摘要：本文列舉了幾種常用的位移傳感器在長行程位移控制方面的情況，在分析比較各種位移傳感器原理與特點及其局限性的基礎(chǔ)上，詳細解說了靜磁柵長直線型位移傳感器的特點。靜磁柵位移傳感器構(gòu)思奇特,位置檢測直接,理論上無壽命極限。

關(guān)鍵詞：靜磁柵 傳感器 長直線 位移 控制 PLC

物體位移的檢測與控制一直是工業(yè)界最常用、最基礎(chǔ)的定位手段?，F(xiàn)階段產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和性能上已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，功能更加完善，可靠性更高，并向著自動化和智能化方向發(fā)展；位移檢測產(chǎn)品的性能主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時性、耐用性和自動化水平程度等方面。
● 靜磁柵位移傳感器簡介
靜磁柵位移傳感器，是武漢瑩佳科技發(fā)展有限責(zé)任公司在消化吸收世界最先進磁位移傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上研制生產(chǎn)的新型高可靠位移傳感器產(chǎn)品，它一問世就受到冶金、機械，石化、運輸，水利等行業(yè)的普遍青睞，使用該技術(shù)所生產(chǎn)的通用位移傳感器、液位計、閘門開度儀、行車行程檢測儀、油缸行程檢測儀等在惡劣工業(yè)環(huán)境中廣泛運用，其無接觸位移測量方式適用于極寬的量程范圍，彌補了進口產(chǎn)品價位高、售后服務(wù)不完善，環(huán)境適應(yīng)能力差，量程局限，訂貨周期長等缺陷，能與多類自動控制系統(tǒng)接口。本靜磁柵位移測量技術(shù)借用“游標(biāo)卡尺差分刻度測微”原理，依靠霍爾線陣列群動效應(yīng)，解析數(shù)字化絕對位移編碼，準(zhǔn)確可靠，該項原創(chuàng)性新技術(shù)的商品化進程非常迅速。
一、 靜磁柵位移傳感器原理
1、靜磁柵位移傳感器由“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”兩部分結(jié)合使用?！办o磁柵源”使用鋁合金壓封無源釹鐵硼磁柵組成磁柵編碼陣列；“靜磁柵尺”用內(nèi)藏嵌入式微處理器系統(tǒng)的特制高強度鋁合金管材封裝，使用開關(guān)型霍爾傳感器件組成霍爾編碼陣列，鋁合金管材外部使用防氧化鍍塑處理。
2、“靜磁柵源”沿“靜磁柵尺” 軸線作無接觸（相對間隙寬容度和相對姿態(tài)寬容度達50mm）相對運動時，由“靜磁柵尺”解析出數(shù)字化位移信息，直接產(chǎn)生高于毫米數(shù)量級的位移量數(shù)字信號。充分發(fā)掘嵌入式微處理器的資源，將數(shù)據(jù)更新速度提高到毫秒數(shù)量級，以便能適應(yīng)5m/S以下運動速度的位移響應(yīng)。直接測量物體位移和角度，普通分辨度1毫米，目前最高分辨度可達0.2毫米，最高測長可達2公里。機理有如“游標(biāo)卡尺”，游標(biāo)卡尺1毫米的刻度可以辨別出0.02毫米，其分辨率提高了50倍。磁柵編碼陣列間距和霍爾編碼陣列間距不同，有如游標(biāo)卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再經(jīng)過一套反復(fù)推演的算法，使得靜磁柵絕對編碼器的分辨率可達0.2毫米或者更
3、“空間靜磁柵”顧名思義是永久磁鐵通過空間被細分的柵片狀的作用區(qū)無接觸地對位移測量裝置產(chǎn)生作用，磁場的作用區(qū)能細分為0.2mm厚薄的有相當(dāng)寬度的柵片狀空間，“空間柵片”有非常固定的編號，在失電投電不斷轉(zhuǎn)換的過程中，或在永久磁鐵離開又回到作用區(qū)時，均能正確地反映探測的位置或角度，真正做到了“絕對編碼”。通俗的講就是霍爾編碼陣列元件只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。由于物理位置不同，每只霍爾開關(guān)元件含有不同的位置信息，通過計算機高速掃描辨識，實現(xiàn)了“空間直線位置絕對編碼”，無論量程多長，只要保證安裝精度，就能獲得非常小的示值誤差?；静皇芡饨鐪囟取穸?、雜散磁場、電磁干擾等因素影響。
