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技术专访第二十一期 | 磁致伸缩位移传感器的原理、选型及应用 ... ... ...

2019-7-15 12:03

近日,52监测网小编有幸邀请到了武汉康宇通达测控仪表有限公司总经理冯建武冯总做我们的技术专访嘉宾。


编前语

近日,52监测网小编有幸邀请到了武汉康宇通达测控仪表有限公司总经理冯建武冯总做我们的技术专访嘉宾。
冯总,从事仪器仪表行业20年,有着丰富的项目经验。参与长庆油田储油罐磁致伸缩液位传感器试用并结合现场情况不断完善产品,解决现场出现的各种情况,与油田技术人员探讨技术问题,解答使用过程中的疑惑并培训现场仪表工程师;参与武汉阳逻长江大桥、武汉天兴洲公铁长江大桥、武汉白沙洲长江大桥等桥梁的健康监测工作,现场安装调试磁致伸缩位移传感器、压力传感器、倾角传感器等;参与东风商用车技术中心油库的液位计安装及控制系统的联调;参与长委水文局关于雨量蒸发系统磁致伸缩液位传感器的设计选型、现场测试;参与长委空间公司、长委岩土所监测边坡的位移传感器设计选型及现场测试;参与长江科学院工程所建筑物沉降监测中位移传感器设计选型及现场调试;参与石油炼化厂加氢装置节能系统中位移传感器和压力传感器的设计选型。
下面我们就一起来看看冯总的技术分享。

Q1:请您简单介绍一下磁致伸缩位移传感器的原理及特点?

磁致伸缩传感器(简称“磁尺”)是应用磁致伸缩原理研制而成,达到计量级精度的新一代精确測量“位移/液位”的传感器。
磁尺输出是真正的绝对位置,不需要定期重新标定和维护,测量过程中更无须重归回零位。磁尺因其特有的优点,已在国內工控领域得到越来越广泛的应用。
康宇公司自1997年从美国引进整套技术和生产线,成为国内生产磁尺的第一厂家,并成为美国Schaevitz公司唯一OEM生产合作伙伴。


随着国内传感器需求市场的扩大,康宇公司通过对磁尺的不断开发、改进,运用先进的数字电路技术,成功自主开发出新一代的数字输出磁尺产品,为不同领域的客户提供了更完美的解决方案。
时至今日,康宇品牌已成为国内传感器行业的代表品牌之一,康宇公司生产的磁尺产品已被广泛应用于国内外要求精确测量的设备和配套系统之中。

位置量的测量原理

磁致伸缩位移传感器主要由波导丝、测杆、电子仓和套在测杆上的非接触磁环或浮球(内装有永久磁铁)组成。当传感器工作时,电子仓内的电子电路产生一“起始脉冲”,此起始脉冲沿磁致伸缩线(波导丝)以恒速传输,同时产生一个沿着波导丝跟随脉冲前进的旋转磁场,当该磁场与定位装置中的永久磁场相遇时,产生磁致伸缩效应,使波导丝发生扭动。这一扭动被安装在电子仓内的信号处理机构感知并转换成相应的“终止脉冲”,通过计算“起始脉冲与相应“终止脉冲”之间的时间差,即可精确测出其位移量。


产品特点

非接触式测量,使用寿命长
高精度、高重复性测量
绝对量输出,重启无须重归零位
多种输出信号可选,性能稳定可靠
不需定期标定和维护
安装方式灵活、简便

Q2:磁致伸缩位移传感器针对不同的应用场景如何选择,有哪些注意事项呢?

