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有些磁编为什么能够在强磁场干扰环境下,照样可以稳定可靠的工作?

时间:2019-04-25来源: @Q裘奋上海精浦AQ编码

导语:核磁共振影像设备中,配套有一个自动化移动床,被检查者躺在床上面,其余人都要离开房间,只留下一个躺着的被检查者。而由自动化移动床移动检查,做身体各个部位的影像检查。

场景1:去年医疗行业流传着这样一个故事,某家医院的核磁共振检查的房间内,在设备做测试时,没注意到房间内留下了一把轮椅。当这套3T核磁共振影像设备一通上电,这把轮椅竟像子弹一样向核磁共振设备飞过去,并吸在了上面。大约轮椅是有铁磁性材料,而被核磁共振设备3T强磁场吸上了。医院派出多个保安才能把这把轮椅拔出来,但是这台设备损坏维修损失了几百万元。

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核磁共振影像设备中,配套有一个自动化移动床,被检查者躺在床上面,其余人都要离开房间,只留下一个躺着的被检查者。而由自动化移动床移动检查,做身体各个部位的影像检查。自动化移动床的定位是有机械齿轮箱式绝对值多圈编码器(型号代码9600,GEMPLE)反馈定位的。这个编码器需要长期在强磁场环境下工作。

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而这个编码器是磁编。

场景2:在山东、内蒙等地的化工厂有一种电解炉,两根电解棒(阴极与阳极)插入电解质池中,通上直流大电流进行电化学反应,电解棒需要根据池子里电解料的深度而不断调节插入深度,而这个电解棒插入深度的调节,是要有机械齿轮箱式绝对值多圈编码器反馈插入深度的。电解棒的电流有多大?最大时有12万A(安培)的电流,当一通上电,只听得周边“轰”的一声,巨大的直流电流因法拉第原理产生了巨大的强磁场,而使得周边物品受突然而至的磁场冲击发出了“轰”的一声。而现场的这个编码器(型号代码9600,GEMPLE)需要长期在强磁场环境下工作。

而这个编码器是磁编。

这样的强干扰场景其实有很多,例如大型通讯发射天线的转角仰角和磁极位置定位,也是需要抗干扰编码器,也是用到了磁编(代码9600,GEMPLE)

核磁共振设备是早期发现癌症的利器,挽救了无数癌症患者。3T核磁共振医疗影像设备的工作磁场是3T特斯拉的特强磁场,怎么理解这个3T特斯拉?地球磁场在地表强度大约在50-60uT,这个磁场强度大约是地球磁场的6万倍,可以将一把轮椅或者一把扫地机以子弹速度吸上去。确实没有几家编码器可以在这么强磁场下还能正常工作了,图片里边上的某日系伺服也常常数据输出不正常了。而需要靠安装在低速端的绝对值多圈编码器,精浦的GMX60(代码9600系列)绝对值多圈编码器。在近五年近千台核磁共振上工作的绝对值编码器,每天在医院里3T核磁共振影像设备连续高强度工作,至今编码器无一数据出错记录,保证了千万成像位置的精准性。高品质高可靠性的编码器产品,为人民医疗健康事业立下了功德。

上面两个场景里的长期在强磁场干扰环境下工作的编码器,都是精浦的磁编GMX60(代码9600)。

磁编不是新产品,进入市场的成熟的磁编都已经有二十多年了。尤其是在汽车电子早已经大量有应用。GMX系列编码器从2008年就进入市场,已大量使用至今。

上面两个场景的故事告诉大家,磁编是能够在强磁场下工作的,但需要经过EMC设计与第三方EMC标准测试认证报告(其中对应的标准是IEC61000-4-8工频磁场抗扰度试验)。

编码器及自动化器件的抗干扰能力怎么看?(点击可以看一下这篇文章)

尤其是必须绝对值信号输出的,多圈必须是机械齿轮箱式真绝对值编码的。而不能是内部有计数器停电记忆型的伪绝对值编码器。

内部有电池记忆的,或者韦根微发电替代电池记忆型的,内部依赖计数器计数多圈圈数的,如果受到强电磁场干扰,计数器错误是无法识别无法更正的,确实不能在强磁场下工作。

磁编是否能够在较强磁场下抗干扰,需要经过第三方EMC标准测试认证报告,对应的标准是工频磁场测试,这个工频磁场已经模拟涵盖了永磁场环境。

问题来了:精浦的GMX系列编码器是磁编,怎么能够在强磁场干扰环境下还能正常工作?

说起磁编,有很多种类别,最早磁编原理的编码器也已经有二十多年了。精浦的磁编并不是新产品了,进入市场也已有十多年了。

而磁编能否在强磁场环境下工作?其实这个问题早就有了答案,却是被一些不负责任的磁编损坏了磁编印象,被市场误解了。

按一般的理解,磁编的工作原理是按磁场大小变化识别角度的变化的,强磁场下等于收到了磁场干扰,将无法正常工作。

但是,事实上有的磁编经过专业EMC设计,是可以在强磁场下工作的。

而且,我从业编码器二十多年来,抗干扰包括抗强磁场干扰最好的几款编码器,恰恰是磁编!

例如,德国海德汉的ROQ425,其单圈码盘为光编,而多圈齿轮箱传感器组是磁编。

德国SICK公司的ATM60,其单圈码盘多圈齿轮箱组都是磁编。

GEMPLE精浦的GMX60,GMX425也是磁编,单圈码盘与多圈齿轮箱组都是磁编。

德国TR公司的CEM58也是磁编,单圈与多圈都是磁编。

上述四款绝对值多圈编码器,也是目前自动化市场上我所知的抗干扰最好的几款编码器,都是磁编。

问答部分:

Q1磁编为什么不怕强磁场?