4、配套的顯示控制器可以實現(xiàn)常規(guī)位移控制功能，現(xiàn)場顯示調(diào)校功能和數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換功能集成其間，不僅可現(xiàn)場調(diào)定參數(shù)，直接實施位置閉環(huán)控制，而且其通訊接口還可提供I2C、RS485、RS422、SSI、CAN、PROFIBUS等多種硬件形式以利上位機直接采集數(shù)據(jù)。如果掛接現(xiàn)場總線，又可望直接與變頻調(diào)速器聯(lián)機使用。在短距離測控方面（例如短于2米），提供4～20mA或1～5V標(biāo)準(zhǔn)信號。
二、靜磁柵位移傳感器詳述
1、產(chǎn)品綜合特點：
1.1、使用壽命長：無接觸檢測位置及角度，避免了機械損傷，理論上無壽命極限。
1.2、抗惡劣環(huán)境：－40℃至＋100℃工作溫度范圍，連續(xù)高粉塵、泥漿、水下(中南國家計量測試中心測試該產(chǎn)品可在水下1000m運行，測試證書編號：力 字第04411486 號)及高撞擊、強振動工作環(huán)境。
1.3、直接絕對型測量：直接指示位移毫米數(shù)或旋轉(zhuǎn)角度數(shù)，無需換算，不怕掉電，任意定位控制
1.4，量程極長，分辨率適中:260毫米-2000米長度量程，分辨率0.2mm；全向360度角度量程，分辨率0.1度。
1.5、極豐富的數(shù)據(jù)接口：有NBK三種方式，N方式為內(nèi)置方式,可提供1－5V、4-20mA等標(biāo)準(zhǔn)模擬信號和I2C、RS485、RS422三種數(shù)字信號。B方式為帶專用變送器方式,可提供標(biāo)準(zhǔn)模擬信號和更豐富的數(shù)字信號如I2C、RS485、RS422、SSI、高速并行輸出、Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet、CANopen、InterBus、ControlNet、ASI、PF、Modbus等。K方式為帶專用顯示控制器方式，除了具有B方式的全部接口外還具有顯示位置、閉環(huán)控制和通訊轉(zhuǎn)換等多種功能，可以形成獨立的顯示控制系統(tǒng)。
1.6、安裝維護方便:在保持適度間隙的條件下,無約束安裝運行。
2、產(chǎn)品外觀說明
2.1、靜磁柵位移傳感器：

產(chǎn)品基本參數(shù)：
①、靜磁柵尺為特制鋁合金“A”管型（截面尺寸52 mm *35mm，80mm安裝唇邊），最長尺寸為4200 mm，有效檢測長度250 mm~4000 mm。
②、靜磁柵源使用鋁合金壓封無源釹鐵硼磁柵，截面尺寸120*25*20mm。
③、電纜長度：2000mm。
④、分辨率：1mm（0.2mm、0.5mm、1mm 、2mm、5mm）
⑤、尺原分離式作用間隙：0~10mm（最大可達0~50mm）
⑥、輸出接口：RS485數(shù)字輸出（模擬輸出1-5V，4-20Ma、總線型數(shù)字輸出）
⑦、環(huán)境使用溫度：-10℃~85℃
⑧、封裝形式：普通防水型（深水耐壓型）
⑨、使用條件：環(huán)境：IP69(水下)， -10℃～＋85℃，振動：全向振幅±5mm, 5～200Hz，加速度：全向 50g , 1次/分鐘
2.2、顯示控制器：



顯示控制器基本參數(shù)：
①、顯示控制器外形尺寸130 mm *100mm*55mm、140 mm*100 mm *65 mm
②、基本功能為顯示實時位置信號，擴充功能：通訊制式轉(zhuǎn)換，定位（同步）控制單尺、雙尺、四尺
③、接線端子為萬可 WAGO
④、可獨力實現(xiàn)位置閉環(huán)控制，設(shè)置存貯中心位置值、
3、靜磁柵位移傳感器
