传感器在工程机械中的应用

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1、传感器在工程机械中的应用张国平学号：2010081311 一、传感器应用的发展过程20世纪60年头以前，传感器只作为测量工程的一部分加以分析探讨，随着材料科学的发展，特别是20世纪80年头以后计算机技术的发展和芯片集成水平提高，使传感器技术也随之提高和发展。传感器不仅应用在工业自动限制、工作环境及工作介质的参数测量等范围内，而且传感器技术与计算机技术结合，形成了微型的多功能、智能化传感器，使之对移动机械设备的状态限制更易普及和发展，因此，在汽车、工程机械等设备上大量运用传感器技术，以提高这些设备的技术性能。二、传感器的作用传感器的作用就是将各种非电量按确定规律转接成电量输出的装置，以便于对其进

2、行分析处理和调整受控装置的工作状态，先进的传感器大多于微处理器结合形成自控装置。事实上现在工程机械上运用的传感器也大都是这样的装置。三、 传感器的分类目前，在各个领域内运用的传感器很多，特别是某些专业范围内运用的传感器多为复合式的：即一个传感器同时测控2个以上的不同性质的参数。传感器的分类没有统一的标准，按传统惯用的分类方法有以下三种： 按测控参数类型分类如温度、压力、位移、速度、加速度等物理量，则把相应的传感器成为温度、压力、位移、速度等传感器。 按测控原理分类如依据变电阻原理，分类为电位式、应变式传感器；依据变磁阻原理，分类为差动变压式电感式电涡流式传感器；依据半导体理论，分类为热敏式、气

3、敏式、光敏式、力敏式等传感器。按传感器结构和敏感元件所运用的材料进行分类，这样分类方法多用于某一专业的专用传感器的分类。四、工程机械中运用的几种类型的传感器20世纪80年头以后，随着工程机械生产制造中新技术的应用，特别是电喷式柴油机在工程机械中的应用，传感器技术在工程机械中的应用更为普遍和广泛。传感器在工程机械中应用主要包括三个方面：第一是发动机工况的限制；其次是液压系统的限制；第三是工程机械整体性能的限制。1、 传感器在工程机械发动机工况限制的应用近几年出现的电喷柴油发动机借鉴了汽油发动机的一些传感限制技术，它的应用提高了工程机械整体技术水平。另外，新近生产的一些接受一般柴油机的工程机械也接

4、受了一些传感器测控技术。工程机械在这方面运用的传感器有以下几种类型：限制空气流量动片式传感器的喷油机构的位置传感器；压力传感器，包括燃油压力、润油系统机油压力等压力传感器；用于柴油机转速限制的转速传感器；用于测控燃油液面和机油液面的传感器和限制温度的温度传感器。2、 传感器在工程机械液压系统限制中的应用液压传动系统在现代工程机械的传动中占有特别重要的地位，它不仅应用在主要的工作机构中，如挖掘机的挖掘机构传动，振动压路机的振动机构，而且在现代工程机械行走系统、转向系统以及一些伺服机构中都大量应用。在液压系统中应用的传感器主要有限制液压油温度的温度传感器；限制液压油压力的压力传感器；限制泄漏量和流

5、量的流量传感器；限制液压油液位的液位传感器等。3、 传感器在工程机械总体性能限制中的应用通常工程机械工作环境是比较恶劣的，为了提高其工作的平安性和工作性能，就须要对机械整体性能进行有效限制，在这方面应用的传感器主要有限制主要的工作机构和制动系统磨损检测传感器；限制整机通过性的限位平衡传感器；用于装载机械超载的限制超载压力传感器；用于限制摊铺机铺层厚度的距离传感器；用于拌和站物料温度限制的温度传感器；另外还有工程机械驾驶室工作间的温度、湿度、光照等条件限制的温度式、湿度式、光量式传感器等。五、身边的例子拿我们身边的例子来说，传感器技术在汽车上得到大量的应用，并把它作为汽车电控系统的信息来源，也成

6、为了汽车电子限制系统的关键部件。目前，一辆一般轿车上大约安装几十个及近百个传感器，而豪华轿车上的传感器数量可达近二百只左右。汽车传感器在汽车上主要用于发动机限制系统、车身、底盘限制系统、导航限制系统等。发动机限制系统所用传感器是整个汽车所用传感器的核心，它的种类有温度传感器、压力传感器、流量传感器、位置和转速传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子限制单元供应发动机的工况信息，供发动机电脑对它进行精确限制，以使发动机的动力性能提高到最大、油耗降低、削减废气排放及进行发动机故障检测。1、温度传感器温度传感器主要用于检测发动机的进气温度、冷却水温度、燃油温度等。目前，汽车上用

