摘要：本文列舉了幾種常用的位移傳感器在長(zhǎng)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(diǎn)及其局限性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)解說(shuō)了靜磁柵長(zhǎng)直線型位移傳感器的特點(diǎn)。靜磁柵位移傳感器構(gòu)思奇特,位置檢測(cè)直接,理論上無(wú)壽命極限。
關(guān)鍵詞：靜磁柵 傳感器 長(zhǎng)直線 位移 控制 PLC
物體位移的檢測(cè)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(dòng)化和智能化方向發(fā)展；位移檢測(cè)產(chǎn)品的性能主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時(shí)性、耐用性和自動(dòng)化水平程度等方面。
● 靜磁柵位移傳感器簡(jiǎn)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(jìn)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(wèn)世就受到冶金、機(jī)械，石化、運(yùn)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(jì)、閘門(mén)開(kāi)度儀、行車(chē)行程檢測(cè)儀、油缸行程檢測(cè)儀等在惡劣工業(yè)環(huán)境中廣泛運(yùn)用，其無(wú)接觸位移測(cè)量方式適用于極寬的量程范圍，彌補(bǔ)了進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)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(zhǎng)等缺陷，能與多類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)接口。本靜磁柵位移測(cè)量技術(shù)借用“游標(biāo)卡尺差分刻度測(cè)微”原理，依靠霍爾線陣列群動(dòng)效應(yīng)，解析數(shù)字化絕對(duì)位移編碼，準(zhǔn)確可靠，該項(xiàng)原創(chuàng)性新技術(shù)的商品化進(jìn)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。“靜磁柵源”使用鋁合金壓封無(wú)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(qiáng)度鋁合金管材封裝，使用開(kāi)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(wú)接觸（相對(duì)間隙寬容度和相對(duì)姿態(tài)寬容度達(dá)50mm）相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jí)的位移量數(shù)字信號(hào)。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(jí)，以便能適應(yīng)5m/S以下運(yùn)動(dòng)速度的位移響應(yīng)。直接測(cè)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(dá)0.2毫米，最高測(cè)長(zhǎng)可達(dá)2公里。機(jī)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(guò)一套反復(fù)推演的算法，使得靜磁柵絕對(duì)編碼器的分辨率可達(dá)0.2毫米或者更
3、“空間靜磁柵”顧名思義是永久磁鐵通過(guò)空間被細(xì)分的柵片狀的作用區(qū)無(wú)接觸地對(duì)位移測(cè)量裝置產(chǎn)生作用，磁場(chǎng)的作用區(qū)能細(xì)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(hào)，在失電投電不斷轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，或在永久磁鐵離開(kāi)又回到作用區(qū)時(shí)，均能正確地反映探測(cè)的位置或角度，真正做到了“絕對(duì)編碼”。通俗的講就是霍爾編碼陣列元件只有開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)。由于物理位置不同，每只霍爾開(kāi)關(guān)元件含有不同的位置信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)高速掃描辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)了“空間直線位置絕對(duì)編碼”，無(wú)論量程多長(zhǎng)，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(chǎng)、電磁干擾等因素影響。
4、配套的顯示控制器可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)位移控制功能，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)調(diào)定參數(shù)，直接實(shí)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(jī)直接采集數(shù)據(jù)。如果掛接現(xiàn)場(chǎng)總線，又可望直接與變頻調(diào)速器聯(lián)機(jī)使用。在短距離測(cè)控方面（例如短于2米），提供4～20mA或1～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
二、靜磁柵位移傳感器詳述
1、產(chǎn)品綜合特點(diǎn)：
1.1、使用壽命長(zhǎng)：無(wú)接觸檢測(cè)位置及角度，避免了機(jī)械損傷，理論上無(wú)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(guó)家計(jì)量測(cè)試中心測(cè)試該產(chǎn)品可在水下1000m運(yùn)行，測(cè)試證書(shū)編號(hào)：力 字第04411486 號(hào))及高撞擊、強(qiáng)振動(dòng)工作環(huán)境。
