基于磁敏元件的双重纠错绝对式编码油缸设计

　　随着电力电子技术的发展，采用微功耗的集成磁敏元件进行非接触式测量，是传感检测技术的重要发展方向。针对长行程液压缸的位移检测，文献[1]和文献[2]提出了基于磁场强度测量的油缸位移测量方法。该方法采用一个线性霍尔元件，对油缸活塞杆齿槽内的磁场强度进行测量，霍尔元件通过移位读取绝对位置编码。但是该方法需要模数转化，初始运动较大一段距离后，才能读数测量，并且按照帧重叠进行的编码序列，不具有唯一性，这不利于编码的标准化扩展。为解决上述问题，文献[3]提出了一种利用磁敏元件阵列的数字式位移测试方法，在编码识别中采用具有标识码的间隔移位读数方法，测量分辨率小于霍尔元件的轴间尺寸。但是，该方法的测量结果不能跨越两个完整码区，所以不能进行码值的逐位纠错。本文使用微功耗集成霍尔元件 TLE4913，设计一种基于以上基础的双重纠错编译码油缸，通过编码过程的码区填充和译码过程的逐位纠错，使测量分辨率小于霍尔元件的轴间尺寸的同时，提高位移测量过程的可靠性和抗干扰能力。该方法在长行程油缸位移测量中具有很高的性价比。

　　1磁敏元件的选择

　　磁场检测所用的磁敏元件主要包括半导体磁阻和霍尔器件，它们都可以制成集成线性器件和开关器件。当作为开关器件使用时，选择磁敏元件则主要关心磁敏元件的体积、测试探头的尺寸以及探头封装的垂直度，磁敏元件的面积与被测磁场的面积相比越小，磁场检测的分辨率和精度越高。

　　如图 1 所示为微功耗集成霍尔开关 TLE4913，SC59- 3- x贴片封装，供电电压 2.4～5.5V，输入电流 1 μA，导通电流 1mA，长度和宽度均为 3 mm，磁敏感区小于 0.5 mm。该芯片价格便宜，内部集成误差补偿和逻辑运算电路，抗干扰能力强，并且具有4 kV 静电保护，正常工作温度为 - 40～85 ℃，适应工程应用中液压油缸的作业环境。此外，该芯片工作电压和功耗都很低，能够适应由电池直接供电的场合，如制成无线位移传感器等。

　　2 活塞杆编译码的设计

　　2.1 活塞杆编码原理

　　工业工程领域中，长行程油缸作为执行机构应用十分广泛，特别是在大型、重型设备(如大型水闸提升设备、海洋工程、工程机械等)中，使用极其普遍。采用传统方法对长行程油缸进行位移测量时，必须使用大量程的位移传感器，如拉线式传感器、磁致伸缩传感器等，显然既不经济，安装十分困难，并且不能进行绝对位移测量。

　　根据文献[3]所述，采用如图 2 所示的非接触式测量结构。在被测的铁磁性材料工作部件(即油缸活塞杆)表面加工有凹槽和凸槽，上面喷涂有非磁性材料(如陶瓷)。霍尔元件按照排列方向与活塞杆平行安装，当相对活杆运动时，能够检测到凹凸部位不同的磁场强度。以单位宽度为 b(mm)的凹槽表示数据位“0”或填充位，以单位宽度的凸槽表示数据位“1”或标志位，凹槽或凸槽的高度均为 h(mm)。标志位用两个连续的凸槽表示，相邻两个数据位之间，或者数据位与标志位之间，均有一个填充位。所以，在活塞杆表面任取一个码段，出现连续凸槽的一定为标志位另外，数据位的编码规则采用格雷码，因为格雷码在相邻两个码值转化时，只有一位元素发生变化，可以减少逻辑混淆和实现纠错。