余利芳，葉永剛，葉新，尹榮康

（1.浙江志高機(jī)械股份有限公司，浙江 衢州，324000；2.浙江紅五環(huán)機(jī)械股份有限公司，浙江 衢州，324000）

0 前言

鑿巖鉆機(jī)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)， 是一個(gè)機(jī)-電-液集成控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其配套的電氣控制系統(tǒng)中包含有諸多的傳感器及開關(guān)類電氣元器件，比如：溫度、壓力、液位、傾角、轉(zhuǎn)速、車速等傳感器，以及接近開關(guān)、壓差開關(guān)等，其技術(shù)參數(shù)選型的合適程度直接影響到整機(jī)系統(tǒng)的控制性能、可靠性和配套成本。

1 溫度、壓力傳感器的用途

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能檢測(cè)到測(cè)量對(duì)象的訊息，并將檢測(cè)到的訊息按照一定的規(guī)律變換成電信號(hào)或者其它需要的信號(hào)輸出，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)和傳輸。

鑿巖鉆機(jī)的種類很多，按使用場(chǎng)合和結(jié)構(gòu)可分為一體式地下鑿巖鉆機(jī)、露天鑿巖鉆機(jī)以及通用分體鉆機(jī)，其常規(guī)配套的溫度傳感器用途有檢測(cè)排氣溫度、液壓油溫度、變矩器油溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等。

2 溫度傳感器的種類和特性比對(duì)

2.1 溫度傳感器的種類

溫度傳感器最常見的類型有3 種： 熱敏電阻、熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器（RTD），由于工作原理，具有不同的測(cè)量范圍、精度和優(yōu)缺點(diǎn)。

熱敏電阻：是一種溫度測(cè)量裝置，響應(yīng)時(shí)間緩慢，主要應(yīng)用于環(huán)境溫度測(cè)量。 常用的熱敏電阻有：PTC（正溫度系數(shù)）和NTC（負(fù)溫度系數(shù)）。PTC 正溫度熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增加，NTC 負(fù)溫度熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，其阻值與所測(cè)溫度是非線性的函數(shù)關(guān)系[1]。

熱電偶：基本原理是兩種不同成分的金屬導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)[1]。 需要熱接點(diǎn)和冷接點(diǎn)兩個(gè)溫度讀數(shù)進(jìn)行測(cè)算， 由于產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)非常小，易被電磁干擾，在有電磁干擾的情況下對(duì)絕緣屏蔽的要求比較高。

電阻溫度檢測(cè)器（RTD）：也叫電阻溫度計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)為多功能性，可重復(fù)使用，安裝方便。RTD傳感器最常用的感溫材料是Pt 和Cu， 鉑熱電阻：Pt100、Pt500、Pt1000， 和銅熱電阻：Cu50、Cu100。 分度號(hào)大，精度更高。 熱電阻的結(jié)構(gòu)見圖1。

2.2 溫度傳感器的特性比對(duì)

鉑熱電阻的測(cè)溫范圍為-200～+850℃， 其優(yōu)點(diǎn)是：化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫，容易制得純鉑，電阻率大，可用較少材料制成電阻。缺點(diǎn)是：在高溫環(huán)境下容易被氧化物中還原出來的蒸汽沾污，鉑絲變脆，進(jìn)而改變電阻與溫度之間的關(guān)系，所以其通常被置于保護(hù)性探頭中。

Pt100 是鉑熱電阻， 阻值隨著外圍環(huán)境的溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)。Pt 后的100 表示傳感器在0℃時(shí)的標(biāo)稱電阻值為100 Ω，在100℃時(shí)的電阻值約為138.5 Ω。

Pt1000 也是鉑熱電阻， 特性與Pt100 相似，兩者的特性曲線、 相應(yīng)時(shí)間和工作溫度范圍相同，電阻的溫度系數(shù)相同。Pt 后的1000 表示傳感器在0℃時(shí)的標(biāo)稱電阻值為1000 Ω， 在300℃時(shí)的電阻值約為2120.515 Ω。

由于Pt1000 和Pt100 的標(biāo)稱電阻不同，Pt1000 的讀數(shù)比Pt100 讀數(shù)高出10 倍， 精度高于Pt100。 2 線制配置時(shí)，再考慮引線測(cè)量誤差情況，這種差異會(huì)比較明顯，在相同設(shè)計(jì)中，Pt100的測(cè)量誤差如果是+1℃時(shí)， 則Pt1000 的測(cè)量誤差只有+0.1℃。 當(dāng)導(dǎo)線越長(zhǎng)，線阻越大時(shí)，Pt1000傳感器具有更高的標(biāo)稱電阻，可以更好地補(bǔ)償增加的線損誤差。

