的機械盤式刹車系統上的鎖緊銷都需要安裝位移傳感器。
注意事項
首先是傳感器的供電情況，如果位移傳感器供電電源容量不足，就會造成以下的情況：熔膠的運動會使合模電子尺的顯示變換，有波動，或者合模的運動會使射膠電子尺的顯示波動，造成測量誤差變大。如果電磁閥的驅動電源與直線位移傳感器供電電源共用的時候，更容易出現這種情況。
其二是調頻幹擾和靜電幹擾的問題，調頻幹擾和靜電幹擾都有可能讓直線位移傳感器的電子尺的顯示數字跳動的。所以，電子尺的信号線與設備的強電線路要分開線槽。電子尺必須強制性地接地。信号線需要使用屏蔽線，而且電箱的一段應該跟屏蔽線接地的。
如果有高頻幹擾的時候，通常使用萬用表的電壓測量就會顯示正常，但是顯示數字就是會跳動不停的；而出現靜電幹擾時，出現的情況也是跟高頻幹擾一樣的。要證明看是否是靜電幹擾時，隻需用一段電源線把電子尺的封蓋螺絲跟機器上的某一些的金屬短接起來就可以了，隻要一短接起來，靜電幹擾就會馬上消除掉。但是如果要消除掉高頻幹擾就很難用上面的方法了，可以試下暫停高頻幹擾源，看顯示結果會不會更好，以此來判斷是不是高頻幹擾的問題。
其三如果出現顯示數據有規律地跳動，或者是沒有顯示數據，技術人員就需要檢查連接線絕緣是不是出現破損的現象，并且判斷是否跟機器的外殼很有規律地接觸而導緻的對地短路。
其四位移傳感器的對中性、平行度以及角度的具體要求問題，安裝直線位移傳感器的對中性需要很好，但是平行度可以允許有±0.5mm的誤差，角度可以允許有±12°的誤差。但是如果平行度誤差和角度誤差都是偏大的話，這樣會出現顯示數字跳動的情況。那麼出現這樣的情況的時候，必須要對平行度和角度進行調整了。
最後就是位移傳感器接線問題，直線位移傳感器的三條線是不可以接錯的，電源線和輸出線是不可以調換的。如果上面的線接錯的話，就會出現線性誤差很大的情況，要控制的話是很難的，控制的精度也會變得很差，而顯示很容易出現跳動的現象等等。以上五點情況都是位移傳感器安裝使用時需要特别注意的。
故障處理
電壓和電流輸出的負載是不一樣的，電壓的負載時要求電阻越大越好，一般不要小于1，000Ω，太小時就相當于短路了，會損壞産品；電流的負載是要求電阻越小越好，一般不要大于1，000Ω，太大時就相當于開路了，沒有電流流通。所以電流輸出的負載和電壓輸出的負載限制是不一樣的而且一定要注意：電壓輸出時，負載不能短路，否則會使負荷太大，燒毀電路；而電流輸出時，負載不能開路，否則會使負載增加而燒毀電路。
這兩點一定要清楚。至于電壓輸出和電流輸出，到了機器上最終的用途還是一樣的，電壓輸出直接用電壓信号，電流信号流過電阻，在電阻上有電壓，也是取用電壓信号。
安裝接線：磁緻尺對電壓的波動可以接受，可以使用12V～36V的電源，當然穩定的供電電源還是對産品的精度更有好處，但對靜電還是要采取一些措施。除線路闆内部采取了很多措施外，傳輸線有屏蔽線（雙重屏蔽：編織網和錫包層，可以抗高、低頻幹擾），還有接地端子，必須保證可靠接地（抗靜電幹擾）。上述幾項措施缺一不可。
一般情況下，客戶的産品替換下來，可能了解原來的産品是電流型還是電壓型，但訂了貨卻不知道如何安裝。
如：原來的電壓型是五線甚至七線的，而我們的四線的（電源+、-、信号線、地線）一般棕色或紅色是直流電源正極，藍色或黑色是負極，可以用萬用表的電壓檔位測可能的正、負極之間的電壓值。
如果沒有把握，就可以在可能的正、負極之間接一個1000Ω的電阻，再測量電阻之間的電壓值，确認正負極性後，用正極分别去短路剩下的幾根線，同時看電腦顯示是否出現穩定的最大值，如果是，再用負極去短路剛才驗證的那根線，同時看電腦顯示是否出現穩定的最小值，如果是，就是信号線了。這就确定了+、-、和信号線了。
如果信号線非常難以确定，上述方法行不通，可能就是該傳感器的電源與電腦的電源沒有共地，沒有共地，就沒有一個基準值，該傳感器的電源相對電腦電源就是浮動電壓值。因此，必須将該傳感器的電源負極與電腦的電源負極短接。上述問題自然解決。這很容易出現在維修設備的過程中。其它的幾根線不要管，用電工膠綁起即可。
如果是電流型輸出的傳感器，就不能這樣實驗了。因為，電流型輸出負載不能開路，否則，容易過載損壞傳感器。對于，三線制輸出的傳感器，應該先在傳感器信号線與負極之間先接一個電阻1000Ω短路，以免誤操作時過載。在預先弄清楚正負極的情況下，接好傳感器的正負極接線，再将信号線分别與其餘幾根線短路，看有無穩定的顯示。如有，可确定信号線的接線。然後在停電的情況下，取下原來短接的那個電阻，再接好線，然後才能送電。注意信号線一定不能開路。
對于傳輸距離較長，但是電腦有需要電壓輸出信号，可以選用電流輸出信号進行傳輸，到了電腦邊再将電流信号轉換成電壓信号，方法很簡單，隻需要在輸出與電源負極之間接入一個标準的高品質電阻就可以。
由于磁緻伸縮位移傳感器的原理，從機械上講，因為是無接觸、無磨損的，所以出現故障的機會不多，除非機械損壞，磁環脫落，這從外觀就容易判斷。
如果是裝在油缸内部，磁環突然脫落，顯示數值将沒有變化。如果是停機好久才脫落，開機上電時好像在靠近電子倉端出現了一個磁環，即：正邏輯尺将會出現最小顯示數值，負邏輯尺會出現最大顯示數值。如果是可拆卸電子倉式的，可以簡單地将電子倉取下，帶電用一磁環測試即可。
從電氣上講，是有出現問題的可能。公司為了避免電氣出現問題，作了大量工作，如：選擇功耗很小的元器件使功率消耗小，如電流消耗隻有16mA，實際功率隻有不到0.4W，這樣就不會使元器件發熱、老化和損壞；還有公司，公司通過先進的工藝客服了其它各種問題，産品經嚴酷的環境測試和機械測試，均符合要求。應該在一般使用條件和環境中不會出現問題。
可能會出現的問題，諸如：數據傳輸不會運行，軟件包未安裝成功、接線錯誤、信号大小方向不對、靜電幹擾未有效接地、電流型輸出不會接線、或原來是了兩線的而我們的産品是三線制的。
