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摘要：液压缸作为常见的机械执行机构，其活塞杆移动量在很多应用场合需要被精准记录，并参与自动化控制。由于液压缸工作时内部带有高压，且有些应用场景工况恶劣，要通过传感器自动记录位置通常不太容易。位移传感器则较好的解决这一问题，本文着重介绍液压缸常配置的几种位移传感器工作原因，以及在冷轧厂的应用，对比优缺点并提出改进建议等，供同行参考。

关键词：液压缸；位移传感器；磁致；磁环；编码器

1.前言

现在化生产线中，液压缸因自身特点，被作为执行机构广泛应用，随着自动化水平的逐步提高，以及对控制精度的更高要求，位移传感器被越来越多的与液压缸进行组合使用，结合液压控制阀及后台程序，可以用较简单的机构，实现复杂的功能，如冷轧厂钢卷小车提升高度的精确定位，轧机辊缝的精准动态控制等等。下面将介绍位移传感器在液压缸上的几种常见安装及应用方式。

2.工作原理及应用

液压缸所用位移传感器的作用是测量油缸活塞伸出或缩回量，该类传感器属直线位移传感器。根据安装方式分为内置式位移传感器和外置式位移传感器，其中外置式传感器常见的有拉线式及连杆式。配置这几种传感器的油缸如下图所示：

以上三种位移传感器功能类似，但工作原理及控制精度存在差别，分别进行如下介绍。

2.1 内置式位移传感器

该传感器主要由波导管、磁环及电路模块单元组成。磁环安装到液压缸活塞中，随活塞移动，波导管则与电路模块组成整体，安装于液压缸无杆腔底部缸盖上。其工作原理为，电子仓中的激励模块在敏感检测元件两端施加一查询脉冲，该脉冲以光速在波导丝周围形成周向安培环形磁场，该环形磁场与游标磁环的偏置永磁磁场发生耦合作用时，会在波导丝的表面形成魏德曼效应扭转应力波，扭转波以声速由产生点向波导丝的两端传播，传向末端的扭转波被阻尼器件吸收，传向激励端的信号则被检波装置接收，电子仓中的控制模块计算出查询脉冲与接收信号间的时间差，再与扭转应力波在波导材料中的传播速度相乘，即可计算出扭转波发生位置与测量基准点间的距离，也即游标磁环在该瞬时相对于测量基准点间的绝对距离，从而实现对游标磁环位置的实时精确测量。原理简图及安装方式分别见下图4、5所示。

该传感器将油缸活塞位移转化为电气信号，可根据使用要求输出4-20mA模拟量。

应用：轧机HGC油缸，配置高精度位移传感器，通过伺服阀及程序进行闭环控制，如下图所示，当辊缝在位置模式下，控制器通过将油缸传感器测量的位移与设定值进行比较，得出差动信号并反馈给伺服阀，使油缸实际移动位置与设定值保持一致，如下图6所示。

该类型位移传感器最高耐压等级可以达到70Mpa，防护等级IP68，分辨率可达0.01mm，滞后0.1mm<=2000m，内部扫描周期2ms。

2.2 外置式-拉杆

拉杆式位移传感器与上文2.1所介绍的传感器类似，也是应用的磁致伸缩，不再赘述。。这种传感器在带钢纠偏系统中就用较多，如下图7所示为安装在纠偏辊驱动油缸上的拉杆式传感器，用于检测机构位移量，为纠偏系统提供反馈数据。图8为CPC运行时记录的信息。

2.3 外置式-拉绳

拉绳式位移传感器其实是一个组合件，主要包含两个部件，分别是拉线盒与绝对值编码器，功能是用于测量距离。拉绳盒将直线运动转换为旋转运动并传递给编码器，编码器将检测到的旋转信号再转换为位移信号输出。

工作原理：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

拉绳式拉移传感器常安装在液压缸外的运动轨迹上，其外形及安装方式见下图9，图10所示。

3.优缺点对比

内置式位移传感器优点是耐压能力高，测量精确信号稳定，不易受外界因素影响，且因相对运动的检测元件为非接触式，零件无损耗，因此使用寿命很长。缺点是需要在油缸内部加工预留对应安装位置，增加制造成本，且一旦内部磁环出现问题或装配时漏装了，处理起来非常麻烦，需要耗费大量时间及人力。

外置式位移传感器优点是安装方便，其位置可根据现场布局进行灵活调整，且后期的维护及故障处理相对容易。缺点是抗干扰能力稍差，易受到外界影响，如拉绳式传感器，其拉线容易被碰到，导致信号波动，对控制产生影响。

4.改进措施

对于内置式位移传感器，油缸在上线前一定要进行测试，以确认磁环位置正确，输出信号无异常，这样即使有问题，也可以线下处理，否则如安装到设备上后再发现此问题，将返工并延长检修时间。对于外置式传感器，为避免被外界影响，可以在其运行轨迹上制作相应可拆卸保护罩或档板，避免拉绳或拉杆被非其它物体非正常触碰。

5.总语

位移传感器作为自动化领域的重要元件，在现代化工业领域被广泛应用，其自身的可靠性及稳定性也随着技术的发展不断提高，应用范围也越来越广，相信在未来工业4.0时代，其仍然会扮演着重要的角色。

参考文献

[1]张裕悝. 磁致伸缩线性位移传感器 全国压力计量测试新技术学术研讨会， 2007