液压支架中压力传感器的设计.pdf

第 2 8卷第 4期 2 O O 7年 4月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e J V 0 1 ． 2 8N o． 4 A 0 r ．20 07 液压支架中压力传感器 的设计 李铁莲 。廉 自生 太原理工大学 ，太原 0 3 0 0 2 4 摘要 分析 了液压支架的压力特性和传感器的工作环境并提 出对传感器的技术要求。根据 压阻效应原理设计 了一压阻式压力传感器， 从零点温度漂移和灵敏度 温度漂移 2个方面详细论述 了传感器的温度补偿 问题。并对传感器做 了静态性能分析。 关键词 压阻效应 ；电桥 ；温度补偿 ；信号放 大 中图分类号 T D 3 5 5 ；T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 1 2 0 0 7 0 4 0 0 2 0 0 3 De s i g n o f Pr e s s u r e S e n s o r i n Hy d r a u l i c S u p p o r t s L I Ti efi a n。L I AN Zi s h e n g T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t P r e s s u r e c h a r a c t e r s o f h y d r a u l i c s u p p o r ts a n d wo r k c i r c u ms t a n c e o f S e l 1 ．_e r a r e a n a l y z e d． a n d t e c h n i q u e r e q u i r e me n t a l e s u g g e s t e d．B a s e d o n t h e p ri n c i p l e o f p i e z o r e s i s t a n c e e ffe c t ， pi e z o r e s i s t i v e p r e s s u r e S e l 1 ． _e r i s d e s i g n e d．Th e t e mp e r a t u r e c o mp e n s a t i o n i S e l a b o r a t e d i n d e t a i l i n z e r o d rift a n d s e n s i t i t y d r i f t a s p e c t s ．An d t h e s t a t i c p e r f o r ma n c e an a l y s i s t o t h e s e n s o r i s ma d e． Ke y wo r d s p i e z o r e s i s t a n c e e ff ect ；e l ect r i c b ri d g e ；t e mp e r a t u r e c o mp e n s a t i o n；s i g n a l e n l a r g e m e n t 0引言 随着采煤技术的发展， 液压支架的控制系统得 到了很大的发展， 控制系统 由原来 的手动操作逐渐 改进为电液 自动控制。每台支架在立柱下腔装有一 个压力传感器 ， 实时监测 立柱下腔 内液体压力的变 化 ， 来了解液压支架与顶板的相互作用情况 ， 判断支 架是否处于 良好的工作状态。 1 传感器的技术要求及选择 1 对传感器的主要技术要求 ①要求传感器的测量范围广 ， 在 0 6 0 M P a ， 由 于周期来压的影响 ， 应有较好的过压性能。 ②有较小的温度误差。 ③乳化液的扰动频率大， 要求传感器的弹性敏 ④传感器应有 良好的频率特性 ， 较快的响应 速 度 ， 以便准确地测出压力的变化状态 ， 实现对支架的 准确控制。 2 传感器类型的选择 现在液压系统中广为使用的压力传感器主要有 电阻式 、压阻式和压电式等形式。