新聞主題	柴油發電機組機油壓力傳感器的工作原理及特性分類

 

摘要：柴油發電機組的油壓傳感器是根據機油壓力傳感器與機油壓力表和報警燈連接起來，具有機油壓力指示和在機油壓力過低時報警的功能。發動機的機油壓力穩定是保證其正常運行的重要基礎，機油的壓力下降就會導致發動機的運行異常，導致超標磨損，引發事故，所以需要傳感器對其壓力進行監控。傳統的壓力傳感器以機械結構型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質量重，不能提供電學輸出。隨著電子技術的發展，電子油壓傳感器已經成為了主流的機油壓力檢測裝置，并且起到了較好的應用效果。

 

一、油壓傳感器工作原理

 

      機油壓力傳感器廣泛應用于各種品牌柴油發電機組，其作用是實時檢測柴油機的機油壓力，以保證柴油機正常工作。一旦機油壓力過低，柴油機就會因為缺少機油潤滑而造成強烈的摩擦，這樣就會導致柴油機嚴重磨損以及發熱，進而可能會損壞柴油機，對發電機組整體的運轉造成很大的影響。由此可見，機油壓力是柴油機的一個重要參數。所以，需要在柴油機上安裝油壓測量裝置，以檢測柴油機的機油壓力信號。如果機油壓力低于一定值，油壓測量裝置就會就會發出報警信號，安裝在儀表盤內的報警燈就會被點亮，從而提醒操作人員注意檢查柴油機的機油情況。

      傳統的機械式機油壓力傳感器的設計原理是利用金屬膜片受壓變形，通過一套較為復雜的機械裝置推動滑片在一個小型的滑線變阻器上來回滑動，使滑線變阻器的阻值發生變化，來改變壓力表線圈中的電流，以檢測壓力。然而其結構存在很大的缺陷：變阻器的滑線部分的耐磨性較差；壓力報警部分采用滑動接觸形式，瞬時沖擊電流很大，頻繁通斷電時易產生電弧而燒壞報警觸點。由此可看出，機械式機油壓力傳感器壽命較短，因此在對機械式機油壓力傳感器存在問題加以分析解決的基礎之上，提出了一種新型結構和原理的電子式機油壓力傳感器。

      機油壓力傳感器安裝在柴油機的主油道上，當柴油機運行時，壓力測量裝置檢測機油的壓力，將壓力信號轉變為電信號送至信號處理電路，經過放大電路進行放大，然后通過信號線將放大后的壓力信號連接至機油壓力表，從而顯示出柴油機當前的機油壓力。與此同時，經過放大電路放大的壓力信號與報警電路中設定的報警電壓進行比較，當低于報警電壓時，報警電路則輸出報警信號，并通過報警線點亮報警燈。電子式機油壓力傳感器的接線方式與傳統的機械式壓力傳感器完全一致，不僅能代替機械式壓力傳感器，同時還可以直接與發電機組機油壓力表和低壓報警燈連接，準確的顯示柴油機的機油壓力和提供低壓報警信號。與傳統的機械式機油壓力傳感器相比，電子式發電機組機油壓力傳感器具有結構簡單、精度高、穩定性好、耐高溫、易于批量生產等優點，并且符合發電機組電子化發展的需求。

      電子式機油壓力傳感器由壓阻式壓力傳感器芯片、信號處理電路、外殼、固定電路板裝置以及2根導線（信號線和報警線）等組成，結構如圖1所示。信號處理電路包括電源電路、濾波穩壓電路，信號放大電路、報警電路及儀表電路等，其中信號放大電路如圖2所示。壓力傳感器芯片在機油壓力的作用下，其內部惠斯通電橋的4個電阻阻值發生變化，其中2個電阻阻值受壓變小，2個電阻阻值受壓變大，信號由放大電路發大后，在ADu端輸出一系列的電壓值，然后再轉化為壓力信號。

 

圖1  柴油機電子式機油壓力傳感器結構

圖2  油壓傳感器信號放大圖

 

二、油壓傳感器的類別

 