1.3、直接絕對(duì)型測(cè)量：直接指示位移毫米數(shù)或旋轉(zhuǎn)角度數(shù)，無(wú)需換算，不怕掉電，任意定位控制
1.4，量程極長(zhǎng)，分辨率適中:260毫米-2000米長(zhǎng)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(hào)和I2C、RS485、RS422三種數(shù)字信號(hào)。B方式為帶專(zhuān)用變送器方式,可提供標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)和更豐富的數(shù)字信號(hào)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(zhuān)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(dú)立的顯示控制系統(tǒng)。
1.6、安裝維護(hù)方便:在保持適度間隙的條件下,無(wú)約束安裝運(yùn)行。
2、產(chǎn)品外觀說(shuō)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(zhǎng)尺寸為4200 mm，有效檢測(cè)長(zhǎng)度250 mm~4000 mm。
②、靜磁柵源使用鋁合金壓封無(wú)源釹鐵硼磁柵，截面尺寸120*25*20mm。
③、電纜長(zhǎng)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(dá)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(dòng)：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(shí)時(shí)位置信號(hào)，擴(kuò)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(wàn)可 WAGO
④、可獨(dú)力實(shí)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(wú)接觸直接測(cè)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(jí)（IP69）。“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”在商品運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)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(cè)面軸線移動(dòng)時(shí)，由“靜磁柵尺”中的霍爾磁柵陣列感測(cè)出分辨度為0.2~5mm的數(shù)字化位移信號(hào)。
特別令人感興趣的是，霍爾磁柵陣列僅僅對(duì)“靜磁柵源”沿“靜磁柵尺”探測(cè)面軸線的移動(dòng)量敏感，而對(duì)“靜磁柵源”的側(cè)移量，上下移動(dòng)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(lái)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(yùn)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(cè)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(wú)妨；設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，“靜磁柵源”發(fā)生除軸線方向以外的偏側(cè)也無(wú)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(chǎng)有價(jià)值的特點(diǎn)。
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(qiáng)磁場(chǎng)和周邊有大量顆粒，粉末狀鐵磁材料的場(chǎng)合，如需使用，必須加以防護(hù)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(jì)算機(jī)裝置。它能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)位置顯示和控制的要求，也能與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(wú)需位置控制而僅僅需要顯示位置的場(chǎng)合。顯示控制器為戶內(nèi)安裝型。
位置控制的整個(gè)環(huán)節(jié)中，位置設(shè)定，定位指令給定和驅(qū)動(dòng)控制是三個(gè)主要環(huán)節(jié)。例如，移動(dòng)的送料車(chē)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(diǎn)（senter），我們能將這些定位點(diǎn)長(zhǎng)期儲(chǔ)存在控制器中。實(shí)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(yùn)動(dòng)存在慣性，還應(yīng)選擇一個(gè)合適的停車(chē)（減速）點(diǎn)（little）更為合理。物體在接近目標(biāo)時(shí)，我們或許希望用“點(diǎn)動(dòng)”（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(guò)在按鍵面板上選擇性地一一調(diào)試儲(chǔ)存來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4、靜磁柵位移傳感器兩種測(cè)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(wú)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(gè)靜磁柵源。靜磁柵源在靜磁柵尺的長(zhǎng)度范圍內(nèi)移動(dòng)，量程=靜磁柵尺的長(zhǎng)度-100mm，這里需要特別說(shuō)明：靜磁柵直線型位移傳感器其無(wú)源“靜磁柵源”是安裝在活動(dòng)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(cè)量方式長(zhǎng)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(gè)“靜磁柵源”，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)。
