液压系统三位一体传感器的设计

　　1 引言

　　工程机械液压系统在用检测仪进行状态监测和故障诊断时，要求在不进行系统拆卸或尽可能少拆卸的情况下，采用有效的测试方法，能快捷简便地测量液压系统的流量、压力、温度等参数。传统测量方法是利用涡轮流量传感器、压力传感器和铂热电阻温度传感器分别进行流量、压力和温度的测量。用这种测量方法，即使传感器有较高的测量精度，测量误差仍难以避免：首先这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、适时测量要求有很大的差距；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，同时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温度传感器有机结合，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。

　　2 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[1]，流量传感器选用测量范围为 12L/min-350 L/min 的涡轮流量传感器，压力传感器采用压力范围为 0 MPa-40 MPa 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。

　　2.1 涡轮流量传感器

　　2.1.1 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。导流器安装在传感器的进出口处，对流体起导向整流作用；叶轮由轻质材料制成，是传感器的检测部件；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。其结构原理图如图 1 所示。

　　2.1.2 涡轮流量传感器的特点

　　涡轮流量传感器具有测量精度高、重复性好、量程范围宽、耐高压、结构紧凑、对流量变化反应迅速等特点，其输出脉冲频率信号，抗干扰能力强，且无零点漂移，特别适用于与计算机连接。

　　2.1.3 涡轮传感器的工作原理

　　当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，通过叶轮的转动周期性地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，并产生周期性的感应电动势，装在壳体外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率，与涡轮的转速成正比，因此，只要测出传感器输出脉冲信号的频率即可确定流体的流量。检测系统中流量的测量通常采用计数的办法，通过单片机上的计数器计数，设计为 2 秒钟计数一次，算出频率，利用下式即可求出流量：