7、温度传感器有热电阻式、热敏电阻式和热电偶式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区分。热电阻式温度传感器测量精度高，稳定性好。热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性好，但线性差，适应温度较低。热电偶式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但须要协作放大器和冷端处理一起运用。热电阻传感器是一种电阻值随环境温度变更而变更的温度传感器，其中用金属铂做成的热电阻因具有稳定性好、精度高、测温范围大等优点，而被广泛应用。测量温度的热电阻测温仪主要由热电阻传感器、测量显示仪表及连接导线组成。由于热电阻传感器自身的温度灵敏度较低，连接导线所具有的线路电阻对测量结果影响不容忽视，为了消退导线电阻的

8、影响，热电阻测温仪广泛接受平衡电桥式三线制接法，这种方法使温度误差得到确定的补偿，但线路电阻的影响照旧存在。提出基于恒压分压式三线制导线电阻补偿方法，电路简洁，实现便利，可完全消退导线电阻的影响。相比于文献所提出的运用较多的硬件电路进行导线电阻补偿方法，该方法具有更加简洁的导线电阻补偿电路。1 常用热电阻测量方法分析对于Pt100铂热电阻，国际温标BS-90中给出其阻值随温度变更关系如式(1)所示。式中，Rt为热电阻在温度为t时的阻值，R0为热电阻在温度为0时的阻值，R0=100 ，A=3968 4710-3-1，B=-5847x10-7-2，C=-422x10-12-3是与传感器自身相关的系

9、数。由式(1)可知，Pt100热电阻的灵敏度约为038 ，为减小连接导线的线路电阻对测量结果的影响，一般常用三线制电桥法进行测量。VR=1 V其电路原理如图1所示。Rt为测温电阻，r为连接导线电阻，R1、R2、R3为固定桥臂，R1=R2=1 000 ，R3=100 ，VR为基准参考电压，G为测量仪表。在该电路中，3根导线分别连接传感器桥臂、电阻桥臂和输出端。接受这个方法可以很简洁地测出待测电阻Rt。但是，在实际运用时，温度传感器和测温电路之间往往有确定距离，连接导线的电阻率约为0105 m，连接导线电阻r所引起的测量误差不能忽视。如图1所示的电桥，在不考虑线路电阻r时，电桥的输出为：Vc=VR

10、Rt(R1+Rt)-VRR3(R2+R3)，考虑线路电阻时，电桥输出Vc=VR(Rt+r)(R1+Rt+r)-VR(R3+r)(R2+R3+r)，假设电桥在Rt=Rx时电桥平衡，即R2Rx=R1R3，且满足桥臂电阻R1=R2=R3=Rx=R，当Rt发生R变更时，即Rt=R+R，可计算出此时电桥因线路电阻r的存在造成的误差为：可以看出导线电阻r影响Rt的测量结果，并且无法通过调零电路完全消退。基于以上分析，提出了一种可完全消退导线误差的恒压分压式三线制高精度前置电路。图1 三线制平衡电桥法测量原理图2 恒压分压式三线制测量电路21 测量原理这里所运用的恒压分压式三线制法测电阻可以解除导线电阻的干

11、扰，其等效原理图如图2所示。其中Rt为热电阻。r为导线等效电阻。VR为基准参考电压，VAD是AD转换器的参考电压，为电压放大倍数。图2 恒压分压式三线制法测量原理图由欧姆定律可得基本关系式：由以上关系式可计算出：从式(3)可以看出：在已知RV和VR的状况下，欲求Rt只需测出V2和V1，而与导线电阻r没有关系。且测量精度只取决于RV的精度与V1，V2的测量精度。在电桥法中无法消退的导线电阻在恒压分压式三线制方法中被完全消退。由于热电阻当有电流通过时，会引起自身温度上升，所以必需考虑其本身自热误差，即必需考虑流过热电阻的电流所引起的升温误差。常用的Pt100热电阻驱动电流约为1 mA。0时相当于自

