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思奇特,位置檢測直接,理論上無壽命極限。
關鍵詞：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界最常用、最基礎的定位手段。現階段產品在結構和性能上已經發生了巨大的變化，功能更加完善，可靠性更高，并向著自動化和智能化方向發展；位移檢測產品的性能主要反映在滿足準確性、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，是武漢瑩佳科技發展有限責任公司在消化吸收世界最先進磁位移傳感器技術的基礎上研制生產的新型高可靠位移傳感器產品，它一問世就受到冶金、機械，石化、運輸，水利等行業的普遍青睞，使用該技術所生產的通用位移傳感器、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環境中廣泛運用，其無接觸位移測量方式適用于極寬的量程范圍，彌補了進口產品價位高、售后服務不完善，環境適應能力差，量程局限，訂貨周期長等缺陷，能與多類自動控制系統接口。本靜磁柵位移測量技術借用“游標卡尺差分刻度測微”原理，依靠霍爾線陣列群動效應，解析數字化絕對位移編碼，準確可靠，該項原創性新技術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”兩部分結合使用。“靜磁柵源”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”用內藏嵌入式微處理器系統的特制高強度鋁合金管材封裝，使用開關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寬容度達50mm）相對運動時，由“靜磁柵尺”解析出數字化位移信息，直接產生高于毫米數量級的位移量數字信號。充分發掘嵌入式微處理器的資源，將數據更新速度提高到毫秒數量級，以便能適應5m/S以下運動速度的位移響應。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“游標卡尺”，游標卡尺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，有如游標卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再經過一套反復推演的算法，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無接觸地對位移測量裝置產生作用，磁場的作用區能細分為0.2mm厚薄的有相當寬度的柵片狀空間，“空間柵片”有非常固定的編號，在失電投電不斷轉換的過程中，或在永久磁鐵離開又回到作用區時，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兩種狀態。由于物理位置不同，每只霍爾開關元件含有不同的位置信息，通過計算機高速掃描辨識，實現了“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。基本不受外界溫度、濕度、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常規位移控制功能，現場顯示調校功能和數據通訊轉換功能集成其間，不僅可現場調定參數，直接實施位置閉環控制，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據。如果掛接現場總線，又可望直接與變頻調速器聯機使用。在短距離測控方面（例如短于2米），提供4～20mA或1～5V標準信號。
二、靜磁柵位移傳感器詳述
1、產品綜合特點：
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、抗惡劣環境：－40℃至＋100℃工作溫度范圍，連續高粉塵、泥漿、水下(中南國家計量測試中心測試該產品可在水下1000m運行，測試證書編號：力 字第04411486 號)及高撞擊、強振動工作環境。
1.3、直接絕對型測量：直接指示位移毫米數或旋轉角度數，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、極豐富的數據接口：有NBK三種方式，N方式為內置方式,可提供1－5V、4-20mA等標準模擬信號和I2C、RS485、RS422三種數字信號。B方式為帶專用變送器方式,可提供標準模擬信號和更豐富的數字信號如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、閉環控制和通訊轉換等多種功能，可以形成獨立的顯示控制系統。
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、產品外觀說明
2.1、靜磁柵位移傳感器：
產品基本參數：
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數字輸出（模擬輸出1-5V，4-20Ma、總線型數字輸出）
⑦、環境使用溫度：-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：
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、可獨力實現位置閉環控制，設置存貯中心位置值、
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）。“靜磁柵源”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“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”的側移量，上下移動量，三維各方向上的傾斜量和環境溫度，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”在安裝中有所側移或有所傾斜均無妨；設備運行過程中，“靜磁柵源”發生除軸線方向以外的偏側也無妨。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。這些都是在工業現場有價值的特點。
由于使用空間靜磁柵感應原理和永久磁鋼，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。它能獨立實現大多數工業現場對位置顯示和控制的要求，也能與工業控制計算機，變頻調速器和PLC等協調工作。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。顯示控制器為戶內安裝型。
位置控制的整個環節中，位置設定，定位指令給定和驅動控制是三個主要環節。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。實際工業控制中，A，B，C三處應設定一段有一定寬度的被稱之為“定位精度”（calibrate）的小區間。物體運動存在慣性，還應選擇一個合適的停車（減速）點（little）更為合理。物體在接近目標時，我們或許希望用“點動”（pulse）方式讓它更準確地到位。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試儲存來實現。
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的乘積，最大可至2000米。“靜磁柵源”被一字排列，每個“靜磁柵源”之間定義為“區段”，“區段”自左至右編號為1、2、3、4、5······，區段編號表征了“米”的含義，“靜磁柵尺”上解析了“毫米”的分辨度，兩者相結合，就可以把長區間的位移用“毫米”的分辨度來表現。“靜磁柵尺”中的嵌入式計算機系統帶有最新失電高速存儲芯片，分別記憶區段編號和移動方向，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確復原。
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
<2>、昆明鋼鐵集團有限責任公司---軋鋼小車定位系統
<3>、廈門海德科液壓機械設備有限公司---棧橋俯仰角量測系統
<4>、武漢鋼鐵（集團）公司---堆取料機長行程定位系統
<5>、武漢鋼鐵（集團）公司焦化廠---焦爐三車聯鎖系統
<6>、武漢鋼鐵（集團）公司---浮吊船大車走行定位系統
<7>、武鋼煉鐵廠6#高爐比肖夫環縫閥位計
<8>、武漢鋼鐵（集團）公司工業港---配料小車定位控制系統
<9>、武漢鋼鐵（集團）公司焦化廠---煤塔秤定位系統
<10>、岸橋長行程集群定位系統
<11>、物流小車位移檢測系統
<12>、大車間天車集群控制系統
<13>、煉鐵廠的火焰切割機控制系統
<14>、煉鐵廠礦石輸送料斗車位置檢測系統
<15>、礦粉堆勻料機俯仰檢測系統
<16>、場橋及軌道吊小車定位系統
<17>、雙尺同步測控系統
<18>、焦爐四大車聯鎖控制系統
<19>、軋鋼廠縱橫開卷線鞍座車行走定位系統
<20>、堆取料機無人操作系統
三、位移傳感器比較
1、 增量型旋轉編碼器
2、 絕對型旋轉編碼器
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、旋轉編碼器位置檢測技術
通過安裝在車輪上的旋轉編碼器檢測機車的位置，是一種相對定位的工作方式。優點是成本低，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：
：
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
（武漢瑩佳科技發展有限責任公司 武漢市青山區羅家路和平花苑4-2-202 430081）
