位移测量数据异常分析

田晓兵

（郑州机电工程研究所，河南郑州，450015）

0 前言

位移传感器的功能是把机械运动转换成可计量、可记录或传送的电信号，在位置、位移、速度等测量中有广泛的应用。

某次试验需要测量装置内活塞在高压燃气作用下的位移时间参数，根据试验课题组预示数据，在约1s时间内，活塞位移约200mm；据此参数选取了美国约克公司生产的（YK160-1505-C8SU）位移传感器，此类型传感器具有大位移行程、高回弹力、快速响应、测量精度较高等特点。

此类传感器由可拉伸的不锈钢细拉绳排绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密感应器连接，感应器可以是编码器或精密旋转电位器。

试验中选择的YK160-1505-C8SU拉绳位移传感器为模拟输出型，敏感元件为精密电位器。它通过精密电位器元件将位移量转换为与之成比例线性或函数关系的电压量或电阻量输出，位移传感器的可滑动电刷与被测运动物体直接或间接相连，物体的位移引起电位器滑动端的电阻变化。电阻值的变化量反映了位移的量值，电阻值的增加或减小则表明了运动物体位移的方向，在电位器上加载电源电压，就可以将电阻的变化转换为电压输出。

精密电位器的导电材质可以是金属膜材料或是导电塑料及绕线电阻。金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化物组成，特点是分辨率高、温度系数小、耐高温、平滑性好，但是价格昂贵。导电塑料电位器是用特殊工艺将DAP（邻苯二甲酸二稀丙脂）电阻浆料覆在绝缘基体上，加热聚合成电阻膜，特点是平滑性好、耐磨性好、耐化学腐蚀、寿命长、可靠性高、价格昂贵。绕线电阻是将康铜丝或镍鉻合金丝，绕制在绝缘骨架上制成，由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯变化，其输出特性呈阶梯性，因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值，其特点是使用方便，价格低廉，接触电阻小，温度系数小，精度较高，缺点是阻值偏低，高频特性差，分辨力差，易磨损。

在实际现场测量中，位移传感器安装在固定位置上，拉绳紧固在移动物体上，拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准，运动发生时，拉绳伸展或收缩，内部弹簧保证拉绳的张紧度不变，拉绳的直线运动带动轮毂转动，进而带动精密感应器旋转，输出一个与拉绳位移距离成比例的电信号，测量输出的电信号就可以得出运动物体的位移、方向或速率。

传感器需经过实验室计量检定校准后方可使用，以保证测量工作的准确性。

1 测量系统组建

1.1 测量系统组成

测量系统的组成如图1所示。

图1 测量系统组成框图

根据试验实际工况要求，选取采集设备型号DEWE2010，测量传感器型号YK160-1505-C8SU。数据采集设备DEWE2010采样频率为5000Hz，A/D精度为12bit，信噪比60dB，误差范围为0.5%，传感器为模拟电压输出，输出范围0～5V，弹簧张力26N,线性误差范围0.35%。

1.2 测量系统连接

首先对使用的传感器、测量电缆进行编号，电缆编号应与对应传感器编号一致。

传感器的内部结构及引出线定义：CW—电源激励正、CCW—公共地、S—信号输出。

按以上定义，焊接测试电缆，连接完毕后，检查传感器连接对应关系，确保芯线对应关系正确，芯线通断、绝缘符合测量技术要求；如接线定义错误，会造成传感器损坏。

系统经调试校准满足工作要求后，进行现场测量。

2 现场测量

上述准备工作完成后，进入正式测量工作。为确保试验数据准确，减少偶然误差，采用同一工况多次测量的方法，采集到多组数据，其中有一组数据出现异常。图2为试验得到的正常位移曲线，图3为异常位移曲线。

图2 位移测点正常曲线

图3 位移测点异常曲线

由图2可见，活塞上位移测点曲线由零点时刻开始较连续平滑移动至203.2mm处停止，时间间隔0.839S，所得测量曲线与理论计算预示值较吻合。

由图3可见,活塞上位移测点曲线由零点时刻开始移动至0.5255s处时，活塞位置移动6.9mm；由0.5255s至0.5345s时，活塞位移110.6mm；由0.5346s至0.8655s时，活塞位移203.7mm。图3位移曲线后段与图2位移曲线进行基本重合，与理论预示值较吻合；但图3中前半段0.5255s之前，位移变化较为缓慢，在0.5255s后出现了突变，突变之后回归正常。

