液壓支架用新型位移傳感器設(shè)計(jì)

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(diǎn)，以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：磁致伸縮;干簧管;液壓支架;單片機(jī)

中圖分類號：TD355文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)論

當(dāng)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(yīng)于多種測量與檢測之中，還可以結(jié)合著非接觸式測量手段來減少因?yàn)殚L時(shí)間使用而導(dǎo)致傳感器逐漸損壞的問題。除了傳感器的性能較為優(yōu)質(zhì)和能夠及時(shí)融入到所處環(huán)境之中較為可靠這幾個(gè)特點(diǎn)外，也擁有著受電源電壓變化的影響小，在-20℃到70℃范圍內(nèi)均能正常使用，以此能夠?yàn)橄M(fèi)者創(chuàng)造出便利的條件，強(qiáng)于以往的干簧管式測控桿產(chǎn)品，能夠滿足使用者的實(shí)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(shè)備中的關(guān)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(qū)進(jìn)行分隔，避免因矸石“跑”到回采工作面與輸送機(jī)中而產(chǎn)生的問題。液壓支架不僅能夠和采煤機(jī)一起進(jìn)行操作，還能夠?qū)C(jī)械化有效融入其中，改進(jìn)在對煤開采時(shí)因?yàn)轫敯宓墓芾矸绞綔诠ぷ鞯膯栴}，繼而加強(qiáng)在采煤和其運(yùn)輸過程中的效率，緩解勞動(dòng)人民的辛苦程度，盡最大可能的使他們的生命財(cái)產(chǎn)安全得到保障。

液壓支架不僅可以使電液的控制系統(tǒng)成為綜采工作中自動(dòng)化生產(chǎn)的主要方式，還能夠使其在生產(chǎn)工作進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)控制，加強(qiáng)工作面生產(chǎn)的成效，促使外部環(huán)境可以得到有效改善，保障勞動(dòng)者的安全。SAC系統(tǒng)主要由支架控制器、支架人機(jī)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(jī)位置檢測裝置、井下主控計(jì)算機(jī)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(nèi)置安裝一個(gè)位移傳感器，檢測推移千斤頂?shù)幕钊谐?，進(jìn)而掌握工作面的推進(jìn)速度和累計(jì)推進(jìn)量，以便準(zhǔn)確制定工作計(jì)劃和推算煤炭產(chǎn)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(tǒng)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(guān)，具有兩到三個(gè)導(dǎo)磁導(dǎo)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(nèi)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(guān)閉合點(diǎn)。那么就會(huì)使永久性磁鐵靠近干簧管時(shí)，簧片的接口會(huì)出現(xiàn)與極性相斥的磁極。因此當(dāng)磁力超過簧片的抵抗力時(shí)，就會(huì)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(shù)值之后，接點(diǎn)又會(huì)在簧片抗力的不斷作用下恢復(fù)到原始狀態(tài)，以此完成這個(gè)開關(guān)動(dòng)作。

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

存在缺點(diǎn)：

（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(gè)干簧管，工藝控制難度較大，產(chǎn)品有不少無法避免的缺陷，如制造工藝復(fù)雜、精確度低、使用壽命不長等。

4新型位移傳感器的設(shè)計(jì)

新型位移傳感器的設(shè)計(jì)主要來源于磁致伸縮的原理，在外形結(jié)構(gòu)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(chǎn)品大多是由波導(dǎo)絲、測桿、電子倉和套在測桿上的沒有接觸過的磁環(huán)（里面裝著永久性的磁鐵）來進(jìn)行組合的。那么就會(huì)使得傳感器在進(jìn)行大量工作的時(shí)候，導(dǎo)致電子倉里面具有的電子電路會(huì)開始進(jìn)行新一輪的脈沖。這次的脈沖會(huì)在磁致伸縮線（即波導(dǎo)絲）里面進(jìn)行有效且高速地傳輸，并出現(xiàn)一部分沿著該位置向前游走的旋轉(zhuǎn)型磁場，當(dāng)它和磁環(huán)里面的永久磁場遇到并進(jìn)行碰撞后，便會(huì)使磁致伸縮出現(xiàn)反應(yīng)，導(dǎo)致波導(dǎo)絲不斷地?fù)u晃，繼而出現(xiàn)類似于音速的應(yīng)變機(jī)械型脈沖，當(dāng)它又被放置在在電子倉中的拾能區(qū)域進(jìn)行感知時(shí)，便可以逐漸變化為對應(yīng)的電流脈沖，繼而使操作者從電子電路角度將這兩個(gè)脈沖間的時(shí)間間隔計(jì)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(huán)仍能提供絕對位置輸出，而不需要重新校驗(yàn)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(fù)性。