压阻式压力传感 器具有 灵敏度高、 准确度 高、 频率响应快 、结构简 单 、体积小和重量轻等优点 ， 能满足液压支架压力 特性 的要求 ， 而且还具有功耗低、 安全可靠 、 寿命长 和易于实现集成化的特点 ， 所以本压力传感器选用 压阻式 。 2 压 阻式压力传感器的设计 2． 1 压 阻式传感器的工作原理 感元件 的固有频率高。 压阻式传感器的工作原理是基于半导体材料的 ， e 、 、 理和配件供应 ， 前后部刮板机均选用 S G Z一6 3 0 ／ 2 6 4 刮板机。 4结语 1 新安煤 田三软不稳定煤层综放工作面走向 长度确定为 8 0 01 2 0 0 i n ， 工作 面斜长 8 0 1 2 0 i n ， 采高 2 ． 2 i n 。 2 对于不稳定煤层 ， 煤 变系数较大 ， 尽可能采 用综放 ， 不受采高条件制约。 3 四柱支撑掩护式 、 正四连杆机构 、 低位大插 板放顶煤支架抗扭 、 抗偏载能力强 ， 稳定性能好 ， 使 用可靠 ； 放煤 口低 ， 连续放煤效果好 ， 没有脊背损失 ， 采出率高， 煤尘少； 后部放煤空间大， 尾梁摆动角度 大 ， 有利于顶煤 冒落 ， 放煤 率高。 4 支架应尽可能缩小端面距 ， 合力作用点位置 尽可能靠近煤壁 ， 在采煤工艺上及时移架与擦顶移 架 ， 可 以有效控制煤壁片帮 、 冒顶。 5 3对新建矿井煤层赋存条件基本相 同， 选型 设备可以在 3对新建矿井通用 ， 便于调剂和配件供 应管理。 参考文献 [ 1 ] 闫少宏 ， 富强 ， 综放开采顶煤顶板活动规律 的研究与应用 [ M] ． 北 京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 3 ， [ 2 ] 王国法 ． 等 ． 液压支架技术 『 M] ， 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 9 ， 作者简介 赵志超 1 9 5 9一 ， 河南 义 马人 ， 工程师 ， 1 9 8 6年 毕业 于平顶 山职工大学 ， 现 于义煤集团公司生产技术部工作 ， 任 机械化科 科 长， 电话 0 3 9 85 8 9 8 3 8 9 ， 一 2 0一 收稿 日期 2 0 0 r 7 _ 0 1 ． 0 8 维普资讯 第2 8 卷第4 期 液压支架中压力传感器的设计李铁莲， 等 v o 1 ． 2 8 N o ．4 压阻效应。半导体材料受到压力作用后， 其电阻率 发生明显变化 ， 这种现象称为压阻效应。对于一条 形半导体硅 ， 其 电阻的相对变化量 AR I R4 0 I p 1 2 ,u ￡ 1 对于半导体材料 I pr e x， 代人式 1 得 A RI R 桕 1 2 ,u ￡ 2 由于 相 一般 比 12 大几十倍 甚至上百倍 ， 所 以半导体材料 电阻相对变化的主要因素是压阻效 应 ， 即 A R I Rr ex 3 式中 丌 半导体材料 的压阻系数 ； E 半导体材料的弹性模量 ； ￡ 应变。 2 ． 2压阻敏感元件及转换元件 利用单晶硅的压阻效应 ， 在硅膜片上， 用集成电 路工艺 中的扩散法或离子注人法 ， 形成 4个 阻值相 等的扩散电阻 力敏电阻 ， 经蒸镀铝电极及连线， 接 成惠斯通电桥 ， 再用压焊法 与外引线相连。硅膜片 的一侧是和被测系统相连的高压腔， 另一侧为低压 腔 ， 当硅膜片两边存在压力差而发生形变时， 膜片各 点产生应力 ， 从而使扩散 电阻的阻值变化 ， 电桥失去 平衡 ， 输出相应 的电压 ， 其电压大小反映了膜片所受 的压力差值。 本设计选用瑞 士 K e l l e r 公司的 s 8系列 O E M硅 压阻敏感元件， 在标准压力范围 6 0 M P a F S ， 以 4 m A供 电电流可得到 9 0 0 m V输出电压 。 2 ． 3 压阻式压力传感器的温度补偿 由于半导体硅的温度特性和封装引起的附加应 力等因素 ， 其性能受到温度影响。尽管在设计上， 在 保证压力灵敏度要求 的前提下 ， 采用高参杂浓 度以 降低电阻率随温度 的变化 ， 惠斯通电桥 的 4个 桥臂 电阻阻值尽可能均匀 ， 位置紧凑 ， 但也无法完全消除 温度影响 ， 需外加温度补偿 电路 。