帶磁電阻位移傳感器的電液伺服缸

隨著工業自動化水平的普遍提高和國內外液壓技術的飛速發展，要求對液壓缸進行位移檢測的場合也越來越多，對傳感器的抗干擾能力，抗污染能力等要求也越來越高。在這樣的市場需求情況下，國外于20世紀90年代中期研制并生產出了一種新型位移傳感器——MR（磁電阻）位移傳感器，同時在此基礎上研制開發出了一系列帶MR位移傳感器的電液伺服缸（以下簡稱MR液壓缸）。

1．MR傳感器

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

MR傳感器是利用某些金屬、合金和化合物等在磁場力作用下，在外加電場方向的電流分量發生大小變化時會表現出其電阻大小發生變化，即磁電阻效應來工作的。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芯片中選出兩個相同特性的芯片(MR1、MR2)串聯連接，在兩個MR芯片上用永久磁鐵加以均等的偏磁場。將兩個MR芯片的連接部分引出輸出接頭，輸出電壓為V₀（見圖35）。在串聯的MR芯片兩端加直流電壓V時，輸出電壓V₀是電壓V的一半，這個靜態電壓又稱作中點電壓。

當在兩個MR芯片上加不同強度磁場時，就導致兩個MR芯片的阻值變化，此時的輸出電壓與中點電壓呈不同值。如圖35所示，MR1上加以強磁場后，因它的電阻值比MR2大，輸出電壓比中點電壓低，相反MR2上加上強磁場后，其輸出電壓比中點電壓高。

同樣考慮動態磁場時的檢測狀況(見圖36)。當兩個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，MR2上產生比MRl強的磁場。這樣MR2的阻值就會增大，輸出電壓也隨之變高，當物體連續往復運動時，就可輸出類似正弦波的信號。當用4個MR芯片相差一定角度連結成電橋后，就可以根據物體按不同方向運動時輸出信號的超前與滯后關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量，可靠性高和使用壽命長，耐振好(可達20G)，抗沖擊(可達100G)能力強，防腐性能好，不受油漬、溶液、灰塵，空間電場及寄生電容等影響，工作性能穩定等特點。同時，由于MR傳感器內部集成了數字處理電路，所以它還具有直接輸出數字信號，便于計算機處理的優點。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，使之起到磁標尺的作用，就可以制造出MR液壓缸。另外，MR傳感器還可應用于測量齒輪轉數，精密地控制電動機的轉動，檢測帶有磁性的物體，如紙幣的防偽及其他的應用等。

2．MR液壓缸

(1) MR電液伺服液壓缸結構簡圖如圖37所示。從圖37可以看出，MR液壓缸在結構上與普通伺服缸的區別主要在于：①MR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。

活塞桿作為執行件，在傳遞功率和力的同時，還起到了磁標記尺的作用。在活塞桿表面上加工出一系列等距離的環狀凹凸槽后，為了防止泄漏，對凹槽還需要進行工藝處理，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行相應的工藝處理。這樣，傳感器的凹凸槽（磁標尺）就組成了一個完整的傳感器。

(2)MR液壓缸的工作原理。活塞桿在運動過程中，每經過一個凹凸槽，就會引起一次磁阻敏感元件電阻大小發生周期性的變化，經過傳感器內部固有的集成電路處理后，就可直接輸出周期性的一個或多個方波（方波數的多少，取決于內部的處理電路），從而產生脈沖，觸發外接觸發電路和計數電路。這樣，活塞桿工作時，每移動一個凹凸槽，計數器就被觸發計數一次或多次，移動了多少個凹凸槽，就會觸發計數出相應的次數，于是，液壓缸的位移就可以通過所計數到的脈沖數和凹凸槽距離之間的特定關系來確定了。

MR液壓缸在飛機與船舶舵機控制系統、雷達、火炮控制系統、精密沖床、振動實驗臺以及六自由度仿真轉臺等方面有著廣泛的應用。一方面用來提供動力，傳遞功率；另一方面可以進行位移檢測，實現位置控制。此外，MR液壓缸還可應用于壓鑄機，游樂場的模擬游戲機，木材加工機械以及礦山機械、建筑機械、地下機械等野外作業要求對位移進行檢測，而環境條件又相對惡劣的場合。MR傳感器是進行模塊化封裝的，防水性能好，對有位移檢測和位置控制要求的水下作業，MR液壓缸的優勢是顯而易見的。