4.2電路設(shè)計(jì)

（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(jié)合著由三運(yùn)放形成的儀表器械來進(jìn)行研究。例如圖一：

圖一例示中的A1、A2都屬于運(yùn)算放大器下緩沖輸入的電壓模式。但在這一構(gòu)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?yàn)槊恳粋€(gè)放大器的求和點(diǎn)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(gè)端口位置。并且當(dāng)輸入的電壓被放大之后，它的差分電壓會(huì)分別出現(xiàn)在R5、RG、R6這三個(gè)位置中，因此差分電壓的增益效果便能夠利用RG不斷改進(jìn)。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(jìn)行匹配后，于增益變化后不會(huì)對其匹配要求進(jìn)行設(shè)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?yàn)镽G兩個(gè)端口的電壓值等于VIN，所以經(jīng)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(jīng)A1與A2的那部分便會(huì)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(nèi)的RG兩個(gè)端口中擁有著一樣的位置，繼而電流無法從RG上面流經(jīng)。正是因?yàn)闆]有電流經(jīng)過的緣故，所以A1和A2這兩個(gè)放大器將以特殊單位的身份對跟隨器起到工作時(shí)的增益效果。那么共模的信號將會(huì)用單位中的增益效果來對緩沖器進(jìn)行輸入，使得差分電壓會(huì)根據(jù)〔1+（2RF/RG）〕這一系數(shù)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(huì)增加共模增益與失誤差值，即差分信號將會(huì)以增益的比例不斷提高，略強(qiáng)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(huì)不斷提升。

（2）應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行時(shí)間間隔測量的原理。磁致伸縮位移傳感器的計(jì)算方式是較為簡便的，它會(huì)把測量出的時(shí)間差和磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波的傳導(dǎo)速度相乘，繼而得出位置等于扭轉(zhuǎn)波傳播速度乘以時(shí)差減去零點(diǎn)的位置，而零點(diǎn)位置在此過程中即為零區(qū)與死區(qū)相加的總和。因?yàn)榇胖律炜s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(guān)理論，了解到扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)變波的傳播快慢，T0則體現(xiàn)著時(shí)間間隔，L0為零點(diǎn)位置，零點(diǎn)位置等于零區(qū)與死區(qū)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(dǎo)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(shí)間量檢測的誤差決定，⊿L=⊿T0*c1，所以在對位置進(jìn)行計(jì)算時(shí)，重要的環(huán)節(jié)之一便是對時(shí)差進(jìn)行測算。

現(xiàn)如今，信息化和電子技術(shù)正在不斷地發(fā)展，為精準(zhǔn)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(jié)合著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，對聲波脈沖的傳導(dǎo)時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)的測驗(yàn)。一般情況下，數(shù)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(fā)出信號。傳感器子接收電路利用觸發(fā)脈沖和回波脈沖調(diào)制產(chǎn)生出一個(gè)較寬的脈沖，大約與磁鐵的位置是正比關(guān)系。之后操作者要通過數(shù)字技術(shù)的手段來對其進(jìn)行驗(yàn)量，體現(xiàn)出計(jì)數(shù)的價(jià)值，保證能夠在脈沖觸發(fā)時(shí)開始計(jì)量，以此在接收到回波信號時(shí)漸漸停止。當(dāng)利用計(jì)算器進(jìn)行數(shù)值計(jì)量時(shí)，便可以有效地將位移數(shù)據(jù)運(yùn)算出來。兩個(gè)窄脈沖信號分別為觸發(fā)脈沖和回波脈沖。利用這兩個(gè)窄脈沖信號調(diào)制出來的脈沖寬度分別為T2和T3。觸發(fā)信號的時(shí)間T1已知。如果計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為f，周期為T。若對于T2段，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為m2，對于T3段的計(jì)數(shù)值為m3，那么T0=（m2+m3）*T/2+T1/2;由于采用數(shù)字計(jì)數(shù)方式測量，計(jì)數(shù)誤差是±1，時(shí)間誤差是±T。由此可得，當(dāng)時(shí)間的分辨力變高時(shí)，位移的測量誤差就會(huì)越小，因此具有高分辨力的時(shí)間量的檢測對傳感器實(shí)現(xiàn)高精度的測量是非常關(guān)鍵的。因此操作者要提高對時(shí)間的分辨能力，那么加強(qiáng)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率便是一個(gè)行之有效的方式，由⊿L=⊿T0*c1=c1/f其中：f為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率。對于本傳感器的材料，c1=2830m/s，如果系統(tǒng)要求位移最大誤差為20um，則：f=2830*106/20=140MHz如果系統(tǒng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為50MHz，則時(shí)間誤差為±20ns，位移最大誤差為56Lm。由此可見，如果達(dá)到系統(tǒng)高精度要求，這種簡單的計(jì)數(shù)方式需要很高的時(shí)鐘頻率。