由于 O E M硅压力 传感器体积 小 ， 成本低廉 ， 因而其补偿 电路必 须简 单、 高效、 高精度。 硅压力传感器受温度影响主要表现在零点温度 漂 移和灵敏度温度漂移。零点温度漂移主要是 由于 扩散硅 电阻随温度变化引起的 ， 灵敏度漂移主要是 由于压阻系数 随温度 变化引起 的。O E M硅压力传 感器的温度补偿原理如图 1 所示。 Rc 图 1 O E M传感器温度补偿原理图 ， ． 传感器输入 电流 ． 输出电压 1 零点温度补偿原理 当零点温漂曲线是正漂， 即随温度升高， 单调上 升时， 由于扩散硅 电阻有正的温度系数 ， 即高温下的 扩散硅电阻值高 于低 温下 的电阻值 ， 所 以在 R 2 或 R 3 上并联一个 电阻 R 砣 或 R m ， 则其等效电阻 R 2 R 2 R砣 ， 尺 2 R 砣 4 等效温度系数 2 R 砣， 尺 2 尺 磁 2 5 式中 尺 的温度系数。 由式 5 可见 ， ，则 尺 或 R 随温度升 高， 其阻值上升率减小， 则随着温度升高， 桥路输出 上升幅度减小 ， 这样选择合适 的 尺 或 R 就能补 偿正温漂曲线， 尺 Q 或 尺 。 作为桥路平衡电阻， 使传 感器的零点输出为零。 当零点温漂 曲线是 负漂， 在 尺 或 R 。 上并联 一 个电阻 尺 或 R阱 ， 分析同上 ， 可 以补偿负温漂 曲线 ， 尺 或 尺饼 作 为桥路平衡 电阻， 使传 感器 的零 点输出为零 。 零点温度漂移小 的传感器 ， 并联 电阻 尺 i i 1 ， 2 ， 3 ， 4 阻值较大。一般 尺 取值范 围为 1 0 0 一 1 0 M Q， 典型值为 3 0 0 一1 ． 5 M Q。串联 电阻阻值 尺 c I 取值范 围一般为 03 0 0 Q， 典型值为 01 0 0 Q。 2 灵敏度温度补偿原理 当 O E M硅压力传感器灵敏度随温度正漂 ， 其补 偿是利用桥臂 电阻随温 度升高而升高 ， 而 尺 是基 本不随温度变化 的固定 电阻 ， 来改变传感器 的桥路 供电电流。即随温度升高传感器桥路电流减小， 在 高温时 ， 桥阻大， 电流小 ， 选择合适 的 R ， 灵敏度正 漂得到补偿 。灵敏度温漂小 的传感器 尺 较大 ， 灵 敏度损失较小。尺 一般为 1 03 0 0 ， 典型值为 1 5 1 0 0 k Q 。 2 ． 4信 号放 大 电路 传感器的输出信号要求是标准直流电信号， 便 于计算机采集。压阻敏感元件的满量程输出信号为 9 0 0 m V ， 且输出阻抗很高， 所以要求放大器有高输人 阻抗 ， 高共模抑制 比。本设计 选用美 国 A n a l o g D e v i c e s 公司 的 A D 5 2 2集成仪器放大器。放大原理 如 图 2所示。 图 2 仪器放大器原理 图 这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑 制比和开环增益。失调电流 、 电压 、 噪声 和漂移都很 一 21 维普资讯 墨 竺 ． 塞 主 壁墨 盐二二 _ 二 奎 莲， 笠 第2 8 卷第4 期 小。图中 ， A 组成第 1 级同相并联差动放大器 ， 这 一 级的放大输出为 l ／， 。 V o , 一 [ 1 R R ／ ] V i ； A 。 ， A 输 入端不 吸收电流 ， 并且 电路结构对 称 ， 漂移和失调相互抵消 ， 具有抑制共模干扰的能力。 ，构成第 2 级差动放大， 提高放大倍数。欲有效抑制 共模干扰信号， 须使电路中的 R R ， 民 ，则放大器总输出 V o 一 ／ R I 1 “ 。 一 ／ R [ 1 R R ， ] 。调节电位器 ， 可调节增益。 令 R I R 2 ， 则 V o 一 R f ／ R l 1 2 R I WJ 。 通过仪器放大器可使传感器输出标准直流电压信 号 0 4 ． 5 V ， 传入支架控制箱， 单片机采集到电压信号 通过标度变换可显示当前压力值并控制支架动作。 2 ． 5 传感器的本安电路设计 本安型防爆 电气设备及其关联设备是通过保护 电路将设备中电路能量限制在安全范围内， 从而使 设备达 到本安型防爆安全性能要求 。