3 异常分析

发现数据异常后，进行了排故处理，更换了异常传感器。为了进一步查找原因，在实验室中做模拟性试验：将异常传感器按接线定义连接，监测记录信号输出端电压。经过多次反复快速牵拉传感器试验，采集到多组数据，故障复现。图4为输出异常时的电压曲线。

图4 输出电压异常曲线

由图4可见，位移传感器试验全过程中，传感器输出电压曲线大部分平滑连续，但在30.7s附近，传感器输出电压有一明显突变，位移传感器输出已出现异常。

将异常处放大可以发现，在30.7s处传感器输出电压有尖峰突变，由此判断此时传感器输出已出现异常。为了进一步确定故障原因，对故障传感器进行了逐步拆解检查，拆解过程如图5所示。

图5 传感器拆解图片1

拆除转动部分保护罩，显示转动轮毂及金属拉绳。经过检查轮毂转动正常，平顺无卡阻现象。金属拉绳为直径0.4mm高强度多股不锈钢绳，目测检查无断丝等异常现象，经过金属拉伸试验机实际测量，金属拉绳拉断力为97 N,远大于转动轮毂弹簧张力26 N，判断数据异常与拉绳无关。继续拆除保护罩，显示多圈精密电位器外部结构正常，经过检查传感器接线桩完好，接线焊接完好。

拆除电位器保护罩，显示电位器内部结构如图6所示。经检查精密电阻为线绕式电阻，滑动接触件为铜环。由此猜测造成数据异常主要有以下两方面原因:

图6 传感器拆解图片3

（1）传感器使用时间较长造成精密感应器（精密多圈电位器）内部电路滑动接触部件接触不良。

（2）多次的强冲击牵拉造成机械旋转装置定位轴承磨损，影响精密多圈电位器旋转时的同轴度，最终造成电路滑动接触部件接触不良。

4 故障处理

经过以上分析，本次数据异常现象最终归结为精密多圈电位器滑动部件接触不良，更换电位器后实验数据回归正常。为了预防故障的再次发生，在实际安装使用时，传感器应尽量选择冲击振动较小的安装平面安装，或采取减震措施安装，例如可以在拉绳传感器底板安装减震垫或减震弹簧组件；随时检查钢丝拉绳的磨损境况，稍有磨损立即更换；灵活选用测量方式，合理选择使用传感器的拉伸行程或回弹行程测量。

拉绳位移传感器属于精密仪器，安装时严禁敲击，摔打，安装使用不当会影响拉绳位移传感器的性能和使用寿命；过量的粉尘、积屑足以破坏钢丝、滑轮、出线口，导致运转不顺的故障；勿用手或其他物品将钢丝拉绳拉出并让其瞬间自行弹回，这样会造成钢丝拉线断裂；接线务必正确，错误接线会导致内部电路损坏；拉绳头安装时，须注意与出线口的垂直，亦即尽量使钢丝绳垂直于出线口抽出，保持最小角度（小于等于3°）以确保测量精度及钢丝绳的寿命；同时拉线头固定后到移动部件初始位置距离和测量行程总长要在拉线允许的范围内；拉线表面的涂塑，勿让其受外力的割伤烧毁，否则会影响拉绳寿命；不要将传感器的输出线和动力线等绕在一起或同一管道传输，也不易在配线盘附近使用，以防电磁干扰。

5 结束语

位移测量的方法很多，如使用激光、光栅尺、磁栅尺、差动变压器、电涡流、电容式传感器都能很精确地测量各种位移的变化量。

拉绳式位移传感器充分结合了角度位移传感器、直线位传感器以及齿轮、条传动的各种优点，是一种结构紧凑、多用途安装简便且安装空间尺寸小，以其体积小，准确和安装灵活简单，恶劣环境防护性强适用于各种环境，满足用于工程测量的精度要求。