Cu50 是銅熱電阻，Cu 后的50 表示傳感器在0℃時(shí)的標(biāo)稱電阻值為50 Ω，100℃時(shí)的電阻值約為71.4 Ω，阻值隨著溫度的上升而近似勻速增長(zhǎng)。 銅熱電阻的線性度較好，在-50～+150℃范圍內(nèi)使用較多，缺點(diǎn)是怕潮，易被腐蝕，熔點(diǎn)低。

RTD 與NTC 電阻值隨溫度變化的曲線對(duì)比，如圖2 所示。

NTC 有著負(fù)溫度系數(shù)特性，輸出信號(hào)線性度非常差， 多用于150℃以下的溫度測(cè)量；RTD 輸出信號(hào)的線性度好，信號(hào)拾取較為方便，非常適合測(cè)量范圍在600℃以下普通工業(yè)用的溫度測(cè)量；熱電偶在中低溫時(shí)，信號(hào)輸出分辨率低且輸出信號(hào)非常微弱， 拾取時(shí)需要進(jìn)行放大或屏蔽。通常來講，熱電偶更適合高溫測(cè)量（600℃以上）。如圖3 描述了熱敏電阻、熱電偶和鉑熱電阻與溫度的特性曲線。 圖中可看出，鉑熱電阻具有測(cè)量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，因此在傳感器中使用較多的是鉑熱電阻[2]。

圖3 RTD、NTC 及熱電偶線性度曲線對(duì)比

金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示：

Rt=Rt0[1+α（t-t0）]

式中 Rt——溫度為t 時(shí)的電阻值Ω

Rt0——溫度為t0（通常t0=0℃）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值，Ω

α——溫度系數(shù)

使用RTD 鉑電阻測(cè)量溫度時(shí)， 需要外接導(dǎo)線以便測(cè)量阻值信號(hào)。而導(dǎo)線的內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，通常導(dǎo)線越細(xì)或者越長(zhǎng)，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響越大。 對(duì)于精度要求高的情況，Pt100因?yàn)榉侄忍?hào)較小， 為了補(bǔ)償導(dǎo)線內(nèi)阻的影響，需要采用3 線制或4 線制補(bǔ)償方式[2]，線路會(huì)變得較為復(fù)雜。

各類溫度傳感器的性能對(duì)比見表1。

表1 溫度傳感器的性能對(duì)比

基于以上對(duì)溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理及性能優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比分析，基于使用環(huán)境溫度、量程、精度選擇以及控制器輸入信號(hào)和行業(yè)特性，鑿巖鉆機(jī)配套的溫度傳感器確定采用電阻溫度檢測(cè)器（RTD），2 線制Pt1000 來實(shí)現(xiàn)各部位的溫度檢測(cè)。

3 壓力傳感器的種類和特性比對(duì)

3.1 壓力傳感器的種類

壓力傳感器是在其感受到壓力變化后，把壓力變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的傳感元件，是工業(yè)中常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境。 傳感器類型非常多，常見的有壓電式傳感器和壓阻式傳感器兩種。壓電式傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成，壓阻式傳感器是利用壓阻效應(yīng)制造出來的。目前工程機(jī)械上最常見的壓力傳感器是壓阻式傳感器，采用金屬電阻應(yīng)變片的特性實(shí)現(xiàn)其功能。

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即為吸附在基體材料上的應(yīng)變電阻隨著機(jī)械變形而產(chǎn)生阻值變化特性。

金屬導(dǎo)體的電阻值

式中 ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率，Ω·mm2/m

S——導(dǎo)體的截面積，mm2

L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m

當(dāng)金屬導(dǎo)體受到外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積會(huì)發(fā)生變化， 當(dāng)金屬導(dǎo)體受外力作用伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，截面積減少，電阻值增大；反之則相反。因此通過測(cè)量電阻兩端的電壓變化即可獲得金屬導(dǎo)體的受力情況。 由于這種變化通常較小，故一般通過應(yīng)變橋等元件將信號(hào)放大，再傳輸給處理電路完成模擬量的輸出。

常用的壓力傳感器模擬量輸出信號(hào)主要有：電流型4-20 mA 和電壓型0-5 V、0-10 V 等。 壓力傳感器輸出信號(hào)和測(cè)量范圍是百分比對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過其輸出的電流或電壓信號(hào)，計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的百分比的值，再根據(jù)測(cè)量范圍即可得出此壓力傳感器所檢測(cè)到的壓力值。

