工程机械液压系统检测传感器的设计

文章编号：1006-883X(2005)06-0023-004工程机械液压系统检测传感器的设计袁建虎李凡显洪津摘要：介绍工程机械液压系统检测传感器的构成及三位一体的设计方法，分析其组成部分的工作原理、结构特点和性能特点。该传感器的设计实现了液压系统对流量、压力、温度等性能参数同点、同时、高精度的测量。关键词：传感器；三位一体；设计中图分类号：TP212文献标识码：B一、引言工程机械液压系统状态监测和故障诊断对检测仪的要求，主要是在不拆卸或尽量少拆卸液压系统的情况下，采用有效的测试方法，迅速简便地检查液压系统的流量、压力、温度等参数。传统测量方法要将流量、压力、温度分别测量，可传感器即便有较高的精度，仍有相当难以克服的问题，比如：三种传感器的物理安装位置始终存在着差别，所测出的流量、压力、温度不是同一测点的数值，距离测试模型的同点、同时、适时测量有很大的差距；其次，由于三种传感器同时接入，接入过程中会引起过多泄漏，影响测试的准确性和液压系统性能，增加了测试的复杂性。为克服上述缺点，本文提出了将三种传感器集成的设计思想，即将涡轮流量传感器、硅压阻式压力传感器和铂热电阻传感器有机结合，巧妙的安装在一起，做成三位一体传感器，并增加信号接口电路对其输出信号进行预处理，输出反映流量、压力和温度的数字信号。二、三位一体传感器的构成及工作原理根据工程机械液压系统的测试要求，流量传感器选用测量范围为12L/min~350L/min的涡轮流量传感器，压力传感器采用压力范围为0MPa~40MPa硅压阻式压力传感器，温度传感器采用温度范围为0℃~150℃的铂热电阻传感器，并增加信号接口电路对传感器输出信号进行处理。1、涡轮流量传感器（1）涡轮流量传感器的结构涡轮流量传感器由壳体、导流器、叶轮、轴、轴承及信号检出器组成。壳体是传感器的主要部件，起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，也为多传感器的有机结合提供了支撑平台；壳体通常采用不导磁硬质合金制造，外壁装有信号检出器。导流器对流体起导向整流的作用，安装在传感器的进出口处；叶轮由轻质材料制成，是传感器的检测部件，是核心功能部件，动平衡性是其重要指标，能直接影响到传感器的性能和使用寿命；轴与轴承支撑叶轮旋转；信号检出器是传感器的输出设备，输出反映流量的电信号。其结构图如1所示。（2）涡轮传感器的工作原理当被测流体流过传感器时，在流体的作用下，叶轮受力而旋转，转速与液体流速成正比，叶轮转动引起磁电转换器的磁阻值周期性变化，检测线圈中的磁通随之产生周期性变化，产生周期性感应电动势，使装在壳外的非接触式磁电转速传感器输出频率与涡轮的转速成正比的脉冲信号。因此，只要测出传感器输出脉冲信号的频率f即可确定流体的流量，计算公式如下：Q=af+b（1）式中：Q—流量，单位：L/min；f—频率，单位：Hz；a、b—传感器标定参数。（3）涡轮流量传感器的特点涡轮流量传感器具有精度高、重复性好、量程范围大、结构紧凑等特点，输出脉冲频率信号，适于与计算机连接，且无零点漂移，抗干扰能力强。涡轮流量传感器结构轻巧，安装维护方便，流通能力大，适用高压测量。涡轮流量传感器对管道内流速分布畸变及旋转流量是敏感的，进入传感器的应为充分发展管流。因此，在使用时要根据上游阻流件类型的实际情况配备必要的直管段长度。2压力传感器压力传感器采用硅压阻式压力传感器。压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，这种传感器采用了集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻组成电桥电路，其原理图如图2所示。当不受压力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出。传感器工作时，流体压力通过传感器外壳传输到扩散硅膜片上，同时参考端压力作用于膜片的另一侧，在膜片两边形成一个压差产生的应力，使膜片的一侧压缩，另一侧拉伸，两个电阻位于压缩区内，另两个电阻位于拉伸区内，在电气性能上连接成一个全动态惠斯登电桥，输出的电压与所受的压力成正比，即：UOUT=A(R1R4—R2R3)式中，A—由桥壁电阻和电源电压决定的常数薄膜电阻：R1=R2=R3=R4在设计上，压力传感器采用SENSYM公司的硅压阻式压力传感器，该传感器已将检测电阻组成的桥路、温度补偿电路、电压放大器和V/I电路集成在一起。