新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)油壓力傳感器的工作原理及特性分類

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組的油壓傳感器是根據(jù)機(jī)油壓力傳感器與機(jī)油壓力表和報(bào)警燈連接起來，具有機(jī)油壓力指示和在機(jī)油壓力過低時(shí)報(bào)警的功能。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力穩(wěn)定是保證其正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，機(jī)油的壓力下降就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行異常，導(dǎo)致超標(biāo)磨損，引發(fā)事故，所以需要傳感器對(duì)其壓力進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重，不能提供電學(xué)輸出。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子油壓傳感器已經(jīng)成為了主流的機(jī)油壓力檢測(cè)裝置，并且起到了較好的應(yīng)用效果。

 

一、油壓傳感器工作原理

 

      機(jī)油壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種品牌柴油發(fā)電機(jī)組，其作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)柴油機(jī)的機(jī)油壓力，以保證柴油機(jī)正常工作。一旦機(jī)油壓力過低，柴油機(jī)就會(huì)因?yàn)槿鄙贆C(jī)油潤滑而造成強(qiáng)烈的摩擦，這樣就會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)嚴(yán)重磨損以及發(fā)熱，進(jìn)而可能會(huì)損壞柴油機(jī)，對(duì)發(fā)電機(jī)組整體的運(yùn)轉(zhuǎn)造成很大的影響。由此可見，機(jī)油壓力是柴油機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。所以，需要在柴油機(jī)上安裝油壓測(cè)量裝置，以檢測(cè)柴油機(jī)的機(jī)油壓力信號(hào)。如果機(jī)油壓力低于一定值，油壓測(cè)量裝置就會(huì)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，安裝在儀表盤內(nèi)的報(bào)警燈就會(huì)被點(diǎn)亮，從而提醒操作人員注意檢查柴油機(jī)的機(jī)油情況。

      傳統(tǒng)的機(jī)械式機(jī)油壓力傳感器的設(shè)計(jì)原理是利用金屬膜片受壓變形，通過一套較為復(fù)雜的機(jī)械裝置推動(dòng)滑片在一個(gè)小型的滑線變阻器上來回滑動(dòng)，使滑線變阻器的阻值發(fā)生變化，來改變壓力表線圈中的電流，以檢測(cè)壓力。然而其結(jié)構(gòu)存在很大的缺陷：變阻器的滑線部分的耐磨性較差；壓力報(bào)警部分采用滑動(dòng)接觸形式，瞬時(shí)沖擊電流很大，頻繁通斷電時(shí)易產(chǎn)生電弧而燒壞報(bào)警觸點(diǎn)。由此可看出，機(jī)械式機(jī)油壓力傳感器壽命較短，因此在對(duì)機(jī)械式機(jī)油壓力傳感器存在問題加以分析解決的基礎(chǔ)之上，提出了一種新型結(jié)構(gòu)和原理的電子式機(jī)油壓力傳感器。

      機(jī)油壓力傳感器安裝在柴油機(jī)的主油道上，當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，壓力測(cè)量裝置檢測(cè)機(jī)油的壓力，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送至信號(hào)處理電路，經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大，然后通過信號(hào)線將放大后的壓力信號(hào)連接至機(jī)油壓力表，從而顯示出柴油機(jī)當(dāng)前的機(jī)油壓力。與此同時(shí)，經(jīng)過放大電路放大的壓力信號(hào)與報(bào)警電路中設(shè)定的報(bào)警電壓進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀趫?bào)警電壓時(shí)，報(bào)警電路則輸出報(bào)警信號(hào)，并通過報(bào)警線點(diǎn)亮報(bào)警燈。電子式機(jī)油壓力傳感器的接線方式與傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力傳感器完全一致，不僅能代替機(jī)械式壓力傳感器，同時(shí)還可以直接與發(fā)電機(jī)組機(jī)油壓力表和低壓報(bào)警燈連接，準(zhǔn)確的顯示柴油機(jī)的機(jī)油壓力和提供低壓報(bào)警信號(hào)。與傳統(tǒng)的機(jī)械式機(jī)油壓力傳感器相比，電子式發(fā)電機(jī)組機(jī)油壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、穩(wěn)定性好、耐高溫、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，并且符合發(fā)電機(jī)組電子化發(fā)展的需求。

