数字传感器应用

数字位置传感器在液压压下厚度控制系统中的应用

王 宾

[摘要]本文介绍数字位置传感器的测量原理及对厚调系统影响，简述目前国内传感器的应用情况以及系统的发展。

[关键词] 液压厚调系统 差动变压器 同步感应器 磁尺

国内液压压下厚度控制系统为适应国内铝加工行业发展的要求，不断创新求变，洛阳有色院开发的具有自主知识产权的全系列液压压下厚度控制系统。由Ⅰ型模拟硬件系统发展到Ⅶ型数字化（DDC）计算机控制系统。位置闭环的关键传感器也由最初的差动变压器（LVDT）和同步感应器发展为磁尺。

位置闭环控制是液压压下厚度控制系统中的关键环节。此系统对传感器要求较高。同步感应器的厚度控制系统应用以有近20年的历史。而磁尺应用液压压下厚度控制系统也有几套成功的系统，下面介绍其测量原理及应用方法。 󰒰󰉽 SF14B型同步感应器的测量原理如图1所示。

图1 同步感应器的测量原理

同步感应器是一种测量直线位移量的传感元件。它是利用电磁耦合原理，把直线位移转变为电信号。然后对电信号进行检测，滤波，放大从而达到测量位移的目地。

同步感应器的工作原理是滑尺绕组的激磁电压采用20 KHz正弦交流电压。通过数模转换器中的函数变压器和匹配变压器加到滑尺上。当滑尺移动时，在定尺上产生的感应信号发生变化，此为误差信号。误差信号比较微弱且有谐波分量，因此必需加前置放大器，经滤波，放大后才能有效利用。

此表采用计数器计记录位移量并加以显示。位移量表示为Δα位 用与记录位移量的计数器为显示计数器。而随其Δα位 变化的内部控制函数变压器开关状态的计数器称为转换计数器 。 其改变量表示为Δα电。表内的脉冲发生器信号来自振荡器的另一输出端，它产生计数脉冲（MJ）和定时脉冲（MD），称为脉冲形成电路。脉冲的频率也是20 kHz。

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SF14B型同步感应器数显表最小显示数字为0.001mm,要求滑尺位移0.001mm左右时，才能开启脉冲通道进行计数。所以，误差信号经过放大后，要和一个予定的门栏电平进行比较。这就需要一个门栏电路，当误差信号的幅值超过门栏电平时精门电路开通进行精计数。每一个计数脉冲代表1μm。当滑尺快速移动时为了加快计数的速度，在误差信号大于一定幅值时超过粗门栏电平时粗门电路开通进行粗计数。由于原表粗计数为精计数的100倍，在滑尺快速移动时粗门电路开通进行粗计数会对厚调反馈造成冲击。所以。我将粗门电路开通电压降为精计数的10倍。在电路上做相应的改动。

当滑尺位移0.001mm时，误差信号WXJ的幅值超过门栏电平，精门开。显示计数器计一个数。同时转换计数器控制数模转换的电子开关，送出另一对激磁电压，使误差信号幅值小于门栏电平，则计数器停止计数。由误差信号驱动，跟踪滑尺的位移不断校正S1N和COS激磁信号，使α位=α电，同时显示校正次数的数字，以达到检测位移量的目的。这就是鉴幅型同步感应器数显表系统的基本工作原理。由图（1）可以看到同步感应器数显表的输出为数字输出1个脉冲代表1 µM。由位移脉冲(MJ)、方向脉冲（FX）、精门控制电路（JMK）组成的一组组合脉冲信号送到（PFI）同步感应器接口板，当轧机油缸运动时数显表将位移信号送入（PFI）板进行加减计数后锁存。（PFI）板插在工业控制的计算机ISA插槽上。计算机程序定期读取（PFI）接口板内锁存器内部的位置信号送入调节器，从而实现位置闭环。