例如：電流型4-20 mA 壓力傳感器，其測(cè)量范圍是0-100 kPa，則對(duì)應(yīng)百分比關(guān)系是：0 kPa→4 mA，25 kPa→8 mA，50 kPa→12 mA，75 kPa→16 mA，100 kPa→20 mA。

3.2 電壓型和電流型壓力傳感器對(duì)比

電壓型壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)： 精度比電流型高，0～10 V 相比0～5 V 也會(huì)更高， 但當(dāng)精度為0.5%FS 及為鑿巖鉆機(jī)配套用， 電流型完全滿足使用要求。 劣勢(shì)：抗干擾能力較弱，有壓降誤差，當(dāng)電壓不穩(wěn)定或有電機(jī)、 變頻器等干擾源時(shí)，極易造成數(shù)值波動(dòng)，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)會(huì)更明顯。

電流型壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)：電流型沒有壓降損失，基本不受線束長(zhǎng)度影響；抗干擾能力較強(qiáng)，有干擾源情況下通過屏蔽電纜線和接地基本可將干擾信號(hào)去除；價(jià)位更低，通用性更強(qiáng)。

3.3 壓力傳感器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

量程： 壓力傳感器的壓力適用范圍是分級(jí)的，其彈性膜承受流體壓力有一限度，壓力超過耐壓極限則彈性膜會(huì)破裂。每一傳感器都有20%-300%的過壓能力，通常情況下，選擇一個(gè)比測(cè)量最大值大1.5 倍左右的壓力量程范圍。 低壓力量程傳感器的靈敏度高，分辨率相對(duì)高。

精度： 壓力傳感器的精度受溫度影響較大，需區(qū)分靜態(tài)精度和全溫度范圍精度。 靜態(tài)精度，是指某一特定溫度下所達(dá)到的精度；全溫度范圍精度，是指?jìng)鞲衅髟谑褂脺囟确秶鷥?nèi)所達(dá)到的精度。

精度可分為4 檔：0.5%FS 為超高精度；1%FS 為高精度；2%FS 為普通精度；10%FS 為低精度。

總誤差范圍：包括非線性度，滿量程誤差，溫度誤差， 溫度遲滯以及大氣氣壓波動(dòng)引起的誤差。 要求傳感器達(dá)到高精度時(shí)，在制作過程中會(huì)增添諸多附加工藝和校準(zhǔn)補(bǔ)償技術(shù)，成本會(huì)大幅度增加[4]。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境和要求，采用合適的精度要求及相應(yīng)的溫度范圍。

壓力傳感器的線性度是指在工作范圍內(nèi)，其輸出的值與壓力值之間直線關(guān)系的最大偏離。線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。

3.4 壓力傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

以下實(shí)驗(yàn)抽取了5 個(gè)壓阻式，4-20 mA 模擬量輸出， 0-250 bar 量程的壓力傳感器樣品，對(duì)其進(jìn)行了溫度量程范圍內(nèi)和動(dòng)態(tài)壓力的實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 重點(diǎn)測(cè)試了不同溫度和動(dòng)態(tài)壓力下對(duì)應(yīng)的精度、非線性度以及最大誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、表3、表4 所示，其對(duì)應(yīng)的曲線如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線

圖7 非線性度測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線

圖8 最大誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線

表2 精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 非線性度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 最大誤差測(cè)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

以上測(cè)試結(jié)果反應(yīng)了5 只壓力傳感器樣品在溫度量程范圍內(nèi)及動(dòng)態(tài)壓力取值所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其精度、非線性度以及最大誤差均滿足鑿巖鉆機(jī)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)要求。

綜上所述， 傳感器以最經(jīng)濟(jì)的價(jià)位選到量程、精度、溫度范圍等技術(shù)參數(shù)滿足使用要求的傳感器，鑿巖鉆機(jī)用溫度傳感器、壓力傳感器對(duì)應(yīng)的選型如表5 所示。

表5 鑿巖鉆機(jī)傳感器對(duì)應(yīng)用途選型

4 總結(jié)

通過對(duì)溫度傳感器、 壓力傳感器的性能特性、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)的比對(duì)分析，結(jié)合鑿巖鉆機(jī)使用需求和行業(yè)適用性，對(duì)鑿巖鉆機(jī)配套的溫度壓力傳感器進(jìn)行選型，在滿足使用要求的情況下做到成本適中。 經(jīng)過使用驗(yàn)證，傳感器在鉆車上運(yùn)行正常、穩(wěn)定，滿足了鉆車上的使用要求。