用于控制與監(jiān)測(cè)的線(xiàn)纜位移傳感器系統(tǒng)

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

現(xiàn)在的CPT技術(shù)已經(jīng)是經(jīng)受了考驗(yàn)的成熟技術(shù)，而顯然它并還沒(méi)有過(guò)時(shí)的跡象。一系列需要兼顧高性能和成本的應(yīng)用項(xiàng)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(jī)水平傳感器；
■ 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料指數(shù)測(cè)量；
■ 國(guó)際空間站環(huán)境控制系統(tǒng)；
■ 民用和軍用飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)記錄儀輸入傳感器；
■ 物流分類(lèi)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(chēng)有各種各樣，例如，線(xiàn)纜延伸位置傳感器、線(xiàn)纜擴(kuò)展傳感器、線(xiàn)纜傳感器、線(xiàn)纜延伸傳感器、CET、CPT、拉線(xiàn)式編碼器/傳感器、鋼纜傳感器、電線(xiàn)傳感器、電線(xiàn)延伸傳感器和yo-yo電位計(jì)。這些名稱(chēng)都涉及通過(guò)一根從彈簧式線(xiàn)纜盤(pán)伸出并縮回且位移靈活的線(xiàn)纜測(cè)量位移的裝置。該線(xiàn)纜盤(pán)連接到一個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器（見(jiàn)圖1）。

圖1：CPTs是如何工作的

CPT的優(yōu)點(diǎn)

多軸能力—CPT能用來(lái)跟蹤線(xiàn)性、旋轉(zhuǎn)、二維和三維移動(dòng)。具備這種能力使CTP成為測(cè)試項(xiàng)目以及OEM應(yīng)用經(jīng)常選用的裝置，因?yàn)樵诰唧w應(yīng)用時(shí)它們的體積和安裝的靈活性是其他裝置無(wú)法比擬的。

安裝靈活—線(xiàn)纜位移靈活是CPT固有的特征。它能通過(guò)一些途徑滿(mǎn)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(xiàn)纜也能借助于滑輪和軟管繞過(guò)障礙物。此外，配備傳感器安裝基座和多個(gè)線(xiàn)纜出口后，使安裝更靈活，不需要增加專(zhuān)門(mén)固定設(shè)備和適配器的支出。

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

體積小—世界上最小的CPT測(cè)量1.5英寸（38.1毫米）位移時(shí)，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(cè)量范圍的提高，CPT相對(duì)小的體積的優(yōu)勢(shì)就更加明顯，如圖2所示。

圖2：CPT與拉桿式和圓筒式差動(dòng)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(qiáng)度大拉力結(jié)構(gòu)的線(xiàn)纜測(cè)量位移的。該特征連同通常采用的陽(yáng)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(jī)械設(shè)備應(yīng)用在振動(dòng)大的環(huán)境下的使用壽命。下列對(duì)比表介紹的是各種位移測(cè)量傳感器的重量與范圍的比較。

結(jié)構(gòu)堅(jiān)固—CPT的設(shè)計(jì)合理、加工要求嚴(yán)格，用于工業(yè)、航空航天、測(cè)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(jì)從機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)都是簡(jiǎn)單的，從而提高可靠性，減少維護(hù)以及延長(zhǎng)工作壽命。CPT的環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CPT在沖擊力大、高振動(dòng)、高濕度、腐蝕性強(qiáng)等環(huán)境下工作時(shí)可達(dá)到有效的實(shí)施。

電信號(hào)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(hù)需要的電信號(hào)輸出一般都能滿(mǎn)足要求，包括：4~20mA、0-5Vdc、0-10Vdc、±5Vdc、±10Vdc、正交、RS-232、LVDT或RVDT型信號(hào)和同步或分解器型信號(hào)。

信號(hào)處理—CPT，特別是模擬電位計(jì)式CPT，對(duì)信號(hào)處理的要求通常是功率低、且方式簡(jiǎn)單。5V或更低的直流電源就能滿(mǎn)足要求，大多數(shù)情況下沒(méi)有特殊的信號(hào)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(xiàn)性度—補(bǔ)償精確度，超過(guò)滿(mǎn)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(dá)到±0.0025英寸（±0.0635毫米）。

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

注意事項(xiàng)

十全十美的檢測(cè)技術(shù)是不存在的，CPT也不例外。選用CPT時(shí)，請(qǐng)注意下列事項(xiàng)。

頻率響應(yīng)—CPT廣泛用于加速度超過(guò)50Gs的車(chē)輛沖擊試驗(yàn)。CPT也被用在了加速度達(dá)到100Gs的應(yīng)用場(chǎng)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(huì)不夠。例如，在需要超過(guò)100Gs的線(xiàn)纜加速度的應(yīng)用場(chǎng)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(huì)出問(wèn)題，這些應(yīng)用的特點(diǎn)往往使電位計(jì)元件出現(xiàn)抖動(dòng)磨損。

使用壽命—采用光學(xué)編碼器或?qū)щ娝芰蠙z測(cè)技術(shù)的CPT的使用壽命超過(guò)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(wàn)次軸旋轉(zhuǎn)。盡管位移長(zhǎng)、頻率高的用途并不常見(jiàn)，但仍然應(yīng)該對(duì)成本和可靠性進(jìn)行全面分析，然后選擇一種適合于這種用途的CPT。

線(xiàn)纜拉力—諸如超聲波，霍耳效應(yīng)或激光等非接觸檢測(cè)裝置在開(kāi)展測(cè)量工作時(shí)不會(huì)采用機(jī)械手段。CPT線(xiàn)纜拉力給測(cè)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(duì)外來(lái)負(fù)荷很敏感時(shí)，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(shí)不能滿(mǎn)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)。看一看您的應(yīng)用是否不需要原始精確度，而是側(cè)重于相當(dāng)高的線(xiàn)性度、分辨率、重復(fù)性或滯后。

懸鏈線(xiàn)誤差—懸鏈線(xiàn)（catenary curve）描述位移線(xiàn)纜受均勻力，如地心引力作用時(shí)呈現(xiàn)的狀態(tài)。由于線(xiàn)纜每單位長(zhǎng)度的質(zhì)量如此之小，而線(xiàn)纜拉力又相對(duì)較大，因此線(xiàn)纜垂度 (sag)不會(huì)有很大的誤差，除非線(xiàn)纜長(zhǎng)度超出正常范圍（超過(guò)60英尺（18米））。線(xiàn)纜垂度誤差與其他來(lái)源的誤差相比，盡管較?。ㄍǔＰ∮凇?.0025%），但是某些應(yīng)用（通常涉及很大的角位移或很長(zhǎng)的位移測(cè)量）產(chǎn)生的影響力足以使線(xiàn)纜垂度產(chǎn)生很大的誤差。