因为磁致伸缩位移传感器应用的行业比较多,下面我就以桥梁监测来举例。
我国的桥梁面临着与国际上众多国家的桥梁同样的问题,就是有一大批桥梁已进入“老龄”阶段,一些桥早已出现各种“病害”,却常年带“病”运营,潜伏着巨大的安全隐患。
为提高桥梁管理水平,必须重视桥梁检测,了解桥梁检测的工作程序、检测项目及检测方法,为了更准确判断桥梁实际工作状况,为桥梁加固或大修提供依据,在桥梁外观病害检查的基础上,则有必要进行深一步的桥梁结构材料的检测和荷载试验。
很多桥梁早已安装了一套“桥梁健康监测”的系统装置来检测桥梁的各项性能指标。其中磁致伸缩位移传感器广泛应用在监测桥梁垂直震动中和桥梁伸缩缝监测中。而磁致伸缩位移传感器有着多种方式的输出信号、多种范围的量程及不同的防护等级,用户需要根据监测要求来选择合适的产品,下面我就从以上三个方面简单谈一下。

磁致伸缩位移传感器输出信号的选择

磁致伸缩位移传感器的输出信号有多种方式,4-20mA、0-5V、Modbus RTU(简称RS485);具体选用哪种信号,一是要匹配桥梁健康监测系统的采集要求,二是要匹配现场控制系统采集设备的要求。比如在武汉阳逻长江大桥上安装的磁致伸缩位移传感器,选用的就是RS485信号;鄂东长江大桥选用的也是RS485信号,但结合信号采集设备及数据采集的要求,将传感器的数据发送延时100ms;芜湖长江大桥安装的磁致伸缩位移传感器选用的是4-20mA。

磁致伸缩位移传感器量程范围的选择

磁致伸缩位移传感器的量程范围要根据监测要求及桥梁的跨度来确定,是监测桥墩的纵向位移还是监测伸缩缝的水平位移。比如测桥墩的纵向位移,选用的量程一般是1000mm,但也有选用200mm的;测伸缩缝的位移,选用的量程一般是1500mm、2000mm,如果跨度非常大的,则选用4000mm,比如前面提到的鄂东长江大桥,选用的量程是4000mm;荆岳长江大桥、阳逻长江大桥、白沙洲长江大桥选用的则是2000mm。

上图为文莱某座跨海大桥,量程1000mm。

上图为鄂东长江大桥磁致伸缩位移传感器安装。

磁致伸缩位移传感器防护等级的选择

磁致伸缩位移传感器的使用寿命与外部环境的关系,外部环境包括现场使用工况,是否是腐蚀性环境;安装位置的空间大小及工况;人为破坏的可能性。正常来讲磁致伸缩位移传感器的使用寿命在8-10年,外部环境对传感器的影响非常大。
比如在跨海大桥上安装的磁致伸缩位移传感器,需要考虑海风吹起的盐雾、酸雾对传感器材质的要求,最少应该选用316材质,而且防护等级要达到IP67及以上;条件允许下可以选用更耐腐蚀的钛合金材质,或者在传感器外围加上防腐防护。
桥梁伸缩缝位移测量是水平安装,要避免传感器测杆被桥上方落下的物体砸弯变形,在阳逻长江大桥上安装的磁致伸缩位移传感器就被桥上落下的物体砸弯了,导致检测数据不正常。磁致伸缩位移传感器安装在桥梁上,检修一次也很不容易,出了问题拆下返回维修更麻烦,特别是长的产品,运输很不方便,因此传感器的电子仓采用可拆结构,方便现场维修更换电路板;
但传感器又长期的风吹日晒雨淋,因此传感器安装接线完成后必须将所有接头处拧紧,并且再次打开后更换密封圈,确保传感器的密封性能可靠。
在荆岳长江大桥上安装的位移传感器,当时选型时客户要求选用直接出线结构,没有选用可拆接线端子结构,后来传感器的电缆线被当地农民从出线根部剪断,现场无法处理,只能拆下来发回工厂重新接线。
产品太长,现场又找不到包装发货,维护人员开的小车又放不了,只能从车窗伸出带回市里发走。这也提醒我们的现场安装人员,传感器安装后一定要做好防护措施,比如将传感器电子头罩起来或者用一个盒子保护起来,测杆上方加防护网,电缆线穿管保护等等。

Q3:您能举一个磁致伸缩位移传感器的具体项目应用案例么?