12、热功率约01 mW，在高精度测量时，应进一步降低自热功率，减小自热误差。这里设置VR=2.5V，RV=10k，则自热功率约为0006 mW。22 提高测量精度措施与三线制平衡电桥法相拟，图2所示的电路输出电压V1与V2数值较小，还应加入一级电压放大后，再进行AD转换。参考电压VR一般由精密恒压源供应稳定的电压信号，此外单片机软件在数学计算上选择适当的算法和字长时，该计算误差也可不计。但放大电路的放大倍数和RV会因元器件个体而异，特别是在批量生产时元器件的精度难以保证统一，因此对一个具体输入电路而言，还需考虑和RV带来的误差。为了消退和RV带来的误差，可以通过标定法，在仪表生产时进行自动标定计算

13、，求得实际电路的和RV值，再将这两个参数记录在仪表的非易失存储器中，在仪表进行温度测量时，读取该参数按式(1)进行计算，从而得到精确的测量温度。假如把图2中长导线用完可能短的导线代替(即r=O)，并以精密电阻R代替热电阻Rt，VAD是AD转换器的参考电压，为电压放大倍数，其余部分保持不变，则有：在式(4)中，R是已知阻值的精密电阻；D是AD转换的结果，该结果可便利地从仪表显示装置中读出；VR与VAD是基准电压，为恒定的常量；为电路的总放大倍数；K是AD转换的比例因子，如对于14位的AD转换器，K=214。那么式(2)中只有2个未知数RV和。对于一个具体输入电路，假如取2个阻值已知的精密电阻R1

14、、R2分别接入图2所示电路进行标定(标定时，尽量使r=0)，就可以得到一个二元一次方程组。这样，对于一个具体输入电路而言，可从方程组解出和RV，其结果如下：上述标定方法可以总结为：2个阻值已知的精密标准电阻R1、R2分别接仪表的输入端，且运用连接导线的电阻尽量减小，这时记录仪表读数D1与D2，代入式(5)即可计算出所标定仪表的未知参数和RV。在运用中，建议将VR与VAD运用同一个基准源，这样式(5)中的计算就与参考电压的精度无关。这种方法减小了不同基准源之间的差异，特别是减小了不同基准的时漂与温漂的影响。23 测量电路 图3 恒压分压式三线制法测量及A/D转换电路图3是高精度Pt100温度测量

15、系统的前置输入电路部分，其中Pt100基准电压与AD转换器ICL7135的基准电压为同一电压基准源，Pt100的2路测量输入信号V1与V2接受同一运算放大器放大(1+R3R4)倍后进入AD转换器，运用微型继电器K1进行通道选择，这种方法共用运算放大器、AD转换器、基准电压源，减小了不同器件之间的差异对测量结果的影响。ICL7135的AD转换结果通过串行方式与单片机相连，可以大大节约单片机的IO口。该电路在标定时，运用标准电阻100与300进行标定，将标定结果和RV存入单片机系统的EEPROM中。在实际测量中，单片机系统将和RV取出，作为已知值，由式(3)计算出电阻Rt值。24 测量电路试验分析

16、对比三线制平衡电桥法，该电路检测结果得到了大大提高，表1是2种不同方法的测量标准电阻值的对比。其中r为线路电阻。表1热电阻阻值测量结果从表1中可以看出，由于三线制平衡电桥法理论测量结果即存在较大误差，且随线路电阻r的增加，引起的误差越大，随待测热电阻阻值增大，确定误差也呈增大的均势。表1中，最大相对误差为被测电阻Rt=300 ，线路电阻r=20 时，达到了257。本文接受改进后的三线制法的实测结果在所测数据范围内最大确定误差只有03 ，最大相对误差为01。电路运用的AD转换器仅相当于14位的AD转换精度，若运用更高精度的AD转换器，可达到更高的测量精度。在实际的热电阻传感器测温仪表中，还需加入

17、由被测电阻转换为对应温度的相关程序。即在测量得到Rt后，由式(1)计算即可精确求解出实际的温度值。3 结论三线制平衡电桥法在热电阻测量中应用广泛，但存在无法消退传感器引线电阻引起测量误差的问题。本文分析了测量热电阻平衡电桥法中存在的问题，提出了恒压分压式三线制测量方法，分析了测量电路产生误差的缘由及影响因素，推导并建立了待测电阻的影响参数及公式，设计了完整的测量电路，包括信号放大器和AD转换器以及与单片机的接口电路。最终对所设计电路的测试精度进行试验测定，试验表明，三线制平衡电桥法测标准电阻值在100300，线路电阻在020时最大测量误差达到257，而平衡三线制测量误差只有01。从而获得了高精

