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1、关键词：磁感应位移传感器，静磁栅，磁性条形码，磁栅源，磁栅尺，旋转编码器，增量型旋转编码器，绝对型旋转编码器，直线位移传感器，陶瓷活塞杆，磁致伸缩位移传感器，闸门开度仪。磁感应位移传感器介绍静磁栅直线位移传感器属磁感应位移传感器类别，该传感器将高磁感强度稀土磁性材料定制成极性不同，宽度不一，间距不等的磁性条形码，安装到非磁性金属材料（例如铝合金、铜合金、不锈钢等）制成的磁栅源内，排布成表征连续直线绝对位移量的编码磁感应信息，提供给读取头读取，其中，读取头称为磁栅尺。整个静磁栅位移传感器令磁栅源与磁栅尺平行安装，保持适当间隙无接触相对运动，由磁栅尺准确输出位移量电信号，其中，磁栅源无需电能（无源
2、）工作，磁栅尺只需提供少量电能（有源），产品形态直观，位移传感信号无需转换。13 米短量程应用时，通常将磁栅尺制作成比量程略长，这样，可以使磁栅源比较短小，便于安装，这类传感器称之为标准量程静磁栅位移传感器；超过此量程时，则将不同位移量编码的磁栅源制作成具有相当强度的金属测量杆，再将不同编号的测量杆连续接长，使用标准长度（例如1.2米、2.4米、3.6米等）的磁栅尺读取，绝对编码量程可达数公里，这类传感器称之为长量程静磁栅位移传感器。磁感应直线位移传感器为目前世界先进位移传感器类别，虽然工作原理不尽相同，但其优点都是相同的：量程可以从很短做到很长、分辨率可以从很粗做到很细、无接触测量因而无磨损
3、、绝对编码无需掉电重校零点、直线直接测量没有转换、抗污染能力强等等。现今，几乎所有生产位移传感器的国际知名公司都争相推出自己高品质的磁感应位移传感器，如德国NOVO、德国ASM、德国 BALLUFF 、美国 MTS、意大利 GEFRAN 等，产品价格昂贵，性能优异，用户众多，应用行业宽广，足见其强大的生命力。静磁栅闸门开度仪相关应用信息水利水电工程安装使用的大型闸门起到阻挡水流和调节流量的作用，常见的闸门有弧形闸门，平板闸门，人字闸门，翻板闸门等。闸门开度是闸门运行的重要参数之一，它全程反映闸门的启闭状态，协调和保护启闭机的启停动作，也为双油缸同步运行提供依据。水利水电工程常常处于山谷河流地带
4、，大部分闸门及启闭机长时间工作在户外，部分还需置于水下工作，高温、严寒、雨露、风雪、冰冻、雷电、水中漂浮腐蚀物等形成了闸门开度仪较为严酷的使用环境。因此，众多品牌直线位移传感器在水利水电外置式闸门开度仪上成功案例不多，大部分磁感应直线位移传感器均将测量系统置于油缸内部，增加了制造成本，增大了维修的难度。但是，外置式闸门开度仪一直以安装方便，维修简便吸引着闸门启闭机制造厂家、水利水电工程业主和水利水电设计院所、闸门开度仪制造厂商等各方。仅仅由于以往的外置式闸门开度仪在适应恶劣环境方面有所差欠，始终不能令各方充分满意。因此，大家对明显提高外置式闸门开度仪环境能力的产品也长期予以关注与期待。静磁栅闸
5、门开度仪已经实现装备上百套各种门型水利水电闸门启闭机油缸的数十项成功案例，产品经过不断改进与完善，逐步取得用户的认可与好评。闸门开度检测装置现有产品分析水利水电闸门启闭机使用的油缸属大型或超大型油缸，外径一般数百毫米，长度数米至十多米。油缸本体的支承点可以设计在油缸的尾部，也可以设计在油缸的中部。尾部支承点的油缸分两只情况，当油缸运行过程中角度不改变时，尾部支承点使用固定支承点，如垂直驱动平板闸门的液压启闭机油缸；当油缸在运行过程中改变角度时，设计的支承点为重型支绞，如应用在表孔弧形闸门和深孔弧形闸门的油缸。而中部支承点的绝大多数油缸使用活动支绞，油缸运行过程中存在角度变化，如节止闸翻版闸门和