󰳋󰉽 磁尺测量原理如图2所示

图2磁尺位置检测装置的构成

由图2可见磁尺位置测量装置是由磁性标尺，读取磁头，信号处理电路，和脉冲输出电路等部分组成。

1． 磁性基准尺（简称磁尺）：它是在无磁的柱型基体材料上镀一层0。02毫米厚的

均匀的NI-CO-P磁性薄膜，再用以激光波长为基准的录磁机上录上相等节距（0。2mm）的磁化信号做为磁性刻度。磁性标尺用作测量长度的基准器件。同一节距内磁场强度呈正弦变化。

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读取磁头：用来读取磁尺上的磁化信号，把位移信号转化成电信号。为了能在静止和低速时读取信号，采用磁通响应磁头的这种磁头多加一组激磁绕组在磁头铁芯的可饱和部分上。在激磁绕组中通上5千周的正弦激磁电流，使铁芯的可饱和部份在每周内两次被电流产生的磁场饱和，正向一次，反向一次。此时铁芯的磁阻变为无穷大，磁尺上的漏磁通就不能由铁芯流过读取绕组产生电动势，只有在激磁电流每周两次过零时可饱和铁芯不能饱和。磁尺上的漏磁通才能流过读取绕组的铁芯产生电动势。这时产生的电动势的频率是激磁电流频率的二倍。输出幅值的大小与磁尺进入铁芯漏磁通的大小成比例 。如磁尺漏磁通在空间的分布为 φX =φOCOS

2πxλ则磁头读取线圈输出的电动势为 2πx e = EO sinλcosωt 式中：EO ：为常数 λ：磁尺的节距（0。2mm） x: 磁头在磁尺上的位移量 ω：激磁频率的二倍频率（10 kHZ） eI = EOⅠ sin2πxλ2πxcosωt （1） eII = EOⅡ sinλcosωt （2） 调节EOⅠ= EOⅡ= EO 然后将两路输出在检测电路内相加，则 e = EOsin〔 2πxλ+ωt〕 （3） 由（3）式可以看出输出是随X改变，相位变化而幅值不变的等幅调相正弦波信号。0.001相位每变化360相当X=λ，位移量X=0。001毫米时，则相位变化ΔΦ=0.2000× 使相位每变化1.8就发出一个脉冲计数信号。就可360=1.8如果用鉴相内插细分电路，以实现最小显示值为0。001毫米。方向的判别则由相位变化是超前或滞后来决定。并由检测电路完成 3． 检测电路 O 1）方框图2所示振荡器，分频器，45移相和两路功放电路产生5千周的正弦波激磁电流激绕组。 2）滤波求和，限幅整形电路是将两路磁头输出信号相加滤去5千周 基波与高次谐波，仅保留工作用的二次谐波(10千周)，经过限幅放大及整形后变为过零触发的位置方波。 3）鉴相内插及方向判别电路 采用相位跟踪，模-数转换电路，在跟踪的过程中将相位变化为能判别相位变化方向 30O0的“加” 或“减”计数脉冲。然后经过方向判别电路送给可逆计数器计数。再由译码器译码后送到数码管显示数据。译码器采用8-4-2-1（BCD）十进制代码。数码管显示数据十进制数据。一个脉冲代表1μm(0.001mm)。此脉冲也同时送给位置环作为反馈信号。

以上两种传感器及二次仪表均为数字量位移传感器。它们的共同特点是输出为计数脉冲。这就给计算机与这两种仪表的接口提供了方便。图3是数字传感器与厚控系统接口框图。

图3 数字传感器与厚控系统接口框图

我院采用自主开发的两种高速计数板(PFI)。直接插在工控机的ISA插上。由计算机控制软件直接读取高速计数板的数据。经过处理后作为位置反馈值用于位置闭环。此两种数字位置传感器的应用，特别是磁尺的使用使我国厚调系统与国外的差距缩小。提高了系统的快速性和稳定性。由于我院厚度控制系统属间接测量控制系统。所以，设定厚度与轧制实际厚度往往有差别，在应用中经常需要人工修正，给操作带来不便。为此我院又开发磁尺直接测量辊缝仪，将位置传感器安装在工作辊轴承座间。直接测量辊缝值。减少了轧机弹跳对板材厚度公差的影响。提高了系统精度。提高了设定厚度的精度。而且提高了系统的刚度。

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