      電子式機(jī)油壓力傳感器由壓阻式壓力傳感器芯片、信號(hào)處理電路、外殼、固定電路板裝置以及2根導(dǎo)線（信號(hào)線和報(bào)警線）等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號(hào)處理電路包括電源電路、濾波穩(wěn)壓電路，信號(hào)放大電路、報(bào)警電路及儀表電路等，其中信號(hào)放大電路如圖2所示。壓力傳感器芯片在機(jī)油壓力的作用下，其內(nèi)部惠斯通電橋的4個(gè)電阻阻值發(fā)生變化，其中2個(gè)電阻阻值受壓變小，2個(gè)電阻阻值受壓變大，信號(hào)由放大電路發(fā)大后，在ADu端輸出一系列的電壓值，然后再轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)。

 

圖1  柴油機(jī)電子式機(jī)油壓力傳感器結(jié)構(gòu)

圖2  油壓傳感器信號(hào)放大圖

 

二、油壓傳感器的類別

 

      機(jī)油壓力傳感器是對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)油壓力進(jìn)行檢測(cè)的重要裝置，檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以幫助控制發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)闄C(jī)油的壓力過低就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦加劇，增加磨損的程度并伴有發(fā)熱，從而造成零件的損傷。可見，機(jī)油壓力是一個(gè)重要的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，需要在柴油阿電解質(zhì)運(yùn)行中對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)并形成數(shù)據(jù)傳遞給信息系統(tǒng)，一旦過低則會(huì)觸發(fā)報(bào)警。這里傳感器就成為和數(shù)據(jù)采集的重要裝置。目前電子式的油壓傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，具體可以分為以下幾種。

1、電位器式壓力傳感器  

      結(jié)構(gòu)如圖3所示。柴油機(jī)都是靠潤滑油潤滑的，一旦潤滑油壓力過低，就會(huì)因缺油發(fā)生干摩擦，造成劇烈的磨損和發(fā)熱，從而損壞柴油機(jī)。因此柴油機(jī)上均安裝有油壓測(cè)量裝置，以監(jiān)測(cè)潤滑油壓力，目前康明斯柴油機(jī)多采用電位器式壓力傳感器測(cè)量油壓。該傳感器由一個(gè)波紋膜片和一個(gè)滑線電位器組成。在柴油機(jī)油壓發(fā)生變化時(shí)，波紋膜片產(chǎn)生位移，帶動(dòng)電位器上的觸點(diǎn)滑動(dòng)，從而改變電阻值。單線制下該傳感器帶一個(gè)接線端，其中的電位器通過一根導(dǎo)線與柴油機(jī)控制單元或油壓指示表連接，另一極則搭鐵。當(dāng)與油壓指示表連接時(shí)，若電位器阻值改變，油壓指示表內(nèi)部線圈通過的電流發(fā)生變化，從而帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指出潤滑油壓力值。油壓增高時(shí)，傳感器可變阻值下降，輸出電流增大，油壓降低時(shí)，情況正好相反。

      當(dāng)與控制單元連接時(shí)，傳感器電位器與ECU內(nèi)部上拉電阻分壓后，產(chǎn)生一個(gè)隨電位器阻值變化而變化的電壓，柴油機(jī)ECU根據(jù)這一電壓的變化測(cè)得柴油機(jī)潤滑油壓力。這種油壓測(cè)量裝置中的滑線電位器具有機(jī)械觸點(diǎn)，并且該觸點(diǎn)要通過最大達(dá)100mA的電流，而柴油機(jī)存在較大的振動(dòng)，使得該傳感器的機(jī)械、電氣壽命受到一定影響。

2、開關(guān)式壓力傳感器

     結(jié)構(gòu)如圖4所示。潤滑油油壓開關(guān)也用于檢測(cè)柴油機(jī)油壓，它由膜片、觸點(diǎn)和彈簧組成。工作過程中，當(dāng)油壓開關(guān)的膜片沒有壓力作用時(shí)，觸點(diǎn)在彈簧力的作用下閉合；當(dāng)有壓力作用于膜片時(shí)，彈簧被壓縮，觸點(diǎn)張開。

      開關(guān)式壓力傳感器一般與油壓指示燈相連，開關(guān)式機(jī)油壓力指示器的工作原理圖。當(dāng)柴油機(jī)沒有潤滑油油壓時(shí)、膜片本受壓力作用，油壓開關(guān)的觸點(diǎn)閉合，油壓指示燈亮；當(dāng)柴油機(jī)油壓正常時(shí)，膜片受到壓力作用、壓縮彈簧，使觸點(diǎn)張開，油壓指示燈熄滅。也有的機(jī)油壓力傳感器將電位器式和開關(guān)式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，若負(fù)極搭鐵，其接線柱有兩個(gè)，其中一個(gè)輸出電位器阻值變化信號(hào)，另一個(gè)輸出開關(guān)信號(hào)。