6、船闸人字闸门等。早期闸门开度检测装置非常简单，有画定标线观测的方法，有使用机械式角度码盘在弧形闸门尾部支承点显示油缸运行角度的方法，均为人工观测方法。后来，在两处工况环境开始使用增量型旋转编码器，一处是弧形闸门尾部支承点角度指示，另一处是钢丝绳卷扬启闭机连轴编码器。卷扬启闭机连轴编码器一直沿用至今，只不过将增量型旋转编码器改换为绝对型旋转编码器而已。这一阶段的技术进步体现在闸门开度信号以电信号的形式进入到闸门运行电气控制系统中，不过，检测精度比较低。八十年代中期，国外先进水利水电装备进入中国市场，其后，一种称之为“ 陶瓷活塞杆 ” 的油缸行程检测装置引起业界关注，典型制造商为德国博世力士乐公司
7、。陶瓷活塞杆制造工艺复杂，造价高昂。它在活塞杆钢材表面刻有非常细密的圆形环槽，全部圆形环槽所在的平面与活塞杆中轴线垂直并且等宽， 环槽布满活塞杆全程。 活塞杆经刻槽和整体表面处理后，再均匀喷涂陶瓷材料形成硬度高，致密性好，防腐性能优异的陶瓷活塞杆。电子行程检测装置处于油缸前端，贴近陶瓷活塞杆表面探测环槽，在活塞杆伸缩运行时，准确指示油缸行程。由于该油缸行程检测装置属增量型检测，因而必需配备不间断电源（UPS）保存数据。目前使用较为普遍的是钢丝绳式油缸行程检测装置，简称钢丝绳式开度仪。钢丝绳式开度仪工作原理非常类似于可自动回收的钢皮尺。钢丝绳式开度仪有金属外壳，钢丝绳卷绕在卷盘上，一套类似钟表发
8、条的机械机构（回弹弹簧）使得钢丝拉出后可以回缩，卷盘与旋转编码器连轴，在钢丝绳拉出和回缩的过程中带动旋转编码器作正反向转动，由旋转编码器输出转动的角度信号，再将其转换为钢丝绳伸缩的位移信号。改进型钢丝绳式开度仪在上述基本原理的基础上，增加了钢丝绳恒力伸缩卷簧，叠绕误差补偿机构，钢丝绳断丝回缩制动机构等，并使用了合金型钢丝绳。其中，恒力伸缩卷簧是一套双卷簧互补机构，使得钢丝绳拉出和缩回的过程中保持张力基本一致，张力标准一般为3公斤 8公斤。使用叠绕误差补偿系统是由于钢丝绳一旦叠绕，会产生较大的测量误差，如果叠绕无序， 会造成更大的测量误差。 假设促使钢丝绳层层整齐叠绕，并采用单层过渡轮传递钢丝绳
9、的行程，则误差明显减小，不过这样的设计使得开度仪体积偏大，结构复杂。设计钢丝绳断丝回缩制动机构是出于钢丝绳一旦折断，会以很快的速度缩回，有可能伤及近旁人员的考量。使用合金型钢丝绳则是出于防止锈蚀的目的。与钢丝绳式开度仪配套使用的旋转编码器分增量编码器和绝对编码器两种。增量编码器停电后需要重校零点操作，绝对编码器可在停电开电的任何时候反映正确开度。旋转编码器有显示精度之分，低精度编码器每圈分辩200个单元以下，高精度编码器每圈可分辩到8192个单元。旋转编码器又有单圈与多圈之分，为达到测量要求，现今用于钢丝绳式开度仪的旋转编码器普遍采用每圈分辨率4096单元的多圈绝对编码器。旋转编码器的码盘还有
10、塑料码盘和不锈钢码盘之分，其中，不锈钢码盘制造工艺复杂，质地更优。旋转编码器属标准产品，钢丝绳式开度仪为使用旋转刻度间接测量油缸行程的测量装置。钢丝绳式开度仪有外置式和内置式两种，外置钢丝绳式开度仪其钢丝绳前端固定在活塞杆吊头上，机体又有附在油缸本体安装和脱离油缸安装两种形式。机体附在油缸本体安装比较紧凑，但不够美观；脱离油缸安装的方式需要使用多个转向滑轮来过渡钢丝，安装不够方便。外置钢丝绳式开度仪的最大缺点是强度不够高，环境适应能力不够强，一套机械机构需要长期维护，难于抗拒人为因素、机械磨损、风力、冰冻、水中腐蚀漂浮物等影响，正因为如此，其后又发展了内置钢丝绳式开度仪。内置钢丝绳式开度仪最大
