康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机组机油压力传感器的工作原理及特性分类

 

摘要：柴油发电机组的油压传感器是根据机油压力传感器与机油压力表和报警灯连接起来，具有机油压力指示和在机油压力过低时报警的功能。发动机的机油压力稳定是保证其正常运行的重要基础，机油的压力下降就会导致发动机的运行异常，导致超标磨损，引发事故，所以需要传感器对其压力进行监控。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着电子技术的发展，电子油压传感器已经成为了主流的机油压力检测装置，并且起到了较好的应用效果。

 

一、油压传感器工作原理

 

      机油压力传感器广泛应用于各种品牌柴油发电机组，其作用是实时检测柴油机的机油压力，以保证柴油机正常工作。一旦机油压力过低，柴油机就会因为缺少机油润滑而造成强烈的摩擦，这样就会导致柴油机严重磨损以及发热，进而可能会损坏柴油机，对发电机组整体的运转造成很大的影响。由此可见，机油压力是柴油机的一个重要参数。所以，需要在柴油机上安装油压测量装置，以检测柴油机的机油压力信号。如果机油压力低于一定值，油压测量装置就会就会发出报警信号，安装在仪表盘内的报警灯就会被点亮，从而提醒操作人员注意检查柴油机的机油情况。

      传统的机械式机油压力传感器的设计原理是利用金属膜片受压变形，通过一套较为复杂的机械装置推动滑片在一个小型的滑线变阻器上来回滑动，使滑线变阻器的阻值发生变化，来改变压力表线圈中的电流，以检测压力。然而其结构存在很大的缺陷：变阻器的滑线部分的耐磨性较差；压力报警部分采用滑动接触形式，瞬时冲击电流很大，频繁通断电时易产生电弧而烧坏报警触点。由此可看出，机械式机油压力传感器寿命较短，因此在对机械式机油压力传感器存在问题加以分析解决的基础之上，提出了一种新型结构和原理的电子式机油压力传感器。

      机油压力传感器安装在柴油机的主油道上，当柴油机运行时，压力测量装置检测机油的压力，将压力信号转变为电信号送至信号处理电路，经过放大电路进行放大，然后通过信号线将放大后的压力信号连接至机油压力表，从而显示出柴油机当前的机油压力。与此同时，经过放大电路放大的压力信号与报警电路中设定的报警电压进行比较，当低于报警电压时，报警电路则输出报警信号，并通过报警线点亮报警灯。电子式机油压力传感器的接线方式与传统的机械式压力传感器完全一致，不仅能代替机械式压力传感器，同时还可以直接与发电机组机油压力表和低压报警灯连接，准确的显示柴油机的机油压力和提供低压报警信号。与传统的机械式机油压力传感器相比，电子式发电机组机油压力传感器具有结构简单、精度高、稳定性好、耐高温、易于批量生产等优点，并且符合发电机组电子化发展的需求。

      电子式机油压力传感器由压阻式压力传感器芯片、信号处理电路、外壳、固定电路板装置以及2根导线（信号线和报警线）等组成，结构如图1所示。信号处理电路包括电源电路、滤波稳压电路，信号放大电路、报警电路及仪表电路等，其中信号放大电路如图2所示。压力传感器芯片在机油压力的作用下，其内部惠斯通电桥的4个电阻阻值发生变化，其中2个电阻阻值受压变小，2个电阻阻值受压变大，信号由放大电路发大后，在ADu端输出一系列的电压值，然后再转化为压力信号。

 

图1  柴油机电子式机油压力传感器结构

图2  油压传感器信号放大图

 

二、油压传感器的类别

 

      机油压力传感器是对柴油发电机组的机油压力进行检测的重要装置，检测的数据可以帮助控制发动机的正常运转。因为机油的压力过低就会导致发动机的摩擦加剧，增加磨损的程度并伴有发热，从而造成零件的损伤。可见，机油压力是一个重要的发动机参数，需要在柴油阿电解质运行中对其进行检测并形成数据传递给信息系统，一旦过低则会触发报警。这里传感器就成为和数据采集的重要装置。目前电子式的油压传感器已经得到了广泛的应用，具体可以分为以下几种。

