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汽车温度传感器

一、温度测量及温度传感器概述

温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量。温度概念的建立是以热平衡为基础的。两个物体处于同一热平衡状态时就说这两各物体的温度相等。在科学研究,生产实践和日常生活中,大量存在着温度的测量问题。温度传感器的分类可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡,这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高,并可测量物体内部的温度分布。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可测量温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。接触式测温方法是以热平衡理论为依据,也是应用最为广泛的测温方法,根据测温原理可分为热膨胀测温即利用液体、气体或固体热胀冷缩的性质测量温度,热电偶测温即利用热电偶的热电效应来测量温度,热电阻测温即基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质测量温度。非接触测温法是以物体的热辐射原理为依据的,因此又称为热辐射测温法。一般有光谱辐射测温,比色测温,红外测温,红外成像测温等等。

温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查,1990年,温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始,人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的,这就是后来的热电偶传感器。五十年以后,另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下,本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU),并且可通过软件来实现测试功能,其智能化取决于软件的开发水平

二、温度测量及温度传感器在汽车上的应用

温度传感器在汽车上应用较多,主要是检测汽车轴承温度情况,机车油水温度情况,并显示油水及轴承温度情况给汽车司机,汽车司机根据显示情况判断机车是否正常运行,是否有故障需要处理。下面介绍温度传感器在汽车上的具体应用:

1、油水温度传感器的应用

DF4B内燃机车上采用DY-603T型电测温度表,用于测量柴油机冷却水和机油的温度,该型电测温度表原理电路为一个不平衡电桥,电桥的电源由硅稳压管二次加压。在此电桥中,三个桥臂阻值是恒定的,R1与被测原件窜在一起,组成随温度变化的第四个桥臂。当指针在0℃时,电桥处于平衡状态。两点电位差为0,当被测原件温度升高时,该元件的阻值增大,电桥平衡被破坏,表头内有电流流过,使指针偏转。温度上升越高,热电阻阻值越大,表头内通过的电流就越大,指针指示的温度就越高。在此线路中,表头采用磁电式仪表结构,具有均匀的刻度。测温元件到表头的联接导线必须是截面积和长度相同的导线,否则会影响到测量精度。另外,表头与传感器须按编号配套使用。测温元件采用WZB型铂热电阻的感温元件。它是由直径为0.03~0.07mm的纯铂丝绕在云母片制成的片形支架上,云母片的边缘上有锯齿缺口以定位。该绕组的两面盖以云母绝缘。为了改善热传导和机械紧固作用,又在其两侧面用金属薄片制成的花瓣形夹持件与它铆在一起。铂丝出线端焊有银丝引出线,并穿以瓷套管以保证绝缘良好。

通过测量柴油机冷却水温度,水温超过88℃时,水温继电器WJ动作,通过中间继电器2ZJ,切断牵引发电机励磁接触器LC的线圈供电电路,同步牵引发电机因无励磁而停止发电,是柴油机卸载,从而防止柴油机冷却水温度过高。它的作用原理为,执行机构为触头,而测量机构(即继电器的传感装置)主要由温包、波纹管、推杆、拉伸弹簧和有关的杠杆组成。杠杆可绕刀支架转动,它的一端与拉伸弹簧固接,另一端由推杆支撑。在杠杆上部的拨臂上安装着动触头弹片。插在柴油机冷却水管里的温包中封有容易蒸发的感温液体(丙酮)。当柴油机冷却水温升高时,感温液体通过金属(紫铜)毛细管,进入波纹管室内,使波纹管受到压缩,推杆向上移动,顶动杠杆。杠杆就可以克服弹簧的拉力,绕刀支架逆时针转动。推动动触头弹片开始变形,此后弹簧发生突变,迅速接通常开触头,因而接通中间继电器2ZJ线圈供电电路,2ZJ的常闭触头切断励磁接触器LC线圈的供电电路,使柴油机卸载。水温继电器动作温度可以调节,可以通过旋动调节杆,改变拉升弹簧的拉升程度来进行,这种拉升程度可以在温度标尺上由指针表示出来。

电力机车一般采用信号温度计测量主变压器的油温。信号温度计由测温筒(温包)、金属毛细管、液压弹簧、刻度盘、指针及接触系统组成。当测温筒的温度升高时,它内部的液体汽化后体积膨胀,沿着金属毛细管传到测压弹簧,使其变形。弹簧的变形通过传动机构改变指针的偏转角度,从而指示变压器油的温度。信号温度计还具有电接点,在温度超过允许限度时,可发出信号,使信号灯显示或通过蜂鸣器发出音响。

2、汽车轴承温度传感器的应用

机车轴承温度传感器主要用于机车轴承温度监测报警装置,该装置主要用于通过监测机车行走部位故障前兆期急剧的温升,该装置及时发出声光报警信呈以提醒司机采取相应措施,预防事故发生。该装置能记录各监测部位的温升变化和故障情况,并可将数据转存到大容量IC卡上,为地面检修和技术分析提供实时数据资料。

⑴ 装置基本原理

整套系统由以下几个部分组成:主机(位于司机室I端)、副机(司机室II端)、转接盒(安装在转向架上)、数字式温度传感器探头、网络屏蔽电缆线。 

数字式温度传感器探头安装在指定的测温部位,通过三芯屏蔽电缆线和接线盒与主机相连,将所测部位的测度信息发送到主机进行数据处理。当某一测温部位温度高于环境温度55℃时,装置点亮面板上6×6点阵,报警位指示灯中的对应位发出报警声;当测温部位温度至90℃时,装置上数码管显示报警并显示其温度值。其基本功能有:自动搜索监测传感器、读取传感器温度、显示、报警。副机发送数据、记录温度变化信息、、故障信息、开关机信息、时间调整信息、报警记录查询、IC卡转存、传感器编码。

