海瑞克盾構機傳感器應用分析

摘要：文章詳細介紹了盾構機傳感器工作原理、功能組成，并結合在盾構機上傳感器的應用情況進行分析。

關鍵詞：傳感器；信號

中圖分類號：U455.3文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）20-0030-03

1盾構機上使用傳感器類型

為保證盾構機的正常工作，盾構機上使用了多種類型的傳感器，傳感器的類型分別如下：

①根據(jù)盾構機上傳感器輸出的信號分類，可分為四類：4～20 mA電流信號、PNP輸出信號、開關量輸出信號、BCD碼輸出信號。

②根據(jù)盾構機上傳感器類型分類，盾構機使用了如下類型傳感器：音叉式物位傳感器、平面膜壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、磁致伸縮傳感器、電感接近傳感器、霍爾接近傳感器、差壓傳感器；PT100鉑電阻溫度傳感器、溫度開關傳感器、半導體壓力開關傳感器、電磁流量傳感器、渦街流量傳感器、直線位移傳感器、旋轉編碼器、傾斜角傳感器。

2盾構機上使用傳感器工作原理及應用

2.1音叉式物位傳感器

在盾構機上主要用于工作原理根據(jù)物料對振動中的音叉有無阻力，探知料位是否到達或超過某高度，并發(fā)出通斷信號，這種原理不需要大幅度的機械運動，驅動功率小，不必校準，可快速低成本啟動。機械結構簡單，無機械運動部件，無維修、無磨損，運行壽命長，靈敏而可靠。

傳感器上的音叉以固有的頻率振動，當音叉觸及液體或其他物料時，其固有的振動頻率降低，能量消耗在物料顆粒間的摩擦上，迫使振幅急劇衰減而停振，頻率的變化激活液位開關，產生通斷信號。

2.2離散傳感器

在各類開關中，有一種對接近它物件有“感知”能力的元件——位移傳感器。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性達到控制開關通或斷的目的，這就是接近開關。

當有物體移向接近開關，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關才會動作。通常把這個距離叫“檢出距離”。不同的接近開關檢出距離也不同。

有時被檢測驗物體是按一定的時間間隔，一個接一個地移向接近開關，又一個一個地離開，這樣不斷地重復。不同的接近開關，對檢測對象的響應能力是不同的。這種響應特性被稱為“響應頻率”。

因為位移傳感器可以根據(jù)不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移傳感器對物體的“感知”方法也不同，所以盾構機上常見的接近開關有以下幾種：

①渦流式接近開關。這種開關有時也叫電感式接近開關。它是利用導電物體在接近這個能產生電磁場接近開關時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用到接近開關，使開關內部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無導電物體移近，進而控制開關的通或斷。這種接近開關所能檢測的物體必須是導電體。如盾構機上齒輪油系統(tǒng)檢測接近開關。

②霍爾接近開關。霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關，叫做霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關時，開關檢測面上的霍爾元件因產生霍爾效應而使開關內部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。如盾構機上刀盤轉速接近開關和螺旋機轉速接近開關。接近開關的信號輸出分為PNP和NPN類型，海瑞克一般采用PNP信號輸出。

2.3溫度傳感器

熱電阻及其測溫原理：在工業(yè)應用中，熱電偶一般適用于測量500℃以上的較高溫度。對于500℃以下的中、低溫度，熱電偶的輸出的熱電勢很小，這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高，否則難以實現(xiàn)精確測量；而且，在較低溫區(qū)域，冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。所以測量中、低溫度一般使用熱電阻溫度測量儀表較為合適。

熱電阻的測溫原理與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。金屬熱電阻一般適用于-200℃~500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在過程控制中的應用極其廣泛。

目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小；盾構機常用的是PT100熱電阻，主要用于測量油溫和水溫，信號輸出為4~20 mA電流信號。

2.4流量傳感器

測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計或流量表．流量計是工業(yè)測量中重要的儀表之一，隨著工業(yè)生產的發(fā)展，對流量測量的準確度和范圍的要求越來越高，流量測量技術日新月異．為了適應各種用途，各種類型的流量計相繼問世。目前已投入使用的流量計已超過100種。從不同的角度出發(fā)，流量計有不同的分類方法。常用的分類方法有兩種，一是按流量計采用的測量原理進行歸納分類：二是按流量計的結構原理進行分類。