3、陶瓷壓阻傳感器

      這種傳感器是由陶瓷材料經(jīng)過特殊工藝制成的干式陶瓷壓力傳感器。陶瓷是一種高彈性、耐腐蝕、耐磨損、抗振動(dòng)的優(yōu)質(zhì)材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)。

4、半導(dǎo)體壓阻傳感器

      此種傳感器所利用的是半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。普通的半導(dǎo)體材料應(yīng)變要優(yōu)于金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。利用單晶硅的壓阻效應(yīng)在單晶硅的基礎(chǔ)上利用半導(dǎo)體工藝制成的元件，當(dāng)半導(dǎo)體受到壓力作用的時(shí)候，其電阻會(huì)發(fā)生變化，從而形成壓力變化的信號(hào)輸出。目前，普遍采用的壓阻傳感器都是4個(gè)等值應(yīng)變?cè)硇纬梢粋€(gè)電橋，當(dāng)壓力作用變化的時(shí)候，分為兩對(duì)產(chǎn)生變化效果，一對(duì)變大一對(duì)變小，導(dǎo)致電橋出現(xiàn)失衡，輸入一個(gè)與壓力成正比的電壓信號(hào)。其最大的特點(diǎn)就是靈敏度高、測(cè)量范圍大、輸出信號(hào)強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)集成。但是其抗油污和微粒影響的能力較差，必須利用介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行隔離，才能達(dá)到準(zhǔn)確的效果。

      隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。

圖3  電位器式壓力傳感器示意圖

圖4  開關(guān)式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

 

三、油壓傳感器的特點(diǎn)

 

1、數(shù)據(jù)的測(cè)量與分析

      壓阻式壓力傳感器芯片的各個(gè)橋臂阻值與氣壓的關(guān)系曲線如圖5所示，關(guān)系曲線表示的是在氣壓為0.08~1.10 MPa范圍內(nèi)橋臂電阻的變化趨勢(shì)。由圖5可看出電阻R?、R?的阻值隨氣壓的升高而減小，電阻R?、R?隨氣壓的升高而增大，并且各個(gè)阻值與氣壓基本呈線性關(guān)系。當(dāng)外加恒流源時(shí)，阻值的變化就轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的輸出。

      將壓力傳感器芯片放在恒溫箱內(nèi)并固定，然后在-40~120℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度，測(cè)其橋臂電阻值便得到橋臂阻值與溫度的關(guān)系，關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，橋臂電阻R?、R?、R?、R?的阻值在負(fù)溫度時(shí)隨溫度的升高而減小，在正溫度時(shí)隨溫度的升高而增大，在正溫和負(fù)溫時(shí)電阻的阻值和溫度也基本成線性關(guān)系。

2、壓力傳感器的零點(diǎn)補(bǔ)償

      理想的情況下，組成惠斯通電橋的4個(gè)電阻的阻值應(yīng)該是相等的，因而在電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，電橋的輸出電壓應(yīng)該為0。但在制作壓阻式傳感器的過程中，由于被連接成惠斯通電橋的4個(gè)電阻的阻值不可能制作得完全相等，所以當(dāng)壓力為0時(shí)，電橋的輸出不為0，所以要對(duì)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償，具體步驟如下：

      將萬用表的紅筆端接壓力傳感器芯片的2腳，黑筆端接5腳，將電路板上電測(cè)量壓力傳感器芯片2、5腳間的電壓。如果測(cè)得的電壓值為正，則需要在惠斯通電橋4個(gè)電阻的R₂上并接1個(gè)電阻，若電壓值為負(fù)，則需要在R₃上并接1個(gè)電阻。并接電阻阻值的算法大致如下：如并接1個(gè)200 kΩ的電阻，則會(huì)使原電阻與并接電阻的總電阻大約減小120Ω；并接1個(gè)500kΩ的電阻，則會(huì)使總電阻減小50Ω；并接1個(gè)1 MΩ的電阻，則會(huì)使總電阻減小25Ω；并接1個(gè)10 MΩ的電阻，則會(huì)使總電阻減小2.5 MΩ。因此可以根據(jù)所測(cè)的2、5腳間的電壓值選擇合適的電阻。

