液壓支架用新型位移傳感器設計

李和深

摘要：本文論述了一種基于磁致伸縮原理，新型液壓支架用位移傳感器的原理功能特點，以及設計要點。

關鍵詞：磁致伸縮;干簧管;液壓支架;單片機

中圖分類號：TD355文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）07-0100-02

Abstract：This article discusses the principle， function， and design points of a new type of displacement sensor for hydraulic supports based on the principle of magnetostriction.

Key words：magnetostrictive;reed pipe;hydraulic support;single chip microcomputer

1導論

當下新款液壓支架所用的位移傳感器是由磁致伸縮理論制造的非接觸式絕對位置測量的位移傳感器。它不僅能夠適應于多種測量與檢測之中，還可以結合著非接觸式測量手段來減少因為長時間使用而導致傳感器逐漸損壞的問題。除了傳感器的性能較為優質和能夠及時融入到所處環境之中較為可靠這幾個特點外，也擁有著受電源電壓變化的影響小，在-20℃到70℃范圍內均能正常使用，以此能夠為消費者創造出便利的條件，強于以往的干簧管式測控桿產品，能夠滿足使用者的實際需要。

2位移傳感器能夠給液壓支架帶來的好處

液壓支架屬于綜采設備中的關鍵部分之一，不僅可以對工作面的頂板起到一定的控制與支撐作用，還可以將采空區進行分隔，避免因矸石“跑”到回采工作面與輸送機中而產生的問題。液壓支架不僅能夠和采煤機一起進行操作，還能夠將機械化有效融入其中，改進在對煤開采時因為頂板的管理方式滯于工作的問題，繼而加強在采煤和其運輸過程中的效率，緩解勞動人民的辛苦程度，盡最大可能的使他們的生命財產安全得到保障。

液壓支架不僅可以使電液的控制系統成為綜采工作中自動化生產的主要方式，還能夠使其在生產工作進行設備的自動控制，加強工作面生產的成效，促使外部環境可以得到有效改善，保障勞動者的安全。SAC系統主要由支架控制器、支架人機操作界面、隔離耦合器、壓力傳感器、行程傳感器、隔爆電源、采煤機位置檢測裝置、井下主控計算機和電液控制主閥組等組成，

推移（推溜）千斤頂安裝于液壓支架的底部，其內置安裝一個位移傳感器，檢測推移千斤頂的活塞行程，進而掌握工作面的推進速度和累計推進量，以便準確制定工作計劃和推算煤炭產量。

3舊式位移傳感器存在的缺陷

干簧管式位移傳感器（測控桿），是目前在液壓支架電液控制系統普遍采用的位移傳感器。原理：

干簧管是磁敏的特殊類型開關，具有兩到三個導磁導電特性材料制作出的簧片觸口，被填制在擁有惰性氣體的真空玻璃管中，并與罐內的平行封裝簧片疊在一起，存有部分縫隙和接觸后形成的開關閉合點。那么就會使永久性磁鐵靠近干簧管時，簧片的接口會出現與極性相斥的磁極。因此當磁力超過簧片的抵抗力時，就會使相互分開的接口連接在一起。而磁力逐漸降低到一定的數值之后，接點又會在簧片抗力的不斷作用下恢復到原始狀態，以此完成這個開關動作。

把N個阻值相同的電阻串聯起來，在兩端加上一個固定的電壓V，每個電阻上的電壓為V/N，用N個干簧管即可分別提取每個分壓電阻對地的電壓值，因此可以得到一個連續量的電壓信號輸出。

存在缺點：

（1）該傳感器的精度和精度直接取決于干簧管的排列間隙，一般大于4mm。

（2）由于一根測控桿就需要上百個干簧管，工藝控制難度較大，產品有不少無法避免的缺陷，如制造工藝復雜、精確度低、使用壽命不長等。

4新型位移傳感器的設計

新型位移傳感器的設計主要來源于磁致伸縮的原理，在外形結構上完全與目前的干簧式測控桿兼容的，高精度低功耗位移傳感器。

4.1磁致伸縮的拾能原理。這一產品大多是由波導絲、測桿、電子倉和套在測桿上的沒有接觸過的磁環（里面裝著永久性的磁鐵）來進行組合的。那么就會使得傳感器在進行大量工作的時候，導致電子倉里面具有的電子電路會開始進行新一輪的脈沖。這次的脈沖會在磁致伸縮線（即波導絲）里面進行有效且高速地傳輸，并出現一部分沿著該位置向前游走的旋轉型磁場，當它和磁環里面的永久磁場遇到并進行碰撞后，便會使磁致伸縮出現反應，導致波導絲不斷地搖晃，繼而出現類似于音速的應變機械型脈沖，當它又被放置在在電子倉中的拾能區域進行感知時，便可以逐漸變化為對應的電流脈沖，繼而使操作者從電子電路角度將這兩個脈沖間的時間間隔計算出來，有效測量出位移的位置。即使斷電了，再通電后，測桿上永久磁環仍能提供絕對位置輸出，而不需要重新校驗和歸零。非接觸測量排除了磨損的因素，始終保持著最好的耐久性和輸出重復性。

