用于控制与监测的线缆位移传感器系统

　随着航空航天和飞机制造工业的蓬勃发展，线缆位移传感器(CablePositionTransducers,CTP)或线性电位计/编码器初是上个世纪60年代中期发展起来的，它们首先用于飞行器试飞期间对飞行器飞行操作机构进行监视。
　　
　　现在的CPT技术已经是经受了考验的成熟技术，而显然它并还没有过时的迹象。系列需要兼顾高性能和成本的应用项目将CPT用于关键控制与监视操作的基本手段，例如：
　　
　　■DeltaIV导弹推力矢量系统；
　　
　　■军用飞机水平传感器；
　　
　　■柴油发动机燃料指数测量；
　　
　　■国际空间站环境控制系统；
　　
　　■民用和军用飞机飞行数据记录仪输入传感器；
　　
　　■物流分类与定位设备。
　　
　　该技术的用途如此之广，以至于沿用的名称有各种各样，例如，线缆延伸位置传感器、线缆扩展传感器、线缆传感器、线缆延伸传感器、CET、CPT、拉线式编码器/传感器、钢缆传感器、电线传感器、电线延伸传感器和yo-yo电位计。这些名称都涉及通过根从弹簧式线缆盘伸出并缩回且位移灵活的线缆测量位移的装置。该线缆盘连接到个旋转传感器(见图1)。
　　
　　图1：CPTs是如何工作的
　　
　　CPT的优点
　　
　　多轴能力—CPT能用来跟踪线性、旋转、二维和三维移动。具备这种能力使CTP成为测试项目以及OEM应用经常选用的装置，因为在具体应用时它们的体积和安装的灵活性是其他装置无法比拟的。
　　
　　安装灵活—线缆位移灵活是CPT固有的特征。它能通过些途径满足应用的需要；而且包括使用磁铁、吊环螺栓或螺纹扣件。线缆也能借助于滑轮和软管绕过障碍物。此外，配备传感器安装基座和多个线缆出口后，使安装更灵活，不需要增加门固定设备和适配器的支出。
　　
　　安装速度快—安装灵活，所需时间般不到2分钟。安装成本的降低在用于产品测试和研发过程中具有特别重要的意义。
　　
　　体积小—世界上小的CPT测量1.5英寸(38.1毫米)位移时，体积只有0.75平方英寸×0.38英寸(19毫米×19毫米×10毫米)。随着测量范围的提高，CPT相对小的体积的优势就更加明显，如图2所示。
　　
　　图2：CPT与拉杆式和圆筒式差动变压器位移传感器的外形尺寸的比较
　　
　　重量轻—CPT是用质量轻不锈钢或高强度大拉力结构的线缆测量位移的。该特征连同通常采用的阳极化铝组件，导致产品的质量-量程比很低。轻量的特征也能提高产品用于工业机械设备应用在振动大的环境下的使用寿命。下列对比表介绍的是各种位移测量传感器的重量与范围的比较。
　　
　　结构坚固—CPT的设计合理、加工要求严格，用于工业、航空航天、测试和室外恶劣环境已有30多年了，而且性能直十分可靠。CPT的设计从机械结构和电气结构上来说都是简单的，从而提高可靠性，减少维护以及延长工作寿命。CPT的环境实验结果表明，CPT在冲击力大、高振动、高湿度、腐蚀性强等环境下工作时可达到有效的实施。
　　
　　电信号输出—由于CPT可结合各式各样的旋转传感器以及相关信息处理技术，因此用户需要的电信号输出般都能满足要求，包括：4~20mA、0-5Vdc、0-10Vdc、±5Vdc、±10Vdc、正交、RS-232、LVDT或RVDT型信号和同步或分解器型信号。
　　
　　信号处理—CPT，特别是模拟电位计式CPT，对信号处理的要求通常是功率低、且方式简单。5V或更低的直流电源就能满足要求，大多数情况下没有特殊的信号处理要求。
　　
　　工作温度—模拟输出CPT的工作温度范围是-65℃至+125℃，而数字输出CPT的工作温度范围是-40℃至85℃或-20℃至+100℃。按要求定制的传感器的工作温度范围更大。
　　
　　精确度—采用非后冲连接和轮毂技术后，模拟输出CPT提供的线性度—补偿精确度，超过满刻度的±0.025%。例如，10英寸(254mm)量程的模拟输出CPT的精确度能达到±0.0025英寸(±0.0635毫米)。
　　
　　测量范围—CPT的测量范围很大，从1.5英寸直到超过2000英寸(从38毫米到超过50米)。
　　
　　注意事项
　　
　　十全十美的检测技术是不存在的，CPT也不例外。选用CPT时，请注意下列事项。
　　
　　频率响应—CPT广泛用于加速度超过50Gs的车辆冲击试验。CPT也被用在了加速度达到100Gs的应用场合。然而，在加速度极高的应用中CPT的频率响应能力可能会不够。例如，在需要超过100Gs的线缆加速度的应用场合以及以高频率、小幅度位移使用模拟输出型CPT的应用环境中，CPT的频率响应会出问题，这些应用的特点往往使电位计元件出现抖动磨损。
　　
　　使用寿命—采用光学编码器或导电塑料检测技术的CPT的使用寿命超过1亿次轴旋转，然而，大量程模拟输出的CPTs需要多圈电位器，寿命小于1000万次轴旋转。尽管位移长、频率高的用途并不常见，但仍然应该对成本和可靠性进行全面分析，然后选择种适合于这种用途的CPT。
　　
　　线缆拉力—诸如超声波，霍耳效应或激光等非接触检测装置在开展测量工作时不会采用机械手段。CPT线缆拉力给测量工作施加负荷。这种负荷尽管低可降至小到1盎司，但是不可能被消除。因此，如果某些应用对外来负荷很敏感时，应考虑采用其他技术。
　　
　　精确度—采用非后冲连接和轮毂技术的CPT具有极高的精确度。然而，这种精确度有时不能满足某些应用的需要。为此，您应该考虑采用LVDT、激光装置或其他精确度高的技术。看看您的应用是否不需要原始精确度，而是侧重于相当高的线性度、分辨率、重复性或滞后。
　　
　　悬链线误差—悬链线(catenarycurve)描述位移线缆受均匀力，如地心引力作用时呈现的状态。由于线缆每单位长度的质量如此之小，而线缆拉力又相对较大，因此线缆垂度(sag)不会有很大的误差，除非线缆长度超出正常范围(超过60英尺(18米))。线缆垂度误差与其他来源的误差相比，尽管较小(通常小于±0.0025%)，但是某些应用(通常涉及很大的角位移或很长的位移测量)产生的影响力足以使线缆垂度产生很大的误差。