4.2、長(zhǎng)直線型
：
長(zhǎng)直線型方式使用一根靜磁柵尺，多個(gè)靜磁柵源沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)軸線一字排列安裝，靜磁柵尺使用接力方式感測(cè)位置信號(hào)，量程為靜磁柵尺的長(zhǎng)度與靜磁柵源個(gè)數(shù)的乘積，最大可至2000米?！办o磁柵源”被一字排列，每個(gè)“靜磁柵源”之間定義為“區(qū)段”，“區(qū)段”自左至右編號(hào)為1、2、3、4、5······，區(qū)段編號(hào)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(zhǎng)區(qū)間的位移用“毫米”的分辨度來(lái)表現(xiàn)。“靜磁柵尺”中的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶有最新失電高速存儲(chǔ)芯片，分別記憶區(qū)段編號(hào)和移動(dòng)方向，失電開(kāi)機(jī)后，只要慣性滑移不超過(guò)“靜磁柵尺”的長(zhǎng)度，智能分析程序都能將真實(shí)位移準(zhǔn)確復(fù)原。
這里需要特別說(shuō)明：靜磁柵長(zhǎng)直線型位移傳感器其有源“靜磁柵尺”是安裝在活動(dòng)的物體上。無(wú)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(jī)械（集團(tuán)）股份有限公司---集裝箱起重機(jī)吊具定長(zhǎng)控制系統(tǒng)
<2>、昆明鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司---軋鋼小車(chē)定位系統(tǒng)
<3>、廈門(mén)海德科液壓機(jī)械設(shè)備有限公司---棧橋俯仰角量測(cè)系統(tǒng)
<4>、武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司---堆取料機(jī)長(zhǎng)行程定位系統(tǒng)
<5>、武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司焦化廠---焦?fàn)t三車(chē)聯(lián)鎖系統(tǒng)
<6>、武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司---浮吊船大車(chē)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(jì)
<8>、武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司工業(yè)港---配料小車(chē)定位控制系統(tǒng)
<9>、武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司焦化廠---煤塔秤定位系統(tǒng)
<10>、岸橋長(zhǎng)行程集群定位系統(tǒng)
<11>、物流小車(chē)位移檢測(cè)系統(tǒng)
<12>、大車(chē)間天車(chē)集群控制系統(tǒng)
<13>、煉鐵廠的火焰切割機(jī)控制系統(tǒng)
<14>、煉鐵廠礦石輸送料斗車(chē)位置檢測(cè)系統(tǒng)
<15>、礦粉堆勻料機(jī)俯仰檢測(cè)系統(tǒng)
<16>、場(chǎng)橋及軌道吊小車(chē)定位系統(tǒng)
<17>、雙尺同步測(cè)控系統(tǒng)
<18>、焦?fàn)t四大車(chē)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)
<19>、軋鋼廠縱橫開(kāi)卷線鞍座車(chē)行走定位系統(tǒng)
<20>、堆取料機(jī)無(wú)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(duì)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(jiǎn)略比較：針對(duì)500米行程控制
1、旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測(cè)技術(shù)
通過(guò)安裝在車(chē)輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)機(jī)車(chē)的位置，是一種相對(duì)定位的工作方式。優(yōu)點(diǎn)是成本低，不超過(guò)2萬(wàn)元人民幣，安裝方便。缺點(diǎn)是車(chē)輪打滑，維護(hù)工作量大。
2、磁致伸縮位移傳感器
約束型安裝，精度很高，價(jià)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(jià)不會(huì)低于10萬(wàn)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(shuō)了！
四、靜磁柵長(zhǎng)直線型位移控制方案（大車(chē)500米行程定位控制）
采用3.2米靜磁柵尺（實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度為3米）和167個(gè)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(chē)上，靜磁柵尺與靜磁柵源平行，尺源間隙保持在10mm，如下圖：
：
說(shuō)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(diǎn)到A2點(diǎn)的距離3米，L2為A2點(diǎn)到A3點(diǎn)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(zhǎng)度3.2米，固定在運(yùn)動(dòng)機(jī)車(chē)上
CL為運(yùn)動(dòng)機(jī)車(chē)即大車(chē)的長(zhǎng)度
：
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）