      機油壓力傳感器是對柴油發電機組的機油壓力進行檢測的重要裝置，檢測的數據可以幫助控制發動機的正常運轉。因為機油的壓力過低就會導致發動機的摩擦加劇，增加磨損的程度并伴有發熱，從而造成零件的損傷。可見，機油壓力是一個重要的發動機參數，需要在柴油阿電解質運行中對其進行檢測并形成數據傳遞給信息系統，一旦過低則會觸發報警。這里傳感器就成為和數據采集的重要裝置。目前電子式的油壓傳感器已經得到了廣泛的應用，具體可以分為以下幾種。

1、電位器式壓力傳感器  

      結構如圖3所示。柴油機都是靠潤滑油潤滑的，一旦潤滑油壓力過低，就會因缺油發生干摩擦，造成劇烈的磨損和發熱，從而損壞柴油機。因此柴油機上均安裝有油壓測量裝置，以監測潤滑油壓力，目前康明斯柴油機多采用電位器式壓力傳感器測量油壓。該傳感器由一個波紋膜片和一個滑線電位器組成。在柴油機油壓發生變化時，波紋膜片產生位移，帶動電位器上的觸點滑動，從而改變電阻值。單線制下該傳感器帶一個接線端，其中的電位器通過一根導線與柴油機控制單元或油壓指示表連接，另一極則搭鐵。當與油壓指示表連接時，若電位器阻值改變，油壓指示表內部線圈通過的電流發生變化，從而帶動指針偏轉，指出潤滑油壓力值。油壓增高時，傳感器可變阻值下降，輸出電流增大，油壓降低時，情況正好相反。

      當與控制單元連接時，傳感器電位器與ECU內部上拉電阻分壓后，產生一個隨電位器阻值變化而變化的電壓，柴油機ECU根據這一電壓的變化測得柴油機潤滑油壓力。這種油壓測量裝置中的滑線電位器具有機械觸點，并且該觸點要通過最大達100mA的電流，而柴油機存在較大的振動，使得該傳感器的機械、電氣壽命受到一定影響。

2、開關式壓力傳感器

     結構如圖4所示。潤滑油油壓開關也用于檢測柴油機油壓，它由膜片、觸點和彈簧組成。工作過程中，當油壓開關的膜片沒有壓力作用時，觸點在彈簧力的作用下閉合；當有壓力作用于膜片時，彈簧被壓縮，觸點張開。

      開關式壓力傳感器一般與油壓指示燈相連，開關式機油壓力指示器的工作原理圖。當柴油機沒有潤滑油油壓時、膜片本受壓力作用，油壓開關的觸點閉合，油壓指示燈亮；當柴油機油壓正常時，膜片受到壓力作用、壓縮彈簧，使觸點張開，油壓指示燈熄滅。也有的機油壓力傳感器將電位器式和開關式結構結合在一起，若負極搭鐵，其接線柱有兩個，其中一個輸出電位器阻值變化信號，另一個輸出開關信號。

3、陶瓷壓阻傳感器

      這種傳感器是由陶瓷材料經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、抗振動的優質材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢。

4、半導體壓阻傳感器

      此種傳感器所利用的是半導體的壓阻效應。普通的半導體材料應變要優于金屬材料的應變靈敏系數。利用單晶硅的壓阻效應在單晶硅的基礎上利用半導體工藝制成的元件，當半導體受到壓力作用的時候，其電阻會發生變化，從而形成壓力變化的信號輸出。目前，普遍采用的壓阻傳感器都是4個等值應變元件來形成一個電橋，當壓力作用變化的時候，分為兩對產生變化效果，一對變大一對變小，導致電橋出現失衡，輸入一個與壓力成正比的電壓信號。其最大的特點就是靈敏度高、測量范圍大、輸出信號強，容易實現集成。但是其抗油污和微粒影響的能力較差，必須利用介質對其進行隔離，才能達到準確的效果。

      隨著半導體技術的發展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術的發展，半導體傳感器向著微型化發展，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  開關式壓力傳感器結構圖

 

