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传感器在机械工程中的应用

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
传感器的作用就是将各种非电量按一定规律转接成电量输出的装置，以便于对其进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。实际上现在工程机械上使用的传感器也大都是这样的装置。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
传感器不仅应用在工业自动控制、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控制更易普及和发展，因此，在汽车、工程机械等设备上大量使用传感器技术，以提高这些设备的技术性能。
一、传感器分类
　　目前，在各个领域内使用的传感器很多，特别是某些专业范围内使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：① 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。② 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、气敏式、光敏式、力敏式等传感器。⑧按传感器结构和敏感元件所使用的材料进行分类，这样分类方法多用于某一专业的专用传感器的分类。
　　二、工程机械中使用的几种类型的传感器
　　20世纪80年代以后，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控制；第二是液压系统的控制；第三是工程机械整体性能的控制。
　　1、 传感器在工程机械发动机工况控制的应用
　　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控制技术，它的应用提高了工程机械整体技术水平。另外，新近生产的一些采用普通柴油机的工程机械也采用了一些传感器测控技术。工程机械在这方面使用的传感器有以下几种类型：控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；用于柴油机转速控制的转速传感器；用于测控燃油液面和机油液面的传感器和控制温度的温度传感器。
　　2、 传感器在工程机械液压系统控制中的应用
　　液压传动系统在现代工程机械的传动中占有十分重要的地位，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控制液压油温度的温度传感器；控制液压油压力的压力传感器；控制泄漏量和流量的流量传感器；控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控制中的应用
　　通常工程机械工作环境是比较恶劣的，为了提高其工作的安全性和工作性能，就需要对机械整体性能进行有效控制，在这方面应用的传感器主要有控制主要的工作机构和制动系统磨损检测传感器；控制整机通过性的限位平衡传感器；用于装载机械超载的控制超载压力传感器；用于控制摊铺机铺层厚度的距离传感器；用于拌和站物料温度控制的温度传感器；另外还有工程机械驾驶室工作间的温度、湿度、光照等条件控制的温度式、湿度式、光量式传感器等。
　　三、传感器在生活应用
　　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，也成为了汽车电子控制系统的关键部件。目前，一辆普通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控制系统、车身、底盘控制系统、导航控制系统等。
　　发动机控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控制单元提供发动机的工况信息，供发动机电脑对它进行精确控制，以使发动机的动力性能提高到最大、油耗降低、减少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别。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，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。
　　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； 受温度影响较大，需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能力，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、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、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，是一种较为理想的传感器。
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以
已经得到了广泛的应用。
　　3、流量传感器
　　流量传感器主要用于测量发动机空气流量。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃油条件、控制空燃比、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单，测量精度低，测量的空气流量需要进行温度补偿；卡门涡旋式空气流量计，反映灵敏，精度较高，也需要进行温度补偿；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。目前汽车使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100km／h时，一般测量方法误差较大，需采用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单、轻巧、便宜，且抗铅污染能力强的特点。
　　6、爆震传感器
　　爆震传感器用于检测发动机的震动，通过它调整点火提前角和避免发动机发生爆震。可以通过检测汽缸压力、发动机机体震动和燃烧噪声等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单，价格便宜。
　　底盘控制用传感器：
　　底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统、悬架控制系统、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。而且随着汽车电子控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控制系统提供信号，也可为底盘控制系统提供信号。
　　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迅速发展。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、 工程机械中应用传感器的发展趋势
　　进入20世纪80年代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造了极为有利的条件。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。在工程机械中使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
　　目前在工程机械中使用的传感器，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
　　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
　　工程机械使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控制的智能化传感器。如摊铺机为控制铺层厚度采用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，这样极大地方便了工程机械的使用。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使用的传感器，向专业化方向发展，这也是工程机械中使用传感器发展趋势。据对不同种类的工程机械使用传感器技术的统计，专业传感器占92%以上。