      測(cè)量本文采用的壓力傳感器芯片的2、5腳間的電壓值為-25.5mV，故可知5端電壓比2端電壓高，所以應(yīng)在電阻R?上并接1個(gè)電阻，根據(jù)以上原理可得并接的電阻大約為200 kΩ。并接電阻之后，再次測(cè)量2、5腳間的電壓值，其值為0.03 mV，基本接近于0，所以就實(shí)現(xiàn)了零點(diǎn)補(bǔ)償。

3、壓力傳感器的溫度補(bǔ)償

      零點(diǎn)補(bǔ)償后，測(cè)量AD_out端的輸出電壓值。在氣壓和溫度都變化的情況下，AD_out端輸出的電壓值雖然線性關(guān)系較好，但是隨著溫度的升高曲線的斜率逐漸增大，也就是說，輸出的電壓值在溫度變化的情況下還不穩(wěn)定，電壓值與所要求的值還存在誤差，這勢(shì)必影響到整個(gè)壓力傳感器的性能。所以，必須要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

      零點(diǎn)輸出漂移隨溫度的變化而發(fā)生漂移，即產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移。零點(diǎn)溫度漂移的產(chǎn)生是由于電阻的阻值隨溫度變化引起的，故要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。具體做法如下：

      由惠斯登電橋原理可知，零位壓力傳感器芯片輸出電壓為

 

V_out=U｛（R₃R₄-R₁R₂）/ [（R₁+R₃）（R₂+R₄）]｝.............（公式1）

      則常溫下應(yīng)使R?R?-R?R?=0，得零位輸出為0。當(dāng)外界溫度為T時(shí)，電橋零位輸出變?yōu)?/span>

 

V_out=U｛（R_3TR_4T-R_1TR_2T）/ [（R_1T+R_3T）（R_2T+R_4T）]｝.............（公式2）

      若R_3TR_4T-R_1TR_2T>0，則溫度為正；若R_3TR_4T-R_1TR_2T<0，則溫度為負(fù)。故調(diào)節(jié)零位漂移的關(guān)鍵是改變R_3TR_4T或R_1TR_2T的大小。本設(shè)計(jì)采用的方法是在R₂上并聯(lián)電阻R_m，則調(diào)節(jié)R_m阻值大小，可達(dá)到調(diào)節(jié)零位輸出的目的。R_m的阻值可由式（3）求得。

      由電橋原理，輸出電壓為

 V_out=｛（R₃ /（R₁+R₃）} -｛（R₂ /（R₂+R₄）} .............（公式3）

      其中R₂=R₂R_m /（R₂+R_m），且 V_out=0，根據(jù)式（3）可得：

 R_m=R₂R₃ R₄ /（R₁ R₂-R₃ R₄ ）.............（公式4）

       溫度補(bǔ)償后，AD_out端輸出電壓值與溫度、氣壓的關(guān)系，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，壓力傳感器在壓力0~1.0 MPa的范圍內(nèi)，AD_out信號(hào)輸出端輸出的電壓值均穩(wěn)定在0.45~4.5 V范圍內(nèi)并且成良好的線性關(guān)系，同時(shí)在溫度0~80℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，滿足了設(shè)計(jì)要求。

 

圖5  油壓傳感器信號(hào)橋臂阻值與氣壓關(guān)系圖

圖6  油壓傳感器信號(hào)橋臂阻值與溫度關(guān)系圖

 

總結(jié)：

      機(jī)油壓力傳感器的工作原理雖然簡單，但它在保證柴油發(fā)電機(jī)組安全性和可靠性方面扮演著重要的角色。一旦機(jī)油壓力傳感器出現(xiàn)故障，自我診斷系統(tǒng)將無法準(zhǔn)確判斷機(jī)油的壓力情況，從而導(dǎo)致柴油機(jī)失靈，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重事故。由于柴油發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境十分惡劣，對(duì)傳感器的要求十分嚴(yán)格，在電子式柴油發(fā)電機(jī)機(jī)油力傳感器的設(shè)計(jì)中，不僅需要選擇耐高溫、耐腐蝕、精度高的壓力測(cè)量裝置， 選用性能可靠、工作溫度范圍寬的元器件，而且在電路中還需要采取抗干擾措施，以提高傳感器的可靠性。因此，我們需要時(shí)刻保持機(jī)油壓力傳感器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，定期進(jìn)行維護(hù)和更換。

 

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