⑵ 装置技术参数

电源电压:DC72V~144V

环境温度:-40℃~40℃

相对湿度:95%  (该月平均气温不低于25℃)

系统测温精度:±20℃

功能:≤5W

显示分秒:0.5℃

测温距离:≤700m

循环检测周期:≤2秒

报警温度:温升55K   定点90℃

开关显示周期:1.5秒(轮巡方式下)

报警方式:声音报警并伴有报警轴位指示灯指示

⑶ 装置结构

  面板布置:

数码管左侧四位显示轴位,右侧四位显示温度。

报警点显示:报警点显示区为6×6点发光二极管点阵,当某一轴承温度超出范围,相应指示灯亮,该轴位显示闪烁。

测温点编码规则:

A表示第一轴传感器位置B表示第几轴

A:取值范围  1、2、3、4、5、6

B:取值范围  1、2、3、4、5、6

另10、20分别表示每个环境温度传感器

B定义:1表示左轴箱轴承     2表示左电机轴承

         3表示左滚动抱轴承   4表示右滚动抱轴承

         5左电机轴承         6右轴箱轴承

“复位”、“方式”、“移位”、“调整”为功能键。

IC插口:用于当主机内存储的温度信息及故障信息转存到IC卡上进行地面分析和处理,前面板上的五芯插座,用来对传感器进行编码。

插座型号:Q24J5AP

          1—地线,2—位置,3—电源,4—屏蔽,5—显示

⑷ 装置的操作

系统主机具有操作、显示、报警、记录、转储功能。副机具有操作、显示、报警功能。上电自检。系统在上电或按“复位”键时进行自检,进入自检状态。LED数码管、发光二极管、蜂鸣器自检。数码管显示“8 8 8 8 8 8”6排发光二极管全亮,蜂鸣器长鸣一声。

系统时钟自检:第一屏显示“年 月 日”第二屏显示“时 分 秒”在这两屏显示中,如有日期、时间不正确,可按“调整”键,具体操作见时钟调整。

温度传感器搜索与定位自检:自动搜索传感器,前两位为显示编码信息,编码正确时前两位为轴位置即11—66或10、20后四位显示“Find”并闪烁,编码不正确时显示“P-ERR”并闪烁,如列传感器则显示“NO--P”。

传感器搜索完毕后,显示检测到传感器的数量,即“××Com”后,四位闪烁时间与秒钟。如有编码不正确的传感器,显示其不正确的数量,即“××NO”,后四位闪烁,如编码正确则跳过此步。如系统有重码的传感器,则显示其重码轴位和重码的数量,无重码则跳过。                                               

内存自检,如自检错误则显示“E—P38E”,并点亮一些发光二极管,如自检无错误则跳过此步。温度传感器的自检,对传感器扫描检测,6排发光二极管依次点亮后,如果传感器正常,则对应发光二极管亮。自检完毕后,系统进入温度巡检。

温度巡检是主机以一定的扫描频率顺序对各轴承的温度进行检测,并通过数寿终正寝管显示出来,数码管左边二位显示被检测的轴承位置,10、20表示二个环温,右边四位显示的数码管表示被检测到轴承的温度值。

当温度传感器或连线出现开路故障时,主副机上数码管左侧显示位置,右侧显示“....”当温度传感器及连接出现故障时,主副机上数码管左侧显示位置,右侧显示“--”当温度传感器有重码时右侧显示“---”

⑸ 装置功能键的使用

时钟调整,在自检状态下,当数码管显示年、月、日时按“调整”键进入对当前年、月、日的修改,按“移位”键改变数码管的位置,按“调整”键进行数值修改,修改完毕,按“转存”键确认并返回时间修改状态。当数码管显示当前的时、分、秒时,按“调整”键进入对当前时间的修改,按“移位”键改变要修改的位置,按“调整”键进行修改,修改完毕按“转存”键确认并返回正常显示状态。

定点与循环检测的转换,主、副机在自动巡检状态下,按下“方式”键,数码管显示所有测温点中最高温度值及位置,按“移位”键数码管依次显示下一测温点位置、温度值,再按下“方式”键,返回自动巡检状态。

传感器编码,当需要更换温度传感器时,将传感器插头与主机面板右上角插座相连后,按“方式”键,数码管显示“00 READ”,用“移位”键来设置该传感器要安装的位置(11-66  10、20),按“转存”键确认,数码管前一位显示此编码的传感器当时测到的温度值后四位,显示“PASS”表示编码完成,并返回自动巡检状态。

数据转储与车号输入,主机内具有非易失的存储器,能记录以下数据,记录装置起始工作时间、轴位、环境温度、各轴承的初始温度及各传感器的状态。某一轴承温度变化2℃时自动记录一次,同时记录发生时间、位置。系统硬件故障、发生时间、部位。

所有数据并通过IC卡进行转存,转存及车号操作如下:将IC卡插入主机IC插口,数码管显示“IC”按“转存”键,数码管显示“ICCOPY”表示在进行数据转储,转储完毕,数码管显示“ICPASS”再次按“转存”键 ,数码管显示“CH”,表示进入车号输入状态,按“转存”键确认并记录,拔出IC卡,主机返回温度巡检状态。

三、汽车用温度传感器的发展趋势

温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:

(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件),主要是能够进行非电量和电量之间转换。传统的分立式温度传感器——热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精度;测量范围广,可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬,最低可测到-269℃,钨——铼最高可达2800℃。

(2)模拟集成温度传感器/控制器。模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此又称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。

(3)智能温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。


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