A:磁编码器对于外部磁场不敏感有几个原因。主要原因是使用了横向Hall元件以及差分测量技术。横向Hall元件只对与芯片表面正交的磁场敏感。它对水平平面内的磁场不敏感。

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差分测量方式只能测量出方向相对的Hall传感器对的磁场差别。外部直流磁场将影响到绝对磁场,但不影响Hall传感器对所检测的差分磁场。此外,Hall传感器的灵敏度不太高,这也使其对外部磁场的敏感度较低。由于编码器运行在靠近磁铁的位置,传感器磁铁(所要求的)磁场在芯片表面已经相对较强,不容易被外部磁场干扰。尤其是以绝对值编码器信号输出的磁编,是不会受到强磁场影响的。

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实际上,为了实现数据资料中规范的性能,总磁场(永久性磁铁+外部干扰磁场)不应超过100mT。超出这个范围时绝对值磁编芯片也是可以良好运行,但由于饱和效应的影响,输出的线性度可能会降低,需要对磁编产品具体实验测试。

Q2:是否需要屏蔽传感器以避免外部磁场的影响?

A:通常不需要进行磁性屏蔽,因为成熟的磁编芯片已经能够补偿外部强磁场的影响。

在存在极强的外部磁场时,如果要求传感器提供很高的精度,则通过使用诸如铁磁性金属片来提供磁性屏蔽当然是一个好主意。

长期强磁场下的磁化问题:编码器外壳设计较大,例如58mm外径,内部元器件经过严格选型,内部磁铁与磁编芯片布局的相互距离经过设计,被磁化问题可以避免,或者影响微乎其微。

Q3:磁编与光编哪一个抗干扰强?

A:不一定,抗干扰最差的可能是磁编,抗干扰最好的可能也是磁编。

因为做经济型磁编的入门的门槛较低,有一些厂家不经过专业EMC设计,就拿来磁编芯片简单封装一下就卖了,这种磁编抗干扰确实可能不好,因为整体磁编不仅仅是磁感应芯片,还有其他电子元器件的选型与设计。而有些是“假绝对值编码器”里面有计数器功能的,在计数时会受到干扰。某些“多圈绝对值编码器”实际上是假绝对值编码的,里面有计数器记录多圈圈数,并依靠停电记忆,例如电池型和韦根微发电记忆型的内部都有计数器功能,而不是真绝对值编码,这一类假绝对值编码器一旦在强干扰环境下计数器就容易错误,无法识别而继续错误,它们确实也是不能强磁场干扰下工作。

市场上理解的“磁编抗干扰不行”,“不能在永磁体强磁场下工作”,大约就是上面两类磁编的抗干扰真的不行,而被误导磁编都是“抗干扰不行了”。这是误解了磁编。

场景1里的伺服电机上的日系编码器就是电池记忆型的,在3T强磁场下出错,定位必须要用低速端的齿轮箱多圈绝对值编码器GMX(代码9600)提供移动床的位置反馈。

但是,如果严格按照电磁兼容性EMC对编码器进行设计,磁编的抗干扰能力甚至可以优于光编。

一方面,磁编芯片从出世就面临了各种抗干扰测试,包括有针对性的强磁场下测试通过,才能进入市场销售,尤其是在汽车电子上的大量应用,对于汽车行驶安全的要求,磁编的抗干扰要求一点也不会比光编差,必须经过汽车电子安全认证后才能上车。

而另一方面,光编比磁编又多了一个电子元件----光源,给光源供电的电源的稳定性要求较高,如果设计不到位,很容易受到干扰而影响到光源发射的稳定,从而干扰到光编的正常输出。

所以,自动化市场上抗干扰最好的几款编码器,都是磁编,而且必须是机械齿轮箱多圈绝对值的磁编码器。因为如果有计数器原理的假绝对值编码器(电池或者韦根)一旦被干扰到而计数错误,是无法识别的。

在我们自己做过的光编与磁编的用户长期使用比较下,也确实是绝对值的磁编抗干扰表现更好一些。

我个人的感觉是光编的光源稳定性问题。

某家德国品牌的全磁多圈绝对值编码器在市场上表现很好,而同样的他家的光编的表现,却似乎还不如他家的磁编。

例如市场上多年比较下来,抗干扰表现最好的几款编码器,“恰巧”都是磁编:

德国海德汉ROQ425SSI,单圈码盘是光编,多圈机械齿轮箱码盘是磁编。

SICK公司的ATM60,单圈及多圈机械齿轮箱码盘都是磁编。

GEMPLE精浦公司的GMX系列,代号9600,单圈及多圈机械齿轮箱码盘都是磁编。

另外,德国TR公司的多圈机械齿轮箱绝对值磁编码器,也是在冶金现场抗干扰表现很好的编码器。也是磁编。

注意,并不是所有的磁编都可以有这样强劲的抗干扰表现,尤其是这样强磁场下的表现,用户需要向编码器原厂问清楚,是否是机械齿轮箱式的真绝对值编码器,不能有计数器功能的。或者是否可以提供第三方电磁兼容性EMC认证报告,以及提供以往的长时间、大数量的实际应用实例。

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同时,需要编码器原厂提供品质管理保证的依据,例如提供连续多年以上的ISO9001质量保证体系证书。对于编码器可靠性,要有品质保证体系很重要。

波音飞机失事分析与自动化、编码器可靠性风险评估的十个问题

不要轻易做承诺,要做承诺就要拿出对应的依据。这叫“靠谱”。


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