保护电路的性 能是否可靠 ， 将直接影响到设备的安全性能。为达 到限制能量 目的，保护电路常 由过流 或限流 保 护 、 过压保护 2 部分组成。用稳压管作过压保护 是 一 种常见 的过压保护形 式 ，它依 据稳压 管 的伏 一 安特性 图略 ，选稳压管的稳压参数为电路过压保 护动作参数 ，当电路 中电压超过所设定的过压保护 动作参数值时稳压管导通， 将电路电压限制在安全 参数范 围 内，对 电路 起到过 压保护作 用。当电路 中， 由于电流太大而达不到本安性能要求时 ， 可串接 电阻加以限流 ， 这种 电阻就 叫做限流电阻或 限流元 件 。限流元件可用于限制交 、 直流电源的短路 电流。 本传感器的保护 电路如图 3所示 ， 本 电路把传 感器的输 出电压稳定 在 5 V以内， 当硅被损坏或现 场压力或压差过大时 ， 自动限制电流在 5 0 m A左右 ， 符合 G B 3 8 3 6 ． 42 0 0 0标准的要求。 图 3保护 电路 3 传感器的静态性能分析 传感器在被测量值处于稳定状态时输出输入之 间的关系称为静态特性。传感器静态特性的主要指 标是 1 线性度在规定条件下 ， 传感器静态校准曲 线与拟合直线间的最大偏差 △y 一与满量程输 出值 之比的百分数称为传感器的线性度。即 x 1 0 0％ 本传感器 以过零 点的最佳直线计算线性 ， 线性 度为 0 ． 5 ％ 。 2 灵敏度传感器 的灵敏度是指对被测非电 量的敏感程度 ， 用 表示。灵敏度 定义为在稳定 状态下传感器的输出变化量 Ay与引起此变化的输 入变化量 A X之比， 即 K 本传感器的灵敏度为 0 ． 0 7 5 t tV ／ P a 。 3 迟滞在同一次校准 中， 用对应同一输入量 的正程 和逆程其输出值间的最大偏差 △ 日一与满量 程输出值 y 的百分比表示传感器的迟滞， 即 x 1 0 0％ 本传感器的迟滞为 0 ． 5 ％P S 。 4 漂移漂移是指在一定时间间隔内， 传感器 输 出存在着与被测输入量无关的不需要的变化。包 括零点漂移和灵敏度漂移 。其 中零点漂移是指输出 偏离零值 或原指示值 ， 即 零点漂移 t ． ．x l一 0 1 0 0 ％ J F s 式中△y 0 最大零点偏差或相应偏差 ； y 满量程输出。 本传感器零点漂移在 2 5 ℃时小于 2 0 m V。 5 温漂温漂表示 温度对传感器输 出的影响 程度。通常用温度每变化 1℃所引起输出最大偏差 △～与满量程的百分比来表示 。即 温漂 ， △ 1 0 0 ％ J F s 式 中 △卜温度变化范围。 传感 器 在 05 0℃ 范 围 内零 点 温漂 为 0 ． 1 m V ／ ℃， 灵敏度温漂为 0 ． 0 1 ％， ℃。 4结语 压力传感器 的设计符合工作环境对传感器 的技 术要求 。硅膜片有较高 的固有频率 ， 能满足乳化液 扰动频率大的特点 ， 耐用性高 。通过简单高效 的补 偿电路 ， 克服 了半导体硅温度误差大 的缺点。在 0 5 0℃的工作 温度范围实现了低 温漂 。在 6 0 MP a 的量程范围内能准确测出压力的变化 。此压力传感 器 比较适合液压支架压力的监测 。 参 考文献 [ 1 ] 蒋敦斌 ． 非 电量测 量与传感 器应用 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 O 0 5． [ 2 ] 彭春文 ， 朱红杰 ． O E M硅压力传感 器温度 补偿 技术研 究 [ J ] 、 传 感 器技术 ， 2 0 0 0 7 91 1 ． [ 3 ] 才滢 ， 毕鹏 、 压阻式压力传感器及其应用 电路设 计 [ J ] 、 测量 与维 修 ， 2 O O 2 ， 2 2 5 1 21 4 、 作者简 介李铁莲 1 9 7 4一 ， 女， 山西祁县人 ， 硕士 研究生 ， 机械 设计及 理论 专业 ， 机 电一体化研究方向 ， 电话 0 3 5 1 6 0 9 4 8 8 2 ． 一 2 2一 收稿 日期 2 0 O 6 _ l 2 - 2 2 维普资讯