位移測量數(shù)據(jù)異常分析

田曉兵

（鄭州機(jī)電工程研究所，河南鄭州，450015）

0 前言

位移傳感器的功能是把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可計(jì)量、可記錄或傳送的電信號，在位置、位移、速度等測量中有廣泛的應(yīng)用。

某次試驗(yàn)需要測量裝置內(nèi)活塞在高壓燃?xì)庾饔孟碌奈灰茣r(shí)間參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)課題組預(yù)示數(shù)據(jù)，在約1s時(shí)間內(nèi)，活塞位移約200mm；據(jù)此參數(shù)選取了美國約克公司生產(chǎn)的（YK160-1505-C8SU）位移傳感器，此類型傳感器具有大位移行程、高回彈力、快速響應(yīng)、測量精度較高等特點(diǎn)。

此類傳感器由可拉伸的不銹鋼細(xì)拉繩排繞在一個(gè)有螺紋的輪轂上，此輪轂與一個(gè)精密感應(yīng)器連接，感應(yīng)器可以是編碼器或精密旋轉(zhuǎn)電位器。

試驗(yàn)中選擇的YK160-1505-C8SU拉繩位移傳感器為模擬輸出型，敏感元件為精密電位器。它通過精密電位器元件將位移量轉(zhuǎn)換為與之成比例線性或函數(shù)關(guān)系的電壓量或電阻量輸出，位移傳感器的可滑動(dòng)電刷與被測運(yùn)動(dòng)物體直接或間接相連，物體的位移引起電位器滑動(dòng)端的電阻變化。電阻值的變化量反映了位移的量值，電阻值的增加或減小則表明了運(yùn)動(dòng)物體位移的方向，在電位器上加載電源電壓，就可以將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

精密電位器的導(dǎo)電材質(zhì)可以是金屬膜材料或是導(dǎo)電塑料及繞線電阻。金屬膜電位器的電阻體可由合金膜、金屬氧化物組成，特點(diǎn)是分辨率高、溫度系數(shù)小、耐高溫、平滑性好，但是價(jià)格昂貴。導(dǎo)電塑料電位器是用特殊工藝將DAP（鄰苯二甲酸二稀丙脂）電阻漿料覆在絕緣基體上，加熱聚合成電阻膜，特點(diǎn)是平滑性好、耐磨性好、耐化學(xué)腐蝕、壽命長、可靠性高、價(jià)格昂貴。繞線電阻是將康銅絲或鎳鉻合金絲，繞制在絕緣骨架上制成，由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性呈階梯性，因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值，其特點(diǎn)是使用方便，價(jià)格低廉，接觸電阻小，溫度系數(shù)小，精度較高，缺點(diǎn)是阻值偏低，高頻特性差，分辨力差，易磨損。

在實(shí)際現(xiàn)場測量中，位移傳感器安裝在固定位置上，拉繩緊固在移動(dòng)物體上，拉繩直線運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軸線對準(zhǔn)，運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，拉繩伸展或收縮，內(nèi)部彈簧保證拉繩的張緊度不變，拉繩的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)精密感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)與拉繩位移距離成比例的電信號，測量輸出的電信號就可以得出運(yùn)動(dòng)物體的位移、方向或速率。

傳感器需經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室計(jì)量檢定校準(zhǔn)后方可使用，以保證測量工作的準(zhǔn)確性。

1 測量系統(tǒng)組建

1.1 測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)組成框圖

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際工況要求，選取采集設(shè)備型號DEWE2010，測量傳感器型號YK160-1505-C8SU。數(shù)據(jù)采集設(shè)備DEWE2010采樣頻率為5000Hz，A/D精度為12bit，信噪比60dB，誤差范圍為0.5%，傳感器為模擬電壓輸出，輸出范圍0～5V，彈簧張力26N,線性誤差范圍0.35%。

1.2 測量系統(tǒng)連接

首先對使用的傳感器、測量電纜進(jìn)行編號，電纜編號應(yīng)與對應(yīng)傳感器編號一致。

傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引出線定義：CW—電源激勵(lì)正、CCW—公共地、S—信號輸出。

按以上定義，焊接測試電纜，連接完畢后，檢查傳感器連接對應(yīng)關(guān)系，確保芯線對應(yīng)關(guān)系正確，芯線通斷、絕緣符合測量技術(shù)要求；如接線定義錯(cuò)誤，會造成傳感器損壞。

系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試校準(zhǔn)滿足工作要求后，進(jìn)行現(xiàn)場測量。

2 現(xiàn)場測量

上述準(zhǔn)備工作完成后，進(jìn)入正式測量工作。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，減少偶然誤差，采用同一工況多次測量的方法，采集到多組數(shù)據(jù)，其中有一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。圖2為試驗(yàn)得到的正常位移曲線，圖3為異常位移曲線。

圖2 位移測點(diǎn)正常曲線

圖3 位移測點(diǎn)異常曲線

由圖2可見，活塞上位移測點(diǎn)曲線由零點(diǎn)時(shí)刻開始較連續(xù)平滑移動(dòng)至203.2mm處停止，時(shí)間間隔0.839S，所得測量曲線與理論計(jì)算預(yù)示值較吻合。