靜磁柵位移傳感器屬無接觸直接測量型位移傳感器，“靜磁柵源”嵌裝多組編碼釹鐵硼磁柵，“靜磁柵尺”使用5mm厚特制鋁合金管材封裝，有很高的防震和防水等級（IP69）?！办o磁柵源”和“靜磁柵尺”在商品運輸和儲存過程中可以自由分離。安裝好的傳感器當(dāng)“靜磁柵源”沿“靜磁柵尺”探測面軸線移動時，由“靜磁柵尺”中的霍爾磁柵陣列感測出分辨度為0.2~5mm的數(shù)字化位移信號。
特別令人感興趣的是，霍爾磁柵陣列僅僅對“靜磁柵源”沿“靜磁柵尺”探測面軸線的移動量敏感，而對“靜磁柵源”的側(cè)移量，上下移動量，三維各方向上的傾斜量和環(huán)境溫度，工作電壓等因素均不敏感。這樣，就帶來了一系列的好處。首先，該新型位移傳感器不僅容易安裝，而且在安裝和運行上給出了寬容的條件：以分辨度為1mm的傳感器為例，“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”探測面之間的間隙在1mm~15mm之間均能可靠工作，“靜磁柵源”在安裝中有所側(cè)移或有所傾斜均無妨；設(shè)備運行過程中，“靜磁柵源”發(fā)生除軸線方向以外的偏側(cè)也無妨。其次，溫度，濕度等許多外界條件的變化幾乎不影響傳感器的正常工作。這些都是在工業(yè)現(xiàn)場有價值的特點。
由于使用空間靜磁柵感應(yīng)原理和永久磁鋼，該傳感器不適合于使用在特強磁場和周邊有大量顆粒，粉末狀鐵磁材料的場合，如需使用，必須加以防護措施。
有了顯示控制器，靜磁柵位移傳感器器將成為一套集位置傳感，位置控制與位置顯示為一體的嵌入式計算機裝置。它能獨立實現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場對位置顯示和控制的要求，也能與工業(yè)控制計算機，變頻調(diào)速器和PLC等協(xié)調(diào)工作。顯示控制器也使用在無需位置控制而僅僅需要顯示位置的場合。顯示控制器為戶內(nèi)安裝型。
位置控制的整個環(huán)節(jié)中，位置設(shè)定，定位指令給定和驅(qū)動控制是三個主要環(huán)節(jié)。例如，移動的送料車需要在A處裝料，在B處等候，在C處卸料，這A，B，C三處就是我們所關(guān)心的定位點（senter），我們能將這些定位點長期儲存在控制器中。實際工業(yè)控制中，A，B，C三處應(yīng)設(shè)定一段有一定寬度的被稱之為“定位精度”（calibrate）的小區(qū)間。物體運動存在慣性，還應(yīng)選擇一個合適的停車（減速）點（little）更為合理。物體在接近目標(biāo)時，我們或許希望用“點動”（pulse）方式讓它更準(zhǔn)確地到位。上面所描述的控制功能均可通過在按鍵面板上選擇性地一一調(diào)試儲存來實現(xiàn)。
4、靜磁柵位移傳感器兩種測量方式
4.1、直線型方式：



上圖為靜磁柵位移傳感器的工作情景。圖中1 釹鐵硼永磁鋼型無源“靜磁柵源”，圖中2 有源“靜磁柵尺”，H為尺源間隙。
直線型方式使用一根靜磁柵尺，一個靜磁柵源。靜磁柵源在靜磁柵尺的長度范圍內(nèi)移動，量程=靜磁柵尺的長度-100mm，這里需要特別說明：靜磁柵直線型位移傳感器其無源“靜磁柵源”是安裝在活動的物體上。有源“靜磁柵尺”固定安裝，要求“靜磁柵源”與“靜磁柵尺”保持1～12mm的間隙。這種測量方式長度受靜磁柵尺的限制，最大量程為12米，精度1毫米。一根“靜磁柵尺”上可以有多個“靜磁柵源”，實現(xiàn)多點檢測。
4.2、長直線型
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長直線型方式使用一根靜磁柵尺，多個靜磁柵源沿相對運動軸線一字排列安裝，靜磁柵尺使用接力方式感測位置信號，量程為靜磁柵尺的長度與靜磁柵源個數(shù)的乘積，最大可至2000米?！办o磁柵源”被一字排列，每個“靜磁柵源”之間定義為“區(qū)段”，“區(qū)段”自左至右編號為1、2、3、4、5······，區(qū)段編號表征了“米”的含義，“靜磁柵尺”上解析了“毫米”的分辨度，兩者相結(jié)合，就可以把長區(qū)間的位移用“毫米”的分辨度來表現(xiàn)?！办o磁柵尺”中的嵌入式計算機系統(tǒng)帶有最新失電高速存儲芯片，分別記憶區(qū)段編號和移動方向，失電開機后，只要慣性滑移不超過“靜磁柵尺”的長度，智能分析程序都能將真實位移準(zhǔn)確復(fù)原。
