用于控制與監(jiān)測的線纜位移傳感器系統(tǒng)

隨著航空航天和飛機制造工業(yè)的蓬勃發(fā)展，線纜位移傳感器（Cable Position Transducers,CTP）或線性電位計/編碼器最初是上個世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的，它們首先用于飛行器試飛期間對飛行器飛行操作機構(gòu)進行監(jiān)視。

現(xiàn)在的CPT技術(shù)已經(jīng)是經(jīng)受了考驗的成熟技術(shù)，而顯然它并還沒有過時的跡象。一系列需要兼顧高性能和成本的應(yīng)用項目將CPT用于關(guān)鍵控制與監(jiān)視操作的基本手段，例如：

■ Delta IV導(dǎo)彈推力矢量系統(tǒng)；
■ 軍用飛機水平傳感器；
■ 柴油發(fā)動機燃料指數(shù)測量；
■ 國際空間站環(huán)境控制系統(tǒng)；
■ 民用和軍用飛機飛行數(shù)據(jù)記錄儀輸入傳感器；
■ 物流分類與定位設(shè)備。

該技術(shù)的用途如此之廣，以至于沿用的名稱有各種各樣，例如，線纜延伸位置傳感器、線纜擴展傳感器、線纜傳感器、線纜延伸傳感器、CET、CPT、拉線式編碼器/傳感器、鋼纜傳感器、電線傳感器、電線延伸傳感器和yo-yo電位計。這些名稱都涉及通過一根從彈簧式線纜盤伸出并縮回且位移靈活的線纜測量位移的裝置。該線纜盤連接到一個旋轉(zhuǎn)傳感器（見圖1）。

圖1：CPTs是如何工作的

CPT的優(yōu)點

多軸能力—CPT能用來跟蹤線性、旋轉(zhuǎn)、二維和三維移動。具備這種能力使CTP成為測試項目以及OEM應(yīng)用經(jīng)常選用的裝置，因為在具體應(yīng)用時它們的體積和安裝的靈活性是其他裝置無法比擬的。

安裝靈活—線纜位移靈活是CPT固有的特征。它能通過一些途徑滿足應(yīng)用的需要；而且包括使用磁鐵、吊環(huán)螺栓或螺紋扣件。線纜也能借助于滑輪和軟管繞過障礙物。此外，配備傳感器安裝基座和多個線纜出口后，使安裝更靈活，不需要增加專門固定設(shè)備和適配器的支出。

安裝速度快—安裝靈活，所需時間一般不到2分鐘。安裝成本的降低在用于產(chǎn)品測試和研發(fā)過程中具有特別重要的意義。

體積小—世界上最小的CPT測量1.5英寸（38.1毫米）位移時，體積只有0.75平方英寸×0.38英寸（19毫米×19毫米×10毫米）。隨著測量范圍的提高，CPT相對小的體積的優(yōu)勢就更加明顯，如圖2所示。

圖2：CPT與拉桿式和圓筒式差動變壓器位移傳感器的外形尺寸的比較

重量輕—CPT是用質(zhì)量輕不銹鋼或高強度大拉力結(jié)構(gòu)的線纜測量位移的。該特征連同通常采用的陽極化鋁組件，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量-量程比很低。輕量的特征也能提高產(chǎn)品用于工業(yè)機械設(shè)備應(yīng)用在振動大的環(huán)境下的使用壽命。下列對比表介紹的是各種位移測量傳感器的重量與范圍的比較。

結(jié)構(gòu)堅固—CPT的設(shè)計合理、加工要求嚴(yán)格，用于工業(yè)、航空航天、測試和室外惡劣環(huán)境已有30多年了，而且性能一直十分可靠。CPT的設(shè)計從機械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)上來說都是簡單的，從而提高可靠性，減少維護以及延長工作壽命。CPT的環(huán)境實驗結(jié)果表明，CPT在沖擊力大、高振動、高濕度、腐蝕性強等環(huán)境下工作時可達到有效的實施。

