液压缸活塞杆行程检测系统设计文献综述

文献综述

1.课题研究的现状在各类工程机械系统中，液压缸的使用已经非常普遍[1] ,如农业机械、矿山设备、冶金设备、动力设备、化工设备等等，而在机械设备的使用过程中，机械设备的安全运行是是各种作业正常运作的前提，一旦出现故障就会严重影响相关工作的进行，甚至威胁到人员的生命安全。对于广泛应用于机械设备中的液压缸就是我们所需要重点监测的对象之一。工程机械中的液压缸，属于“活塞式结构”。液压缸是将流体压力或功率转变为机械力或功率的最常用装置[2]。常见的液压缸主要由以下结构组成：①-端板②-缸体③-活塞④-密封环⑤-活塞杆⑥-导向套⑦-密封圈⑧-压盖等组成。由于液压缸拖动沉重的部件运动至行程极限位置时，往往会发生剧烈的压力和顿力冲击和振动，

使系统工作不平稳，产生刺耳的噪声，有时甚至使紧固件松动[3-4]，损坏液压部件，机械设备，对人员安全产生威胁。因此对于液压缸行程检测就十分必要。目前对于液压缸行程检测的装置按安装形式可分为外置式和内置式两种[5]。外置式行程检测装置维护方便、检修也容易，缺点是占用空间大、易损坏。主要形式如图所示。内置式行程检测装置

与外置式相反，维护检修都不方便，优点是占用空间小，受外界环境干扰小。内置式行程检测装置形式多样[6]。常见的采用的超声波位移传感器[7]、在液压缸杆上制作标尺[8]、磁致伸缩式传感器、光栅尺、磁栅尺[9]、光电编码器[10]、利用霍尔效应[11]等。 对于上述方法各自的工作原理及优缺点：①超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量中，声波信号由传感器发出，经液体或固体物体表面反射后折回由同一传感器接收，可以测量声波的整个运行时间，从而实现物体位置的测量[12]。优缺点：成本低，但稳定性和对环境的适应性差，灵敏度低，适用距离范围小。②在液压缸杆上制作标尺是预先在液压缸活塞杆体上刻上标尺，覆盖上非铁磁性镀层后对液压缸的结构没有影响。因为液压缸活塞杆一般是铁磁性材料，所以有了标尺后可通过磁场或电磁感应现象进行检测[10]。优缺点：维护维修方便、加工成本低，但采用电涡流传感器时灵敏度较低。③磁致伸缩位移传感器是一种能产生和检测铁磁材料时变应力或应变的传感器。其工作原理是根据磁致伸缩效应和磁致逆缩效应原理，通过测激励脉冲和应变回波信号之间的时间间隔获得位移值的传感器[13-15]。磁致伸缩效应是焦耳于1842发现的磁性材料在变化的磁场中其长度和体积会产生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩，又称焦耳效应。优缺点：可应用于极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响，能应用于高温、高压和高振荡的环境中。需注意传感器供电电源是否充足，不然容易造成测量误差变大。同时要注意调频干扰和静电干扰的问题。④光栅尺的工作原理是标尺与扫描掩模之间的相对移动，在光源照射下形成莫尔条纹，莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号，就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法，得到不同测量步距的计数脉冲信号，这两路信号接入后续的可逆计数电路，计数器的计数值再乘以测量步距测为光栅尺的位移测量值[16-18]。⑤磁栅尺的工作原理是利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。它由磁栅、磁头和检测电路组成。优缺点：具有较高的精度和分辨率、看干扰能力强、使用寿命长维护简单、可做长距离测量，但精度没有光栅尺高[19]。⑥增量式光电编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计算，以此比表示转过的角位移量。它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成[20]。在液压缸上应用时，一端固定在活塞上的钢丝绳缠绕在滚筒上，在滚筒的轴上就得到了角度的变化量，使用卷簧拉紧钢丝绳。把变为角度的直线位移变化量通过转轴由光电编码器进行测量[10]。优缺点：精度较高、行程长，但维修困难且存在一定的无效长度。⑦霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差[21]。基于这种原理在活塞杆运动过程中霍尔传感器就输出交替变化的强弱电压信号经电路变换后可转换为一系列脉冲信号。对此信号进行一定处理然后通过脉冲计数就可获得液压缸位移或速度的大小[22]。

本课题提出基于拉绳式位移传感器对液压缸的活塞杆的伸出行程的模拟量进行实时检测。该硬件系统包含拉绳式位移传感器、具有WiFi功能的数据采集卡[23]、开关电源等硬件构成。拉绳式位移传感器由。可将机械位移量转化为可计量的、成线性比例的电信号。当被测物体产生位移时，拉动与其相连的传感器绳索，绳索带动传感器传动机构与编码器同步转动；当反向移动时，传感器内部的自动回转装置（盘弹簧）将自动收回绳索，并在绳索伸收过程中保持其张力不变；从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号，且不受外部框架摇摆的影响[24]。相对于光栅尺等传感器，虽然精度不高，其安装方便尺寸小、结构紧凑、测量行程大、价格低廉、抗干扰能力强[25]是一款特别适合该课题的传感器。

2.课题研究的意义和价值针对在各类机械设备中广泛应用的液压缸活塞杆偏窜至上、下极限位置时易导致机械设备、液压元件损坏等事故发生的现象，构建基于拉线式位移传感器、带有Wifi功能的数据采集卡等构建活塞杆行程检测硬件系统，基于虚拟仪器Labview构建活塞杆伸出行程在线检测、危险状态报警、存储与查询系统。为检测各机械设备上活塞杆行程状态及进行故障维护提供技术支持。

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