1、电位器式压力传感器  

      结构如图3所示。柴油机都是靠润滑油润滑的，一旦润滑油压力过低，就会因缺油发生干摩擦，造成剧烈的磨损和发热，从而损坏柴油机。因此柴油机上均安装有油压测量装置，以监测润滑油压力，目前康明斯柴油机多采用电位器式压力传感器测量油压。该传感器由一个波纹膜片和一个滑线电位器组成。在柴油机油压发生变化时，波纹膜片产生位移，带动电位器上的触点滑动，从而改变电阻值。单线制下该传感器带一个接线端，其中的电位器通过一根导线与柴油机控制单元或油压指示表连接，另一极则搭铁。当与油压指示表连接时，若电位器阻值改变，油压指示表内部线圈通过的电流发生变化，从而带动指针偏转，指出润滑油压力值。油压增高时，传感器可变阻值下降，输出电流增大，油压降低时，情况正好相反。

      当与控制单元连接时，传感器电位器与ECU内部上拉电阻分压后，产生一个随电位器阻值变化而变化的电压，柴油机ECU根据这一电压的变化测得柴油机润滑油压力。这种油压测量装置中的滑线电位器具有机械触点，并且该触点要通过最大达100mA的电流，而柴油机存在较大的振动，使得该传感器的机械、电气寿命受到一定影响。

2、开关式压力传感器

     结构如图4所示。润滑油油压开关也用于检测柴油机油压，它由膜片、触点和弹簧组成。工作过程中，当油压开关的膜片没有压力作用时，触点在弹簧力的作用下闭合；当有压力作用于膜片时，弹簧被压缩，触点张开。

      开关式压力传感器一般与油压指示灯相连，开关式机油压力指示器的工作原理图。当柴油机没有润滑油油压时、膜片本受压力作用，油压开关的触点闭合，油压指示灯亮；当柴油机油压正常时，膜片受到压力作用、压缩弹簧，使触点张开，油压指示灯熄灭。也有的机油压力传感器将电位器式和开关式结构结合在一起，若负极搭铁，其接线柱有两个，其中一个输出电位器阻值变化信号，另一个输出开关信号。

3、陶瓷压阻传感器

      这种传感器是由陶瓷材料经过特殊工艺制成的干式陶瓷压力传感器。陶瓷是一种高弹性、耐腐蚀、耐磨损、抗振动的优质材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势。

4、半导体压阻传感器

      此种传感器所利用的是半导体的压阻效应。普通的半导体材料应变要优于金属材料的应变灵敏系数。利用单晶硅的压阻效应在单晶硅的基础上利用半导体工艺制成的元件，当半导体受到压力作用的时候，其电阻会发生变化，从而形成压力变化的信号输出。目前，普遍采用的压阻传感器都是4个等值应变元件来形成一个电桥，当压力作用变化的时候，分为两对产生变化效果，一对变大一对变小，导致电桥出现失衡，输入一个与压力成正比的电压信号。其最大的特点就是灵敏度高、测量范围大、输出信号强，容易实现集成。但是其抗油污和微粒影响的能力较差，必须利用介质对其进行隔离，才能达到准确的效果。

      随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。

图3  电位器式压力传感器示意图

图4  开关式压力传感器结构图

 

三、油压传感器的特点

 

1、数据的测量与分析

      压阻式压力传感器芯片的各个桥臂阻值与气压的关系曲线如图5所示，关系曲线表示的是在气压为0.08~1.10 MPa范围内桥臂电阻的变化趋势。由图5可看出电阻R₁、R₃的阻值随气压的升高而减小，电阻R₂、R₄随气压的升高而增大，并且各个阻值与气压基本呈线性关系。当外加恒流源时，阻值的变化就转化为电压信号的输出。

      将压力传感器芯片放在恒温箱内并固定，然后在-40~120℃范围内调节恒温箱的温度，测其桥臂电阻值便得到桥臂阻值与温度的关系，关系曲线如图7所示。由图7可知，桥臂电阻R₁、R₂、R₃、R₄的阻值在负温度时随温度的升高而减小，在正温度时随温度的升高而增大，在正温和负温时电阻的阻值和温度也基本成线性关系。

2、压力传感器的零点补偿

      理想的情况下，组成惠斯通电桥的4个电阻的阻值应该是相等的，因而在电桥处于平衡状态时，电桥的输出电压应该为0。但在制作压阻式传感器的过程中，由于被连接成惠斯通电桥的4个电阻的阻值不可能制作得完全相等，所以当压力为0时，电桥的输出不为0，所以要对传感器进行零点补偿，具体步骤如下：