電信號輸出—由于CPT可結(jié)合各式各樣的旋轉(zhuǎn)傳感器以及相關(guān)信息處理技術(shù)，因此用戶需要的電信號輸出一般都能滿足要求，包括：4~20mA、0-5Vdc、0-10Vdc、±5Vdc、±10Vdc、正交、RS-232、LVDT或RVDT型信號和同步或分解器型信號。

信號處理—CPT，特別是模擬電位計式CPT，對信號處理的要求通常是功率低、且方式簡單。5V或更低的直流電源就能滿足要求，大多數(shù)情況下沒有特殊的信號處理要求。

工作溫度—模擬輸出CPT的工作溫度范圍是-65℃至+125℃，而數(shù)字輸出CPT的工作溫度范圍是-40℃至85℃或-20℃至+100℃。按要求定制的傳感器的工作溫度范圍更大。

精確度—采用非后沖連接和輪轂技術(shù)后，模擬輸出CPT提供的線性度—補償精確度，超過滿刻度的±0.025%。例如，10英寸（254mm）量程的模擬輸出CPT的精確度能達到±0.0025英寸（±0.0635毫米）。

測量范圍—CPT的測量范圍很大，從1.5英寸一直到超過2000英寸（從38毫米到超過50米）。

注意事項

十全十美的檢測技術(shù)是不存在的，CPT也不例外。選用CPT時，請注意下列事項。

頻率響應(yīng)—CPT廣泛用于加速度超過50Gs的車輛沖擊試驗。CPT也被用在了加速度達到100Gs的應(yīng)用場合。然而，在加速度極高的應(yīng)用中CPT的頻率響應(yīng)能力可能會不夠。例如，在需要超過100Gs的線纜加速度的應(yīng)用場合以及以高頻率、小幅度位移使用模擬輸出型CPT的應(yīng)用環(huán)境中，CPT的頻率響應(yīng)會出問題，這些應(yīng)用的特點往往使電位計元件出現(xiàn)抖動磨損。

使用壽命—采用光學(xué)編碼器或?qū)щ娝芰蠙z測技術(shù)的CPT的使用壽命超過1億次軸旋轉(zhuǎn)，然而，大量程模擬輸出的CPTs需要多圈電位器，壽命小于1000萬次軸旋轉(zhuǎn)。盡管位移長、頻率高的用途并不常見，但仍然應(yīng)該對成本和可靠性進行全面分析，然后選擇一種適合于這種用途的CPT。

線纜拉力—諸如超聲波，霍耳效應(yīng)或激光等非接觸檢測裝置在開展測量工作時不會采用機械手段。CPT線纜拉力給測量工作施加負(fù)荷。這種負(fù)荷盡管最低可降至小到1盎司，但是不可能被消除。因此，如果某些應(yīng)用對外來負(fù)荷很敏感時，應(yīng)考慮采用其他技術(shù)。

精確度—采用非后沖連接和輪轂技術(shù)的CPT具有極高的精確度。然而，這種精確度有時不能滿足某些應(yīng)用的需要。為此，您應(yīng)該考慮采用LVDT、激光裝置或其他精確度高的技術(shù)?？匆豢茨膽?yīng)用是否不需要原始精確度，而是側(cè)重于相當(dāng)高的線性度、分辨率、重復(fù)性或滯后。

懸鏈線誤差—懸鏈線（catenary curve）描述位移線纜受均勻力，如地心引力作用時呈現(xiàn)的狀態(tài)。由于線纜每單位長度的質(zhì)量如此之小，而線纜拉力又相對較大，因此線纜垂度 (sag)不會有很大的誤差，除非線纜長度超出正常范圍（超過60英尺（18米））。線纜垂度誤差與其他來源的誤差相比，盡管較小（通常小于±0.0025%），但是某些應(yīng)用（通常涉及很大的角位移或很長的位移測量）產(chǎn)生的影響力足以使線纜垂度產(chǎn)生很大的誤差。