11、的差别是将开度仪全部或部分机构置于油缸内部，活塞杆在油缸内部无杆腔侧拉动钢丝绳运行从而带动旋转编码器旋转。内置钢丝绳式开度仪可在油缸生产的工厂环境安装成形，美观精小，减少现场安装工作量，不少设计院所乐于选型。内置钢丝绳式开度仪显著提高了环境适应能力，不过，它带来的工厂制造难度增加，现场维修不便的缺点也为各方普遍注意到。同样置于油缸内部的行程传感器还有磁致伸缩位移传感器。磁致伸缩位移传感器也是磁感应位移传感器中的一种，它的电子仓前端是长长的波导杆，波导杆上套有测量磁环。电子仓发出超声波脉冲信号沿波导杆快速传输（约每秒3000米），遇到测量磁环时因磁致伸缩效应产生回波，通过测量超声波往复所消耗的时
12、间来计算行程。磁致伸缩闸门开度仪将油缸活塞杆后部开深孔，孔口部位安装测量磁环，再将长行程磁致伸缩直线位移传感器的波导杆从油缸后部穿入活塞杆深孔内，磁致伸缩传感器电子仓密封固定在油缸后部。活塞杆移动带动测量磁环移动，与传感器波导杆产生相对位移，由此直接测量油缸行程。适应量程一般在4米以内。内置式磁致伸缩闸门开度仪可在油缸生产的工厂环境安装成形，它受环境影响小，直接输出绝对位移信号，外形美观。但其量程不够长，安装方式使得闸门的适应性受到限制，同样也有工厂制造难度高，现场维修不便的缺点。如何将静磁栅直线位移传感器用于闸门开度检测承袭外置式闸门开度仪便于安装维修的特点，显著提高环境适应能力，同时又适应
13、多种闸门形式，是静磁栅闸门开度仪的设计目标。静磁栅闸门开度仪平行安装在油缸外侧。其中，磁栅尺靠油缸前部安装，固定在油缸上；不锈钢磁栅源测量杆通过前后分布的少量的滚轮盒支承，也安装到油缸上，但可以沿油缸轻松伸缩滑动。不锈钢磁栅源测量杆后部安装有金属尾锥，以便顺利导入间隔安装的滚轮盒；不锈钢磁栅源测量杆前端通过自润滑关节轴承与活塞杆前部吊头连接。不锈钢磁栅源测量杆和磁栅尺之间始终平行保持35毫米的间隙。当油缸伸缩运动时，吊头连接装置带动不锈钢磁栅源测量杆作1：1运动，磁栅尺传感的是直接的直线位移信号，磁栅尺上的屏蔽电缆将信号传送至电气控制系统。万一出现故障，仅需拆除磁栅尺安装螺丝，拆卸信号电缆，即
14、可将磁栅尺取下维修，非常方便。静磁栅闸门开度仪产品机械结构简单坚固直观，是它可靠性得以显著提高的重要基础。静磁栅闸门开度仪突出了刚性直接测量，精度较高的特点，适应多种闸门形式，新建工程和改造工程均能配套，还可提供水下运行产品。其不锈钢磁栅源测量杆强度高、移动磨阻小、一次成形、防冰冻、防水中漂浮腐蚀物能力强；其磁栅尺外壳坚固，体积小，结构设计充分考虑了防水、防振动、防撞击、防腐蚀等机械可靠性因素，电路设计则充分考虑了防雷、防静电、防干扰、防过流、防过压、防反接等电气可靠性因素，为水利水电闸门开度测量提供了又一种新的选择。无锡江尖水利工程是江苏无锡市斥巨资建设的城市防洪八大水利枢纽之一，该水利枢纽工程使用了18 套静磁栅闸门开度仪。其中 6套行程 8600毫米，装备在 3台翻版节止闸门上，门宽接近30 米，兼顾拦蓄洪和通航功能，要求双缸严格同步运行； 12 套行程 4200毫米，装备在 12 台泵站平板闸门上，开度仪传感器始终处于城市污水浸泡，漂浮物影响的环境下工作。所有传感器直接提供24 位 SSI位移数字信号传输至法国施奈德公司PLC 的 TSX CTY 2C 模块，属静磁栅闸门开度仪在水利水电行业长期安全运行的典型应用案例。