电桥检测出电阻值的变化，经差分放大后，再经过V/I变换成电流信号。该电流信号通过非线性矫正环路的补偿，输出4mA~20mA的电流信号，信号大小与液体压力成线性关系。这种采用了温度补偿和差动放大电路的集成压力传感器，温度漂移和零位漂移几乎为零，且输出信号大，响应速度快，适于液压系统压力测量的需要。传感器外形结构简单，尺寸小，适合集成使用，电路原理图如图3所示。3温度传感器温度传感器采用铂热电阻温度传感器Pt100，此传感器稳定性好，温度范围0℃~150℃，精度高，适合液压系统中温度测量的需要；且结构简单，尺寸小，适于集成使用。三、信号接口电路信号接口电路由I/V变换电路、电桥变换电路和A/D转换电路组成，原理图如图4所示。将流量、压力、温度信号经接口电路处理后输出数字信号。涡轮流量传感器输出的反映流速的脉冲频率信号；压力传感器输出的为4mA~20mA电流信号，经I/V变换后，得到反映液体压力大小的电压信号Vp，电路如图5所示。温度传感器输出的信号经电桥变换、放大得到反映温度大小的信号VT，电路如图6所示。再将压力信号、温度信号送入双积分A/D转换器MC14433，MC14433的功能是将模拟电压信号转换为与模拟电压成正比的积分时间T，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲，再将计数脉冲个数转换成二进制数字输出。这样，三位一体传感器输出反映流量、压力、温度大小的数字信号。四、三位一体传感器的设计为克服三种传感器分别接入液压管路造成的泄漏、工作效率低和测试精度低等问题，实现液压系统中流量、压力、温度的同时、同点、高精度测量。利用涡轮流量传感器壳体有一定的尺寸、硅压阻式压力传感器和铂热电阻传感器外形结构简单、尺寸小的特点，以涡轮流量传感器的壳体作为支撑平台，壳体上预留压力传感器和温度传感器的接入口，分别将压力传感器和温度传感器安装在接入口处，密封；将各传感器的输出端接入信号接口电路，实现三个传感器的一体化。结构如图7所示。五、结论在流量传感器的主体上同时安装三种传感器并对各传感器的输出信号进行变换、处理，实现了液压系统中流量、压力、温度等参数的同时、同点测量，避免了多传感器接入带来的泄漏，既方便了测量，又减轻了系统负担。三位一体传感器输出脉冲数字信号，根据设计需要适当处理，送入单片机系统。使小型化、智能化、精确可靠的工程机械液压系统检测仪器的设计成为可能。参考文献：[1]黄继昌、徐巧鱼、张海贵等，传感器工作原理及应用实例[M]，人民邮电出版社，1998.120—121，331[2]丁镇生，传感器及传感器技术应用[M].电子工业出版社，13—15[3]孙淮清、邵明诚，“流量测量方法与仪表选用”讲座第十七讲——涡轮流量计（一）[J]，自动化仪表，1998.7，42—44。DesignOfTheTriuneSensorInTheHydraulicDetectorEngineeringMachineAbstractThestructureanddesignmethodoftriunesensorofhydraulicsystemdetectorisintroduced,workingprincipleofeachpart,thecharacteristicofstructureandperformancearealsoanalyzed.Thesensormakesitpossibletodetecttheflux,pressureandtemperatureinhydraulicsystematthesamepositionwithahighprecisionsimultaneously.Keyword:sensor;trinity;design作者简介：袁建虎，解放军理工大学工程兵工程学院机械装备系机械修理教研室讲师，从事工程机械状态监测和故障诊断的教学与研究。洪津，副教授，主要从事工程机械维修理论和方法研究；通讯地址：南京解放军理工大学工程兵工程学院机械装备系机修教研室邮编：210007联系电话：[phone]E-mail：[e-mail]李凡显，解放军理工大学工程兵工程学院机械装备系硕士研究生，主要从事工程机械管理和故障诊断方法研究；