      将万用表的红笔端接压力传感器芯片的2脚，黑笔端接5脚，将电路板上电测量压力传感器芯片2、5脚间的电压。如果测得的电压值为正，则需要在惠斯通电桥4个电阻的R₂上并接1个电阻，若电压值为负，则需要在R₃上并接1个电阻。并接电阻阻值的算法大致如下：如并接1个200 kΩ的电阻，则会使原电阻与并接电阻的总电阻大约减小120Ω；并接1个500kΩ的电阻，则会使总电阻减小50Ω；并接1个1 MΩ的电阻，则会使总电阻减小25Ω；并接1个10 MΩ的电阻，则会使总电阻减小2.5 MΩ。因此可以根据所测的2、5脚间的电压值选择合适的电阻。

      测量本文采用的压力传感器芯片的2、5脚间的电压值为-25.5mV，故可知5端电压比2端电压高，所以应在电阻R₃上并接1个电阻，根据以上原理可得并接的电阻大约为200 kΩ。并接电阻之后，再次测量2、5脚间的电压值，其值为0.03 mV，基本接近于0，所以就实现了零点补偿。

3、压力传感器的温度补偿

      零点补偿后，测量AD_out端的输出电压值。在气压和温度都变化的情况下，AD_out端输出的电压值虽然线性关系较好，但是随着温度的升高曲线的斜率逐渐增大，也就是说，输出的电压值在温度变化的情况下还不稳定，电压值与所要求的值还存在误差，这势必影响到整个压力传感器的性能。所以，必须要对压力传感器进行温度补偿。

      零点输出漂移随温度的变化而发生漂移，即产生零点温度漂移。零点温度漂移的产生是由于电阻的阻值随温度变化引起的，故要对压力传感器进行温度补偿。具体做法如下：

      由惠斯登电桥原理可知，零位压力传感器芯片输出电压为

 

V_out=U｛（R₃R₄-R₁R₂）/ [（R₁+R₃）（R₂+R₄）]｝.............（公式1）

      则常温下应使R₃R₄-R₁R₂=0，得零位输出为0。当外界温度为T时，电桥零位输出变为

 

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，则温度为正；若R_3TR_4T-R_1TR_2T<0，则温度为负。故调节零位漂移的关键是改变R_3TR_4T或R_1TR_2T的大小。本设计采用的方法是在R₂上并联电阻R_m，则调节R_m阻值大小，可达到调节零位输出的目的。R_m的阻值可由式（3）求得。

      由电桥原理，输出电压为

 V_out=｛（R₃ /（R₁+R₃）} -｛（R₂ /（R₂+R₄）} .............（公式3）

      其中R₂=R₂R_m /（R₂+R_m），且 V_out=0，根据式（3）可得：

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

       温度补偿后，AD_out端输出电压值与温度、气压的关系，经过温度补偿后，压力传感器在压力0~1.0 MPa的范围内，AD_out信号输出端输出的电压值均稳定在0.45~4.5 V范围内并且成良好的线性关系，同时在温度0~80℃范围内性能稳定，满足了设计要求。

 

图5  油压传感器信号桥臂阻值与气压关系图

图6  油压传感器信号桥臂阻值与温度关系图

 

总结：

      机油压力传感器的工作原理虽然简单，但它在保证柴油发电机组安全性和可靠性方面扮演着重要的角色。一旦机油压力传感器出现故障，自我诊断系统将无法准确判断机油的压力情况，从而导致柴油机失灵，甚至出现严重事故。由于柴油发电机的工作环境十分恶劣，对传感器的要求十分严格，在电子式柴油发电机机油力传感器的设计中，不仅需要选择耐高温、耐腐蚀、精度高的压力测量装置， 选用性能可靠、工作温度范围宽的元器件，而且在电路中还需要采取抗干扰措施，以提高传感器的可靠性。因此，我们需要时刻保持机油压力传感器的正常运转，定期进行维护和更换。

 

----------------
以上信息来源于互联网行业新闻，特此声明！
若有违反相关法律或者侵犯版权，请通知我们！
温馨提示：未经我方许可，请勿随意转载信息！
如果希望了解更多有关柴油发电机组技术数据与产品资料，请电话联系销售宣传部门或访问我们官网：https://www.11fdj.com