CPU系統(tǒng)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(jī)具有RISC CPU;上電復(fù)位電路（POR）;上電延時(shí)定時(shí)器（PWRT）和震蕩器起振定時(shí)器（OST）;帶片內(nèi)RC振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器（WDT）以保證可靠工作等性能特點(diǎn)。它內(nèi)含一個(gè)4KX14位的程序存儲器，MI2C總線，MSSP接口，AUSART通用同步/異步收發(fā)器，16位定時(shí)器，CCP/PWM等外圍功能模塊。

PIC18F2520的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1（T/C1）具有輸入時(shí)的捕捉功能，當(dāng)發(fā)生輸入捕捉的事件之后（邊沿性觸發(fā)，這里主要是設(shè)置成下降沿），那么T/C1值就會(huì)被傳輸?shù)捷斎氩蹲郊拇嫫髦羞M(jìn)行保存。輸入捕捉的單元囊括著一個(gè)數(shù)字濾波的單元（噪聲消除器）來減少噪聲的干擾。

當(dāng)反射脈沖經(jīng)過模擬電壓比較器輸出電平發(fā)生變化（這里設(shè)置為上降沿，由高電平變?yōu)榈碗娖剑?。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(huì)有效激發(fā)。

時(shí)間的測量計(jì)數(shù)源為4MHz時(shí)鐘，因此時(shí)間傳感器分辨率即為時(shí)鐘周期，為250ns。

（3）進(jìn)行DA有效轉(zhuǎn)換。DAC8512擁有著系統(tǒng)的串行輸入體系，也是一款由12位輸出電壓所組成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它按照+5V的單電源模式進(jìn)行供電，擁有內(nèi)置的DAC、基準(zhǔn)電壓源、軌到軌的輸出放大器及輸入移位寄存器等設(shè)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(shè)備之中，它擁有著成本較低，容易被應(yīng)用的良好特征。

DAC8512的編碼方法是應(yīng)用二進(jìn)制的標(biāo)準(zhǔn)原則，先讓MSB進(jìn)行加載，然后利用放大器在輸出時(shí)的擺幅將其供應(yīng)到每一節(jié)電路軌道之中，將其設(shè)置成0V到+4.095V的范圍之中，結(jié)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(jìn)行調(diào)整的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源也能夠展現(xiàn)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(guān)時(shí)鐘（CLK）、數(shù)據(jù)輸入（SDI）、負(fù)載選通（LD）的引腳，以此接到不同的DAC上面。

5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于推移千斤頂油缸壓力最高能達(dá)到60M，所以對位移傳感器的耐壓有很高的要求，設(shè)計(jì)要一下兩個(gè)要點(diǎn)：

5.1測桿管壁計(jì)算，承壓管壁厚將通過下面的公式進(jìn)行計(jì)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(shè)計(jì)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(dāng)于設(shè)計(jì)方面的系數(shù)，大部分地域都是采用0.72這個(gè)數(shù)值;

公式中的φ——焊縫系數(shù)，取1.0;

公式中的σs——指的是材料中最低的屈服強(qiáng)度（MPa）?？梢酝ㄟ^表格查詢到，不銹鋼304的σs=310

計(jì)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(tài)進(jìn)行密封。當(dāng)O型圈被塞入到已經(jīng)封號的溝槽中后，它的截面會(huì)能夠起到15～30%的壓縮效果，將其形狀進(jìn)行細(xì)微地改變。并在介質(zhì)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(xué)藥品等性能，四氟乙烯擋圈，密封壓力可達(dá)100Mpa。

6結(jié)語

目前，自主開發(fā)的煤礦專用磁致伸縮測桿已經(jīng)開始投向市場，，以其高性價(jià)比、高穩(wěn)定性、高可靠性的特點(diǎn)在液壓支架的位移測量控制中發(fā)揮了重要作用，給客戶創(chuàng)造了價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李榮正.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用（第3版）.北京：北京航空大學(xué)出版社，2002

[2]劉和平.單片機(jī)C語言編譯器及其應(yīng)用：基于PIC18F系列.北京：北京航空大學(xué)出版社，2007.

[3]魯忠良老師，景國勛.液壓支架設(shè)計(jì)使用安全辨析.煤炭工業(yè)出版社，2006.

[4]王有緒.PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京;北京航空大學(xué)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(jī)理研究與應(yīng)用[D].山西：太原理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)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(guān)鍵技術(shù)的研究.測控技術(shù)，2005