帶磁電阻位移傳感器的電液伺服缸
隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的普遍提高和國內(nèi)外液壓技術(shù)的飛速發(fā)展,要求對(duì)液壓缸進(jìn)行位移檢測的場合也越來越多,對(duì)傳感器的抗干擾能力,抗污染能力等要求也越來越高。在這樣的市場需求情況下,國外于20世紀(jì)90年代中期研制并生產(chǎn)出了一種新型位移傳感器——MR(磁電阻)位移傳感器,同時(shí)在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)出了一系列帶MR位移傳感器的電液伺服缸(以下簡稱MR液壓缸)。
1.MR傳感器
MR傳感器由三部分組成:①刻有凹凸槽的磁標(biāo)記尺}◎測量磁標(biāo)記的磁阻敏感元件;③信號(hào)處理電路板。
MR傳感器是利用某些金屬、合金和化合物等在磁場力作用下,在外加電場方向的電流分量發(fā)生大小變化時(shí)會(huì)表現(xiàn)出其電阻大小發(fā)生變化,即磁電阻效應(yīng)來工作的。將這些材料做成薄膜型磁阻敏感元件(MR芯片),并和永久磁鐵以及內(nèi)部處理電路集成封裝在一起,組成傳感器頭,再加上外接的磁標(biāo)記尺就組成了MR位移傳感器。
從具有這種特性的MR芯片中選出兩個(gè)相同特性的芯片(MR1、MR2)串聯(lián)連接,在兩個(gè)MR芯片上用永久磁鐵加以均等的偏磁場。將兩個(gè)MR芯片的連接部分引出輸出接頭,輸出電壓為V0(見圖35)。在串聯(lián)的MR芯片兩端加直流電壓V時(shí),輸出電壓V0是電壓V的一半,這個(gè)靜態(tài)電壓又稱作中點(diǎn)電壓。
當(dāng)在兩個(gè)MR芯片上加不同強(qiáng)度磁場時(shí),就導(dǎo)致兩個(gè)MR芯片的阻值變化,此時(shí)的輸出電壓與中點(diǎn)電壓呈不同值。如圖35所示,MR1上加以強(qiáng)磁場后,因它的電阻值比MR2大,輸出電壓比中點(diǎn)電壓低,相反MR2上加上強(qiáng)磁場后,其輸出電壓比中點(diǎn)電壓高。
同樣考慮動(dòng)態(tài)磁場時(shí)的檢測狀況(見圖36)。當(dāng)兩個(gè)MR芯片的一方(如MR2)與類似鐵片的磁性體接近,磁力線朝著鐵片方向偏轉(zhuǎn),MR2上產(chǎn)生比MRl強(qiáng)的磁場。這樣MR2的阻值就會(huì)增大,輸出電壓也隨之變高,當(dāng)物體連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),就可輸出類似正弦波的信號(hào)。當(dāng)用4個(gè)MR芯片相差一定角度連結(jié)成電橋后,就可以根據(jù)物體按不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出信號(hào)的超前與滯后關(guān)系來判斷物體的方向了。
MR傳感器具有分辨率較高,量程大,線性度好,工作溫度范圍寬,無接觸性傳感器間接測量,可靠性高和使用壽命長,耐振好(可達(dá)20G),抗沖擊(可達(dá)100G)能力強(qiáng),防腐性能好,不受油漬、溶液、灰塵,空間電場及寄生電容等影響,工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。同時(shí),由于MR傳感器內(nèi)部集成了數(shù)字處理電路,所以它還具有直接輸出數(shù)字信號(hào),便于計(jì)算機(jī)處理的優(yōu)點(diǎn)。把這種傳感器頭安裝在液壓缸(或氣缸)上,再在活塞桿上加工出一系列有尺寸要求的等距離凹凸槽,使之起到磁標(biāo)尺的作用,就可以制造出MR液壓缸。另外,MR傳感器還可應(yīng)用于測量齒輪轉(zhuǎn)數(shù),精密地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),檢測帶有磁性的物體,如紙幣的防偽及其他的應(yīng)用等。
2.MR液壓缸
(1) MR電液伺服液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖如圖37所示。從圖37可以看出,MR液壓缸在結(jié)構(gòu)上與普通伺服缸的區(qū)別主要在于:①M(fèi)R液壓缸的活塞桿是專用的;②在液壓缸端蓋上外掛有MR傳感器。
活塞桿作為執(zhí)行件,在傳遞功率和力的同時(shí),還起到了磁標(biāo)記尺的作用。在活塞桿表面上加工出一系列等距離的環(huán)狀凹凸槽后,為了防止泄漏,對(duì)凹槽還需要進(jìn)行工藝處理,最常用的方法是在凹槽處填充上特殊材料。此外,為了增強(qiáng)活塞桿表面的硬度,提高耐磨性和防腐性,還需要在活塞桿的表面進(jìn)行相應(yīng)的工藝處理。這樣,傳感器的凹凸槽(磁標(biāo)尺)就組成了一個(gè)完整的傳感器。
(2)MR液壓缸的工作原理?;钊麠U在運(yùn)動(dòng)過程中,每經(jīng)過一個(gè)凹凸槽,就會(huì)引起一次磁阻敏感元件電阻大小發(fā)生周期性的變化,經(jīng)過傳感器內(nèi)部固有的集成電路處理后,就可直接輸出周期性的一個(gè)或多個(gè)方波(方波數(shù)的多少,取決于內(nèi)部的處理電路),從而產(chǎn)生脈沖,觸發(fā)外接觸發(fā)電路和計(jì)數(shù)電路。這樣,活塞桿工作時(shí),每移動(dòng)一個(gè)凹凸槽,計(jì)數(shù)器就被觸發(fā)計(jì)數(shù)一次或多次,移動(dòng)了多少個(gè)凹凸槽,就會(huì)觸發(fā)計(jì)數(shù)出相應(yīng)的次數(shù),于是,液壓缸的位移就可以通過所計(jì)數(shù)到的脈沖數(shù)和凹凸槽距離之間的特定關(guān)系來確定了。
MR液壓缸在飛機(jī)與船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)、雷達(dá)、火炮控制系統(tǒng)、精密沖床、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及六自由度仿真轉(zhuǎn)臺(tái)等方面有著廣泛的應(yīng)用。一方面用來提供動(dòng)力,傳遞功率;另一方面可以進(jìn)行位移檢測,實(shí)現(xiàn)位置控制。此外,MR液壓缸還可應(yīng)用于壓鑄機(jī),游樂場的模擬游戲機(jī),木材加工機(jī)械以及礦山機(jī)械、建筑機(jī)械、地下機(jī)械等野外作業(yè)要求對(duì)位移進(jìn)行檢測,而環(huán)境條件又相對(duì)惡劣的場合。MR傳感器是進(jìn)行模塊化封裝的,防水性能好,對(duì)有位移檢測和位置控制要求的水下作業(yè),MR液壓缸的優(yōu)勢是顯而易見的。