由圖3可見,活塞上位移測點(diǎn)曲線由零點(diǎn)時(shí)刻開始移動(dòng)至0.5255s處時(shí)，活塞位置移動(dòng)6.9mm；由0.5255s至0.5345s時(shí)，活塞位移110.6mm；由0.5346s至0.8655s時(shí)，活塞位移203.7mm。圖3位移曲線后段與圖2位移曲線進(jìn)行基本重合，與理論預(yù)示值較吻合；但圖3中前半段0.5255s之前，位移變化較為緩慢，在0.5255s后出現(xiàn)了突變，突變之后回歸正常。

3 異常分析

發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常后，進(jìn)行了排故處理，更換了異常傳感器。為了進(jìn)一步查找原因，在實(shí)驗(yàn)室中做模擬性試驗(yàn)：將異常傳感器按接線定義連接，監(jiān)測記錄信號輸出端電壓。經(jīng)過多次反復(fù)快速牽拉傳感器試驗(yàn)，采集到多組數(shù)據(jù)，故障復(fù)現(xiàn)。圖4為輸出異常時(shí)的電壓曲線。

圖4 輸出電壓異常曲線

由圖4可見，位移傳感器試驗(yàn)全過程中，傳感器輸出電壓曲線大部分平滑連續(xù)，但在30.7s附近，傳感器輸出電壓有一明顯突變，位移傳感器輸出已出現(xiàn)異常。

將異常處放大可以發(fā)現(xiàn)，在30.7s處傳感器輸出電壓有尖峰突變，由此判斷此時(shí)傳感器輸出已出現(xiàn)異常。為了進(jìn)一步確定故障原因，對故障傳感器進(jìn)行了逐步拆解檢查，拆解過程如圖5所示。

圖5 傳感器拆解圖片1

拆除轉(zhuǎn)動(dòng)部分保護(hù)罩，顯示轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂及金屬拉繩。經(jīng)過檢查輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)正常，平順無卡阻現(xiàn)象。金屬拉繩為直徑0.4mm高強(qiáng)度多股不銹鋼繩，目測檢查無斷絲等異?，F(xiàn)象，經(jīng)過金屬拉伸試驗(yàn)機(jī)實(shí)際測量，金屬拉繩拉斷力為97 N,遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂彈簧張力26 N，判斷數(shù)據(jù)異常與拉繩無關(guān)。繼續(xù)拆除保護(hù)罩，顯示多圈精密電位器外部結(jié)構(gòu)正常，經(jīng)過檢查傳感器接線樁完好，接線焊接完好。

拆除電位器保護(hù)罩，顯示電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)檢查精密電阻為線繞式電阻，滑動(dòng)接觸件為銅環(huán)。由此猜測造成數(shù)據(jù)異常主要有以下兩方面原因:

圖6 傳感器拆解圖片3

（1）傳感器使用時(shí)間較長造成精密感應(yīng)器（精密多圈電位器）內(nèi)部電路滑動(dòng)接觸部件接觸不良。

（2）多次的強(qiáng)沖擊牽拉造成機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置定位軸承磨損，影響精密多圈電位器旋轉(zhuǎn)時(shí)的同軸度，最終造成電路滑動(dòng)接觸部件接觸不良。

4 故障處理

經(jīng)過以上分析，本次數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象最終歸結(jié)為精密多圈電位器滑動(dòng)部件接觸不良，更換電位器后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸正常。為了預(yù)防故障的再次發(fā)生，在實(shí)際安裝使用時(shí)，傳感器應(yīng)盡量選擇沖擊振動(dòng)較小的安裝平面安裝，或采取減震措施安裝，例如可以在拉繩傳感器底板安裝減震墊或減震彈簧組件；隨時(shí)檢查鋼絲拉繩的磨損境況，稍有磨損立即更換；靈活選用測量方式，合理選擇使用傳感器的拉伸行程或回彈行程測量。

拉繩位移傳感器屬于精密儀器，安裝時(shí)嚴(yán)禁敲擊，摔打，安裝使用不當(dāng)會影響拉繩位移傳感器的性能和使用壽命；過量的粉塵、積屑足以破壞鋼絲、滑輪、出線口，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不順的故障；勿用手或其他物品將鋼絲拉繩拉出并讓其瞬間自行彈回，這樣會造成鋼絲拉線斷裂；接線務(wù)必正確，錯(cuò)誤接線會導(dǎo)致內(nèi)部電路損壞；拉繩頭安裝時(shí)，須注意與出線口的垂直，亦即盡量使鋼絲繩垂直于出線口抽出，保持最小角度（小于等于3°）以確保測量精度及鋼絲繩的壽命；同時(shí)拉線頭固定后到移動(dòng)部件初始位置距離和測量行程總長要在拉線允許的范圍內(nèi)；拉線表面的涂塑，勿讓其受外力的割傷燒毀，否則會影響拉繩壽命；不要將傳感器的輸出線和動(dòng)力線等繞在一起或同一管道傳輸，也不易在配線盤附近使用，以防電磁干擾。

5 結(jié)束語

位移測量的方法很多，如使用激光、光柵尺、磁柵尺、差動(dòng)變壓器、電渦流、電容式傳感器都能很精確地測量各種位移的變化量。

拉繩式位移傳感器充分結(jié)合了角度位移傳感器、直線位傳感器以及齒輪、條傳動(dòng)的各種優(yōu)點(diǎn)，是一種結(jié)構(gòu)緊湊、多用途安裝簡便且安裝空間尺寸小，以其體積小，準(zhǔn)確和安裝靈活簡單，惡劣環(huán)境防護(hù)性強(qiáng)適用于各種環(huán)境，滿足用于工程測量的精度要求。