近几年大坝安全监测成为中国各级水行政主管部门所面临的一个迫切需要解决的重大问题,各种科技产品先后被应用与大坝安全监测。下面我就谈一谈磁致伸缩位移传感器在大坝整体位移监测及大坝裂缝监测上的应用吧。

在大坝整体位移监测上的应用
 

如上示意图,在大坝的两端各取一个相对大地静止的参考点,将两点连接成线构成整个大坝整体位移的参照物。然后通过安装在大坝的位移传感器检测两者之间的相对位移。具体的现场实施办法如下图所示:
 


图中康宇磁致伸缩位移传感器同箱子一起嵌在大坝上,连接大坝两端山的参考线通过一个管子保护,磁环(特制)安装在参考线上,参考线通过惰性水等其它措施保持在稳定的状态。当大坝发生移动,磁环相对测杆移动,传感器将测得的信号送到控制室。

在大坝裂缝(或称结合缝)上的监测

 
首先介绍一下大坝的结构,根据建筑学的相关原理,大坝由坝柱结合水泥墙的方式构成,其中坝柱的桩打得很深,水泥墙相对很浅。如上图示意图所示。
 


随着时间的推移在坝柱与水泥墙之间会由裂缝产生,这就需要监测。在裂缝监测中,磁尺被装在大坝内的通道里面(随着大坝的高度不同,通道层数也不同)。一个通道里面根据实际情况考虑,需在多个点安装并监测。安装如下图所示,磁环和测杆分别固定在坝柱和水泥墙上,当裂缝变化时,传感器将监测到的信号传送到控制室。
 

磁尺的安装位置


由于在大坝监测上的位移量都是很小,且变化都是很平缓的,磁致伸缩位移传感器由于其特有的原理在精确度和稳定性方面都很好的满足了这种测量的要求,故而得以被推广应用。

Q4:您刚刚提到了磁致伸缩位移传感器在桥梁和大坝上的应用,那除了桥梁和大坝,还在哪些行业有应用呢?

磁致伸缩位移传感器的应用比较广泛,像之前东南大学的老师向我们采购定制参数的传感器,是一个创新应用案例,但是因为技术涉密没有告诉我们具体的应用方法。
下面我就从我们公司业务所面向的行业说一下吧,也欢迎大家留言补充。


冶金行业:轧钢、连铸等液压AGC控制系统;
水利水电行业:闸门开度同步控制、水轮机调速器导叶开度监测与控制;
机械行业:各种机械设备上的位置定位与位移测量;
注塑机:锁模油缸及注射台螺杄行程控制;
轮胎硫化机:合模油缸活塞行程控制;
顶管掘进机:纠编油缸活塞位置反馈
木工机械:木材送料位置及电锯位置反馈等;
铁路轨道检测分析仪:铁轨间距测量;
风力发电:浆距角调节和煞车系统控制;
各种阀门、炉门、开度检测。
 
Q5:您觉得目前磁致伸缩位移传感器的发展还存在哪些问题呢?

磁致伸缩位移传感器的应用非常广泛,目前民用非常成熟,军用还需继续创新、完善产品线,研发出更多满足特殊应用场合的产品;比如微小电子仓尺寸、微磁产品等。
磁致伸缩传感器发展日臻完善,与进口产品的差距越来越小,设计人员在选型时应充分了解产品的各项性能指标,提出满足设计及使用要求的指标,不再拔高产品的技术指标。设计人员也要意识到磁尺在实验室的理想测试环境、理论技术指标在实际工况中基本达不到。

武汉康宇通达测控仪表有限公司
武汉康宇通达测控仪表有限公司是一家专业从事各种压力、液位、位移、角度待传感器及配套仪表研发、生产和代理销售的高科技企业,公司专注于为各行业的广大客户提供测量和控制各种工况下的压力、液位、位移、角度等参数的最佳解决方案。经过近20年的产品应用和选型指导积累了大量的实际应用经验,产品已获得多项质量和安全认证。公司拥有雄厚的技术力量,先进的生产工艺设备,完善的质量管理体系,丰富的产品选型和工程应用经验,可为广大客户提供最恰当的产品和最适合的技术服务。


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