這里需要特別說明：靜磁柵長直線型位移傳感器其有源“靜磁柵尺”是安裝在活動的物體上。無源“靜磁柵源”固定安裝，要求“靜磁柵源”與“靜磁柵尺”保持1～12mm的間隙。
5、靜磁柵位移傳感器部分應(yīng)用案例
<1>、上海振華港口機械（集團）股份有限公司---集裝箱起重機吊具定長控制系統(tǒng)
<2>、昆明鋼鐵集團有限責(zé)任公司---軋鋼小車定位系統(tǒng)
<3>、廈門海德科液壓機械設(shè)備有限公司---棧橋俯仰角量測系統(tǒng)
<4>、武漢鋼鐵（集團）公司---堆取料機長行程定位系統(tǒng)
<5>、武漢鋼鐵（集團）公司焦化廠---焦?fàn)t三車聯(lián)鎖系統(tǒng)
<6>、武漢鋼鐵（集團）公司---浮吊船大車走行定位系統(tǒng)
<7>、武鋼煉鐵廠6#高爐比肖夫環(huán)縫閥位計
<8>、武漢鋼鐵（集團）公司工業(yè)港---配料小車定位控制系統(tǒng)
<9>、武漢鋼鐵（集團）公司焦化廠---煤塔秤定位系統(tǒng)
<10>、岸橋長行程集群定位系統(tǒng)
<11>、物流小車位移檢測系統(tǒng)
<12>、大車間天車集群控制系統(tǒng)
<13>、煉鐵廠的火焰切割機控制系統(tǒng)
<14>、煉鐵廠礦石輸送料斗車位置檢測系統(tǒng)
<15>、礦粉堆勻料機俯仰檢測系統(tǒng)
<16>、場橋及軌道吊小車定位系統(tǒng)
<17>、雙尺同步測控系統(tǒng)
<18>、焦?fàn)t四大車聯(lián)鎖控制系統(tǒng)
<19>、軋鋼廠縱橫開卷線鞍座車行走定位系統(tǒng)
<20>、堆取料機無人操作系統(tǒng)
三、位移傳感器比較
1、 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器
2、 絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器
3、 磁致伸縮位移傳感器
4、 光柵增量型光柵尺
5、 電位器型位移傳感器
6、 接觸磁柵型位移傳感器
7、 電感型位移傳感器
8、 編碼電纜位移傳感器
9、 激光位移傳感器
10、超聲波傳感器
11、渦電流式位移傳感器
12、磁感式線性位移傳感器
簡略比較：針對500米行程控制
1、旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測技術(shù)
　通過安裝在車輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測機車的位置，是一種相對定位的工作方式。優(yōu)點是成本低，不超過2萬元人民幣，安裝方便。缺點是車輪打滑，維護工作量大。
2、磁致伸縮位移傳感器
約束型安裝，精度很高，價位也高，據(jù)我所知目前做不到500米
3、編碼電纜位移傳感器
安裝繁瑣、比較笨重、壽命有限大約3-5年就老化了、不防火，耐高溫、精度低。售價不會低于10萬元人民幣
4、 其它傳感器
在此討論的為500米行程，所以我就不多說了！
四、靜磁柵長直線型位移控制方案（大車500米行程定位控制）
采用3.2米靜磁柵尺（實際測量長度為3米）和167個靜磁柵源（500米/3米），靜磁柵源有兩種安裝方式：
（1） 靜磁柵源可等距離埋在軌道旁與地面平齊；
（2） 靜磁柵源可等距離安裝在摩電道軌道旁與摩電道軌道平齊。
靜磁柵尺（3.2米）安裝在車上，靜磁柵尺與靜磁柵源平行，尺源間隙保持在10mm，如下圖：
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說明：
A1、A2、A3、A4、A5.....A(n-3)、A(n-2)、A(n-1)、An均為靜磁柵源，n=167
L1為A1點到A2點的距離3米，L2為A2點到A3點的距離3米
LN為需要定位控制的行程500米，JCL為靜磁柵尺的長度3.2米，固定在運動機車上
CL為運動機車即大車的長度
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作者：秦 寶
（武漢瑩佳科技發(fā)展有限責(zé)任公司 武漢市青山區(qū)羅家路和平花苑4-2-202 430081）