4.2電路設計

（1）微信號放大電路。由于線圈拾取的返回信號較弱，容易引入噪聲或者干擾，因此要結合著由三運放形成的儀表器械來進行研究。例如圖一：

圖一例示中的A1、A2都屬于運算放大器下緩沖輸入的電壓模式。但在這一構造中，單純的增益電阻器，即RG則需要接入緩沖器的求和位置中間。因為每一個放大器的求和點處的電壓大多都類似于加在那些正輸入端口之中的電壓。所以每一種差分輸入類型的電壓都將彰顯在RG這兩個端口位置。并且當輸入的電壓被放大之后，它的差分電壓會分別出現在R5、RG、R6這三個位置中，因此差分電壓的增益效果便能夠利用RG不斷改進。通過這樣的接分方式，可以使減法器的電路增益用比幾率在與具體的電阻器進行匹配后，于增益變化后不會對其匹配要求進行設定。這樣的話，若R5等于R6，、R1等于R3、R2等于R4，那么VOUT=（VIN2-VIN1）（1+2R5/RG）（R2/R1）

因為RG兩個端口的電壓值等于VIN，所以經過RG的電流則與VIN/RG相同，這就意味著在信號被輸入之后，流經A1與A2的那部分便會得到放大后的增益。但需要操作者注意的是，在放大器輸入端的共模電壓內的RG兩個端口中擁有著一樣的位置，繼而電流無法從RG上面流經。正是因為沒有電流經過的緣故，所以A1和A2這兩個放大器將以特殊單位的身份對跟隨器起到工作時的增益效果。那么共模的信號將會用單位中的增益效果來對緩沖器進行輸入，使得差分電壓會根據〔1+（2RF/RG）〕這一系數逐漸加大。從理論角度來看，用戶是完全能夠從前端增益效果中獲益的，但不會增加共模增益與失誤差值，即差分信號將會以增益的比例不斷提高，略強于共模誤差，因此它具有的比率〔增益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）〕會不斷提升。

（2）應用單片機進行時間間隔測量的原理。磁致伸縮位移傳感器的計算方式是較為簡便的，它會把測量出的時間差和磁致伸縮扭轉波的傳導速度相乘，繼而得出位置等于扭轉波傳播速度乘以時差減去零點的位置，而零點位置在此過程中即為零區與死區相加的總和。因為磁致伸縮材料是由全圓形的截面絲所組成的，并依照著三維彈性相關理論，了解到扭轉波在傳播過程中是和圓截面桿中的圓柱中心所對稱的，繼而得出扭轉波的速度為c1=（G/ρ）1/2，公式中的G有著磁致伸縮材料切變模量的含義，而Q則代表磁致伸縮材料中的密度。那么位移L=c1*T0-L0（其中：c1代表著應變波的傳播快慢，T0則體現著時間間隔，L0為零點位置，零點位置等于零區與死區之和）。因此可以得知位移測量誤差⊿L=⊿c1*T0+⊿T0*c1，而對于里面的波導管而言，只要處于一定的溫度范疇中，都可以使G與P保持恒定，因此c1是恒定的，即⊿c1=0，那么位移測量的誤差主要由時間量檢測的誤差決定，⊿L=⊿T0*c1，所以在對位置進行計算時，重要的環節之一便是對時差進行測算。

現如今，信息化和電子技術正在不斷地發展，為精準測量提供出了許多性能高、體積小的器件，其中囊括著多種算法，因此操作者就可以結合著現代計算機技術，對聲波脈沖的傳導時間進行精準的測驗。一般情況下，數字電路擁有著噪聲低，精度高的特征，由外面連接的控制器觸發出信號。傳感器子接收電路利用觸發脈沖和回波脈沖調制產生出一個較寬的脈沖，大約與磁鐵的位置是正比關系。之后操作者要通過數字技術的手段來對其進行驗量，體現出計數的價值，保證能夠在脈沖觸發時開始計量，以此在接收到回波信號時漸漸停止。當利用計算器進行數值計量時，便可以有效地將位移數據運算出來。兩個窄脈沖信號分別為觸發脈沖和回波脈沖。利用這兩個窄脈沖信號調制出來的脈沖寬度分別為T2和T3。觸發信號的時間T1已知。如果計數器的時鐘頻率為f，周期為T。若對于T2段，計數器的計數值為m2，對于T3段的計數值為m3，那么T0=（m2+m3）*T/2+T1/2;由于采用數字計數方式測量，計數誤差是±1，時間誤差是±T。由此可得，當時間的分辨力變高時，位移的測量誤差就會越小，因此具有高分辨力的時間量的檢測對傳感器實現高精度的測量是非常關鍵的。因此操作者要提高對時間的分辨能力，那么加強計數器的時鐘頻率便是一個行之有效的方式，由⊿L=⊿T0*c1=c1/f其中：f為計數器的計數頻率。對于本傳感器的材料，c1=2830m/s，如果系統要求位移最大誤差為20um，則：f=2830*106/20=140MHz如果系統計數時鐘頻率為50MHz，則時間誤差為±20ns，位移最大誤差為56Lm。由此可見，如果達到系統高精度要求，這種簡單的計數方式需要很高的時鐘頻率。