18、度的三线制热电阻测量电路。2、压力传感器压力传感器主要用于检测进气歧管负压、大气压、发动机油压等。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式、表面弹性波式。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压。它具有动态响应特性好、环境适应性强等特点；压阻式压力传感器受温度影响较大，须要另设温度补偿电路，但适应于大量生产。差动变压器式传感器有较大的输出实力，易于数字输出，但抗干扰性差；表面弹性波式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、牢靠性高、灵敏度高、辨别率高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作，是一种较为志向的传感器。3、流量传感器流量传感器主要用于测量发动

19、机空气流量。空气流量的测量用于发动机限制系统确定燃油条件、限制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有叶片式、卡门涡旋式、热线式、热膜式等。叶片式空气流量计结构较简洁，测量精度低，测量的空气流量须要进行温度补偿；卡门涡旋式空气流量计，反映灵敏，精度较高，也须要进行温度补偿；热线式空气流量计测量精度高，无需温度补偿，但易受气体脉动的影响，易断丝；热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样，但体积少，成本低，适合大批量生产。4、位置和转速传感器位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。目前汽车运用的位置和转速传感器主要有磁电式、霍尔效应式、光电式、半导体磁性晶体管式

20、等。车速传感器种类较多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于100kmh时，一般测量方法误差较大，需接受非接触型光电速度传感器进行测量。5、气体浓度传感器气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中最主要的是氧传感器，应用较多的有氧化锆传感器、氧化锆浓差电池型气体传感器、固体电解质式氧化锆气体传感器；还有二氧化钛式氧传感器。和氧化锆传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简洁、灵活、便宜，且抗铅污染实力强的特点。6、爆震传感器爆震传感器用于检测发动机的振动，通过它调整点火提前角和避开发动机发生爆震。可以通过检测汽缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等

21、三种方法来检测爆震。爆震传感器有磁应变式和压电式。压电式爆震传感器结构简洁，价格便宜。底盘限制用传感器：底盘限制用传感器是指用于变速器限制系统、悬架限制系统、动力转向系统、制动防抱死系统等。这些传感器尽管分布在不同的系统中，但工作原理与发动机中相应的传感器是相同的。而且随着汽车电子限制系统集成化程度的提高和新技术的广泛应用，统一传感器不仅可以给发动机限制系统供应信号，也可为底盘限制系统供应信号。导航系统用传感器：随着GPS系统和GIS系统在汽车上的应用，导航用传感器这几年得到快速发展。导航系统用传感器主要有：确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。六、 工程机械中

22、应用传感器的发展趋势进入20世纪80年头超大规模半导体集成技术和计算机技术的发展，为传感器技术的发展创建了极为有利的条件。从现有的工程机械中传感器应用的相关专业技术的发展来分析。在工程机械中运用的传感器显示出四个发展趋势，即半导体化、多功能化、智能化和专业化。1、 工程机械中传感器的半导体化目前在工程机械中运用的传感器，按测控原理半导体传感器类型已占7O%以上，半导体传感器以其灵敏度高、响应快、体积小、重量轻被广泛应用与筑路机械中。测控的参数包括温度、压力、流量、浓度、湿度等多项内容，其更重要的特性是传感器集成化程度高，可便利地与计算机结合，广泛应用工程机械中。2、 工程机械中传感器的多功能化

23、由于半导体传感器可高度集成，这样就可以在同一芯片集成如温度、湿度、压差、气体、浓度等多个敏感元件，使传感器效率有很大提高。半导体传感器的多功能化比较适合工程机械这样的移动式作业设备。因此，工程机械中的传感器的多功能化是一个较显著的发展趋势。3、工程机械中传感器的智能化和专业化工程机械运用的传感器与计算机结合形成了具有检测、信息处理功能和自动限制的智能化传感器。如摊铺机为限制铺层厚度接受的距离传感器就是这一类型。此类传感器基本上都具有自动校调功能，这样极大地便利了工程机械的运用。另外，工程机械种类较多，在专业化生产过程中，为提高工程机械的效率和降低生产成本，针对不同种类的工程机械的主要测控参数所运用的传感器，向专业化方向发展，这也是工程机械中运用传感器发展趋势。据对不同种类的工程机械运用传感器技术的统计，专业传感器占92%以上。