2.4.1按測量原理分類

電學原理：用于此類原理的儀表有電磁式、差動電容式、電感式、應變電阻式等。聲學原理：利用聲學原理進行流量測量的有超聲波式．聲學式(沖擊波式)等。熱學原理：利用熱學原理測量流量的有熱量式、直接量熱式、間接量熱式等。光學原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是屬于此類原理的儀表。其它原理：有標記原理、相關原理等。

2.4.2按流量計結構原理分類

按當前流量計產品的實際情況，根據(jù)流量計的結構原理，盾構機上所用的流量計可歸納為以下幾種類型：

①電磁流量計。電磁流量計是應用導電體在磁場中運動產生感應電動勢，而感應電動勢又和流量大小成正比，通過測電動勢來反映管道流量的原理而制成的。其測量精度和靈敏度都較高。工業(yè)上多用以測量水、礦漿等介質的流量。可測最大管徑達2 m，而且壓損極小。但導電率低的介質，如氣體、蒸汽等則不能應用。電磁流量計造價較高，且信號易受外磁場干擾，影響了在工業(yè)管流測量中的廣泛應用。為此，產品在不斷改進更新，向微機化發(fā)展。盾構機上測量液體用電磁流量計。

②超聲波流量計。超聲波流量計是基于超聲波在流動介質中傳播的速度等于被測介質的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設計的。它也是由測流速來反映流量大小的。超聲波流量計雖然在20世紀70年代才出現(xiàn)，但由于它可以制成非接觸型式，并可與超聲波水位計聯(lián)動進行開口流量測量，對流體又不產生擾動和阻力，所以很受歡迎，是一種很有發(fā)展前途的流量計。盾構機上測量氣體用超聲波流量計。

2.5壓力傳感器

壓力傳感器是盾構機液壓系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和發(fā)泡劑系統(tǒng)、注脂系統(tǒng)中使用最為常用的一種傳感器，壓力傳感器有如下類型，應變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、藍寶石壓力傳感器。下面就簡單介紹盾構機上常用傳感器原理及其應用。

力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時，首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。

我們以金屬絲應變電阻為例，如圖1所示，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情。傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的失衡信號轉換為統(tǒng)一的電信號輸出（0～5，4～20 mA或0~5 V）。盾構機上使用的注漿壓力傳感器和油壓傳感器采用上述原理制造。

2.6磁致伸縮料位傳感器

磁致伸縮料位傳感器（見圖2）包含了一個或多個浮標，每一個中都有一個永久磁體，通常是環(huán)形的。

其它元件分別是波導管、應力波采擷器、接口節(jié)氣閥和電子模塊。單個磁致伸縮料位傳感器就可測量產品料位、接口料位和溫度。磁致伸縮料位傳感器具有某些鐵磁材料的特性，放置在磁場中時可膨脹或縮短（見圖2）。

在磁致伸縮料位傳感器中，通過兩個磁場的瞬間交感作用，脈沖在波導管中產生。其中一個磁場來自參照磁體而另一個來自與波導一起產生的脈沖電流。交互作用產生的應力脈沖沿波導運行并且在傳感器頭部被測量，磁體的位置是通過測量電子脈沖的產生和應力脈沖的時間而確定的。

盾構機的行程測量采用的是磁致伸縮料位傳感器，信號輸送給MK292模塊轉換成BCD碼信號傳送給PLC數(shù)字量模塊。

BCD碼的工作原理如下。BCD碼，稱BCD碼或二-十進制代碼，亦稱二進碼十進數(shù)。是一種二進制的數(shù)字編碼形式，用二進制編碼的十進制代碼。這種編碼形式利用了四個位元來儲存一個十進制的數(shù)碼，使二進制和十進制之間的轉換得以快捷的進行。此外，對于其他需要高精確度的計算，BCD編碼亦很常用。

2.7旋轉編碼器

編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器。旋轉編碼器用于盾構機管片安裝器的旋轉角度測量，信號采集使用了PROFIBUS總線技術，直接和PLC相連。海瑞克盾構機采用了德國TWK公司的CRD系列CRD65-4096R4096C2Z01編碼器和通訊模塊ZD-P3L4-

01。

3結語

盾構機上傳感器根據(jù)要求應用于各種環(huán)境。在盾構機的維修中，作為維修人員，了解盾構機上使用的各種傳感器的工作原理，功能特點非常重要。盾構機上的傳感器由于工作環(huán)境較差，經常會出現(xiàn)故障，導致盾構機不能工作。了解的各種傳感器的工作原理，能對于出現(xiàn)的故障采取相對應的有效措施，保障機器的正常運行，也體現(xiàn)了維修人員的技術水平。

參考文獻：

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