CPU系統采用美國MICROCHIP公司的高性能、低功耗的8位CMOS FLASH單片微控制器PIC18f2520。該單片機具有RISC CPU;上電復位電路（POR）;上電延時定時器（PWRT）和震蕩器起振定時器（OST）;帶片內RC振蕩器的監視定時器（WDT）以保證可靠工作等性能特點。它內含一個4KX14位的程序存儲器，MI2C總線，MSSP接口，AUSART通用同步/異步收發器，16位定時器，CCP/PWM等外圍功能模塊。

PIC18F2520的定時器/計數器1（T/C1）具有輸入時的捕捉功能，當發生輸入捕捉的事件之后（邊沿性觸發，這里主要是設置成下降沿），那么T/C1值就會被傳輸到輸入捕捉寄存器中進行保存。輸入捕捉的單元囊括著一個數字濾波的單元（噪聲消除器）來減少噪聲的干擾。

當反射脈沖經過模擬電壓比較器輸出電平發生變化（這里設置為上降沿，由高電平變為低電平）。另外，該電平的變化是被一些邊沿檢測裝置所印證的，只要將其輸入便會有效激發。

時間的測量計數源為4MHz時鐘，因此時間傳感器分辨率即為時鐘周期，為250ns。

（3）進行DA有效轉換。DAC8512擁有著系統的串行輸入體系，也是一款由12位輸出電壓所組成的數模轉換器，它按照+5V的單電源模式進行供電，擁有內置的DAC、基準電壓源、軌到軌的輸出放大器及輸入移位寄存器等設施。而單芯片DAC則是由CBCMOS的工藝制作而出，比較適用于有著+5V電源插口的成熟設備之中，它擁有著成本較低，容易被應用的良好特征。

DAC8512的編碼方法是應用二進制的標準原則，先讓MSB進行加載，然后利用放大器在輸出時的擺幅將其供應到每一節電路軌道之中，將其設置成0V到+4.095V的范圍之中，結合著每位1mV的分辨率，提供出具有5毫安的吸電流和源電流。而通過激光進行調整的片內基準電壓源也能夠展現出4.095V的滿量程輸出型電壓。

如圖二所示，它三線式、高速的串行接口是和DSP相互兼容的，能夠提供出相關時鐘（CLK）、數據輸入（SDI）、負載選通（LD）的引腳，以此接到不同的DAC上面。

5結構設計

由于推移千斤頂油缸壓力最高能達到60M，所以對位移傳感器的耐壓有很高的要求，設計要一下兩個要點：

5.1測桿管壁計算，承壓管壁厚將通過下面的公式進行計算：

Er=PD/2Kφσs

公式中的Er——鋼管的壁厚（mm）;（采用2.5mm）

公式中的P——設計出的最大能夠承受的壓力（MPa）;

公式中的D——鋼管外部的直徑（mm）;（取17mm）

公式中的K——相當于設計方面的系數，大部分地域都是采用0.72這個數值;

公式中的φ——焊縫系數，取1.0;

公式中的σs——指的是材料中最低的屈服強度（MPa）。可以通過表格查詢到，不銹鋼304的σs=310

計算得

P=65Mpa>60Mpa

故符合要求。

5.2傳感器與油缸之間要采用O形圈形態進行密封。當O型圈被塞入到已經封號的溝槽中后，它的截面會能夠起到15～30%的壓縮效果，將其形狀進行細微地改變。并在介質的重壓下，逐漸移到溝槽的另一邊，以此起到良好的密封效果。O型圈的材料要選擇丁晴橡膠，具有柔韌、耐磨、耐油、耐化學藥品等性能，四氟乙烯擋圈，密封壓力可達100Mpa。

6結語

目前，自主開發的煤礦專用磁致伸縮測桿已經開始投向市場，，以其高性價比、高穩定性、高可靠性的特點在液壓支架的位移測量控制中發揮了重要作用，給客戶創造了價值。

參考文獻：

[1]李榮正.PIC單片機原理及應用（第3版）.北京：北京航空大學出版社，2002

[2]劉和平.單片機C語言編譯器及其應用：基于PIC18F系列.北京：北京航空大學出版社，2007.

[3]魯忠良老師，景國勛.液壓支架設計使用安全辨析.煤炭工業出版社，2006.

[4]王有緒.PIC系列單片機接口技術及應用系統設計.北京;北京航空大學出版社，2000

[5]Canny J.A computational approach to edge detection.IEEE T ransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1986，8（6）：679～698

[6]Hristoforon E and Reilly R E.Displacement Sensor Using Soft Magnetostrictive All oy[J]//IEEE.Transaction on magnetics.1994，30（5）：189-223.

[7]姚世選.磁致伸縮直線位移傳感器的機理研究與應用[D].山西：太原理工大學計算機與軟件學院，2007

[8]Miller G N，Lynnworth L C.High Temperature，High Pressure W Level Sensor Ult rasonics Symposium，1980（11）：877-881.

[9]孫可，袁梅.磁致伸縮液位傳感器信號拾取關鍵技術的研究.測控技術，2005