三、油壓傳感器的特點

 

1、數據的測量與分析

      壓阻式壓力傳感器芯片的各個橋臂阻值與氣壓的關系曲線如圖5所示，關系曲線表示的是在氣壓為0.08~1.10 MPa范圍內橋臂電阻的變化趨勢。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，并且各個阻值與氣壓基本呈線性關系。當外加恒流源時，阻值的變化就轉化為電壓信號的輸出。

      將壓力傳感器芯片放在恒溫箱內并固定，然后在-40~120℃范圍內調節恒溫箱的溫度，測其橋臂電阻值便得到橋臂阻值與溫度的關系，關系曲線如圖7所示。由圖7可知，橋臂電阻R?、R?、R?、R?的阻值在負溫度時隨溫度的升高而減小，在正溫度時隨溫度的升高而增大，在正溫和負溫時電阻的阻值和溫度也基本成線性關系。

2、壓力傳感器的零點補償

      理想的情況下，組成惠斯通電橋的4個電阻的阻值應該是相等的，因而在電橋處于平衡狀態時，電橋的輸出電壓應該為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個電阻的阻值不可能制作得完全相等，所以當壓力為0時，電橋的輸出不為0，所以要對傳感器進行零點補償，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，將電路板上電測量壓力傳感器芯片2、5腳間的電壓。如果測得的電壓值為正，則需要在惠斯通電橋4個電阻的R₂上并接1個電阻，若電壓值為負，則需要在R₃上并接1個電阻。并接電阻阻值的算法大致如下：如并接1個200 kΩ的電阻，則會使原電阻與并接電阻的總電阻大約減小120Ω；并接1個500kΩ的電阻，則會使總電阻減小50Ω；并接1個1 MΩ的電阻，則會使總電阻減小25Ω；并接1個10 MΩ的電阻，則會使總電阻減小2.5 MΩ。因此可以根據所測的2、5腳間的電壓值選擇合適的電阻。

      測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，所以應在電阻R?上并接1個電阻，根據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，所以就實現了零點補償。

3、壓力傳感器的溫度補償

      零點補償后，測量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定，電壓值與所要求的值還存在誤差，這勢必影響到整個壓力傳感器的性能。所以，必須要對壓力傳感器進行溫度補償。

      零點輸出漂移隨溫度的變化而發生漂移，即產生零點溫度漂移。零點溫度漂移的產生是由于電阻的阻值隨溫度變化引起的，故要對壓力傳感器進行溫度補償。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）

      則常溫下應使R?R?-R?R?=0，得零位輸出為0。當外界溫度為T時，電橋零位輸出變為

 

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。故調節零位漂移的關鍵是改變R_3TR_4T或R_1TR_2T的大小。本設計采用的方法是在R₂上并聯電阻R_m，則調節R_m阻值大小，可達到調節零位輸出的目的。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，根據式（3）可得：

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

       溫度補償后，AD_out端輸出電壓值與溫度、氣壓的關系，經過溫度補償后，壓力傳感器在壓力0~1.0 MPa的范圍內，AD_out信號輸出端輸出的電壓值均穩定在0.45~4.5 V范圍內并且成良好的線性關系，同時在溫度0~80℃范圍內性能穩定，滿足了設計要求。

 

圖5  油壓傳感器信號橋臂阻值與氣壓關系圖

圖6  油壓傳感器信號橋臂阻值與溫度關系圖

 

總結：

      機油壓力傳感器的工作原理雖然簡單，但它在保證柴油發電機組安全性和可靠性方面扮演著重要的角色。一旦機油壓力傳感器出現故障，自我診斷系統將無法準確判斷機油的壓力情況，從而導致柴油機失靈，甚至出現嚴重事故。由于柴油發電機的工作環境十分惡劣，對傳感器的要求十分嚴格，在電子式柴油發電機機油力傳感器的設計中，不僅需要選擇耐高溫、耐腐蝕、精度高的壓力測量裝置， 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，我們需要時刻保持機油壓力傳感器的正常運轉，定期進行維護和更換。

 

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