帶磁電阻位移傳感器的電液伺服缸

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的普遍提高和國(guó)內(nèi)外液壓技術(shù)的飛速發(fā)展，要求對(duì)液壓缸進(jìn)行位移檢測(cè)的場(chǎng)合也越來越多，對(duì)傳感器的抗干擾能力，抗污染能力等要求也越來越高。在這樣的市場(chǎng)需求情況下，國(guó)外于20世紀(jì)90年代中期研制并生產(chǎn)出了一種新型位移傳感器——MR（磁電阻）位移傳感器，同時(shí)在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)出了一系列帶MR位移傳感器的電液伺服缸（以下簡(jiǎn)稱MR液壓缸）。

1．MR傳感器

MR傳感器由三部分組成：①刻有凹凸槽的磁標(biāo)記尺}◎測(cè)量磁標(biāo)記的磁阻敏感元件；③信號(hào)處理電路板。

MR傳感器是利用某些金屬、合金和化合物等在磁場(chǎng)力作用下，在外加電場(chǎng)方向的電流分量發(fā)生大小變化時(shí)會(huì)表現(xiàn)出其電阻大小發(fā)生變化，即磁電阻效應(yīng)來工作的。將這些材料做成薄膜型磁阻敏感元件(MR芯片)，并和永久磁鐵以及內(nèi)部處理電路集成封裝在一起，組成傳感器頭，再加上外接的磁標(biāo)記尺就組成了MR位移傳感器。

從具有這種特性的MR芯片中選出兩個(gè)相同特性的芯片(MR1、MR2)串聯(lián)連接，在兩個(gè)MR芯片上用永久磁鐵加以均等的偏磁場(chǎng)。將兩個(gè)MR芯片的連接部分引出輸出接頭，輸出電壓為V₀（見圖35）。在串聯(lián)的MR芯片兩端加直流電壓V時(shí)，輸出電壓V₀是電壓V的一半，這個(gè)靜態(tài)電壓又稱作中點(diǎn)電壓。

當(dāng)在兩個(gè)MR芯片上加不同強(qiáng)度磁場(chǎng)時(shí)，就導(dǎo)致兩個(gè)MR芯片的阻值變化，此時(shí)的輸出電壓與中點(diǎn)電壓呈不同值。如圖35所示，MR1上加以強(qiáng)磁場(chǎng)后，因它的電阻值比MR2大，輸出電壓比中點(diǎn)電壓低，相反MR2上加上強(qiáng)磁場(chǎng)后，其輸出電壓比中點(diǎn)電壓高。

同樣考慮動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)時(shí)的檢測(cè)狀況(見圖36)。當(dāng)兩個(gè)MR芯片的一方（如MR2）與類似鐵片的磁性體接近，磁力線朝著鐵片方向偏轉(zhuǎn)，MR2上產(chǎn)生比MRl強(qiáng)的磁場(chǎng)。這樣MR2的阻值就會(huì)增大，輸出電壓也隨之變高，當(dāng)物體連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可輸出類似正弦波的信號(hào)。當(dāng)用4個(gè)MR芯片相差一定角度連結(jié)成電橋后，就可以根據(jù)物體按不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出信號(hào)的超前與滯后關(guān)系來判斷物體的方向了。

MR傳感器具有分辨率較高，量程大，線性度好，工作溫度范圍寬，無接觸性傳感器間接測(cè)量，可靠性高和使用壽命長(zhǎng)，耐振好(可達(dá)20G)，抗沖擊(可達(dá)100G)能力強(qiáng)，防腐性能好，不受油漬、溶液、灰塵，空間電場(chǎng)及寄生電容等影響，工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。同時(shí)，由于MR傳感器內(nèi)部集成了數(shù)字處理電路，所以它還具有直接輸出數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)處理的優(yōu)點(diǎn)。把這種傳感器頭安裝在液壓缸（或氣缸）上，再在活塞桿上加工出一系列有尺寸要求的等距離凹凸槽，使之起到磁標(biāo)尺的作用，就可以制造出MR液壓缸。另外，MR傳感器還可應(yīng)用于測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)數(shù)，精密地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)帶有磁性的物體，如紙幣的防偽及其他的應(yīng)用等。

2．MR液壓缸

(1) MR電液伺服液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖37所示。從圖37可以看出，MR液壓缸在結(jié)構(gòu)上與普通伺服缸的區(qū)別主要在于：①M(fèi)R液壓缸的活塞桿是專用的；②在液壓缸端蓋上外掛有MR傳感器。

活塞桿作為執(zhí)行件，在傳遞功率和力的同時(shí)，還起到了磁標(biāo)記尺的作用。在活塞桿表面上加工出一系列等距離的環(huán)狀凹凸槽后，為了防止泄漏，對(duì)凹槽還需要進(jìn)行工藝處理，最常用的方法是在凹槽處填充上特殊材料。此外，為了增強(qiáng)活塞桿表面的硬度，提高耐磨性和防腐性，還需要在活塞桿的表面進(jìn)行相應(yīng)的工藝處理。這樣，傳感器的凹凸槽（磁標(biāo)尺）就組成了一個(gè)完整的傳感器。

(2)MR液壓缸的工作原理。活塞桿在運(yùn)動(dòng)過程中，每經(jīng)過一個(gè)凹凸槽，就會(huì)引起一次磁阻敏感元件電阻大小發(fā)生周期性的變化，經(jīng)過傳感器內(nèi)部固有的集成電路處理后，就可直接輸出周期性的一個(gè)或多個(gè)方波（方波數(shù)的多少，取決于內(nèi)部的處理電路），從而產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)外接觸發(fā)電路和計(jì)數(shù)電路。這樣，活塞桿工作時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)凹凸槽，計(jì)數(shù)器就被觸發(fā)計(jì)數(shù)一次或多次，移動(dòng)了多少個(gè)凹凸槽，就會(huì)觸發(fā)計(jì)數(shù)出相應(yīng)的次數(shù)，于是，液壓缸的位移就可以通過所計(jì)數(shù)到的脈沖數(shù)和凹凸槽距離之間的特定關(guān)系來確定了。

MR液壓缸在飛機(jī)與船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)、雷達(dá)、火炮控制系統(tǒng)、精密沖床、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及六自由度仿真轉(zhuǎn)臺(tái)等方面有著廣泛的應(yīng)用。一方面用來提供動(dòng)力，傳遞功率；另一方面可以進(jìn)行位移檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)位置控制。此外，MR液壓缸還可應(yīng)用于壓鑄機(jī)，游樂場(chǎng)的模擬游戲機(jī)，木材加工機(jī)械以及礦山機(jī)械、建筑機(jī)械、地下機(jī)械等野外作業(yè)要求對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)，而環(huán)境條件又相對(duì)惡劣的場(chǎng)合。MR傳感器是進(jìn)行模塊化封裝的，防水性能好，對(duì)有位移檢測(cè)和位置控制要求的水下作業(yè)，MR液壓缸的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。