淺談傳感器的原理及在吊斗鏟的應(yīng)用

王 凱

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

吊斗鏟是迄今為止建造的最大單斗挖掘機(jī)。邁步式吊斗鏟是世界上許多露天礦場(chǎng)使用的最主要挖掘工具。這些高效設(shè)備可全天候不間斷地工作，8750-65吊斗鏟容積為90m3。吊斗鏟每噸（或每公噸）材料挖掘成本極低、平均使用壽命長(zhǎng)達(dá)40年，是行業(yè)內(nèi)效率最高的通用型設(shè)備。拋擲爆破加吊斗鏟工藝是露天煤礦開(kāi)采中一種科學(xué)含量大、技術(shù)程度高、經(jīng)濟(jì)性明顯的采掘工藝，適宜在大型特大型礦山開(kāi)采中使用，目前僅在世界上少數(shù)幾個(gè)國(guó)家推廣。本世紀(jì)初，神華準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦引進(jìn)全球首次推出無(wú)齒輪傳動(dòng)工藝的新產(chǎn)品8750-65型吊斗鏟[1]。

8750-65吊斗鏟用于礦巖倒堆，其工作條件非常惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)大的沖擊載荷，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，吊斗鏟對(duì)電氣傳動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)就有較高的要求，而傳感器是吊斗鏟電氣系統(tǒng)中重要的保護(hù)無(wú)件。

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體慢慢變得活了起來(lái)。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

1 傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成，如圖1所示。

圖1 傳感器組成框圖

敏感元件直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的某一物理量信號(hào)的元件；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；變換電路負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制；轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。

有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒(méi)有轉(zhuǎn)換電路。也有些傳感器的轉(zhuǎn)換元件不止一個(gè)，要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換。

2 傳感器的分類

目前，傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。由此可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用是十分明顯的。相信不久的將來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。

傳感器種類繁多、功能各異。由于同一被測(cè)量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測(cè)，利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計(jì)制作出檢測(cè)不同被測(cè)量的傳感器，而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類方法。但常用的分類方法有兩種，一種是按被測(cè)物理量來(lái)分；另一種是按傳感器的工作原理來(lái)分。吊斗鏟中使用的傳感器主要有溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、氣隙傳感器、速度傳感器、角度傳感器。

3 傳感器在吊斗鏟的工作原理及應(yīng)用

（1）溫度傳感器，是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。吊斗鏟溫度傳感器采用了PT100熱電阻型傳感器，主要用于測(cè)量繞組溫度、水溫、油溫、及空氣溫度，傳感器的接線方式采用了二線制、三線制、四線制，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)進(jìn)行分析控制。

測(cè)量繞組溫度主要用于電機(jī)繞組及軸承和變壓器繞組，設(shè)定范圍值是-200～150，這類傳感器嵌入繞組中，終身免維護(hù)且不可更換。水溫、油溫、及空氣溫度是插入式結(jié)構(gòu)，水溫傳感器用于冷卻泵站、IGBT水冷循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)定范圍值是-30～60，空氣溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)提升、回拉電機(jī)進(jìn)出品溫度，設(shè)定范圍值是-30～50，油溫傳感器用于變壓器油溫、液壓泵站油溫、回轉(zhuǎn)減速箱油溫、設(shè)定范圍值是-200～90，其中回轉(zhuǎn)減速箱溫度是操作人員在運(yùn)行中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位，監(jiān)測(cè)結(jié)果與WinCC結(jié)果是否一致，一旦出現(xiàn)異常，及時(shí)停止運(yùn)行。

（2）液位傳感器，是一種測(cè)量液位的傳感器。吊斗鏟主要應(yīng)用了浮球式液位傳感器和靜壓式液位傳感器。①浮球式液位變送器由磁性浮球、測(cè)量導(dǎo)管、信號(hào)單元、電子單元、接線盒及安裝件組成，一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測(cè)量導(dǎo)管上下移動(dòng)，導(dǎo)管內(nèi)裝有測(cè)量元件，它可以在外磁作用下將被測(cè)液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號(hào)，并將電子單元轉(zhuǎn)換成4mA～20mA或其它標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。吊斗鏟變壓器油位傳感器及回轉(zhuǎn)減速箱油位傳感器采用了此類型傳感器，此類傳感器安裝到液體容器的頂部。②靜壓式液位傳感器。該變送器利用液體靜壓力的測(cè)量原理工作，它一般選用硅壓力測(cè)壓傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)償，最后以4mA～20mA或0mA～10mA電流方式輸出。吊斗鏟水冷系統(tǒng)及液壓泵站采用了這類型傳感器，此類型傳感器安裝到液體容器的底部。

（3）壓力傳感器，是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)的器件或裝置。吊斗鏟壓力傳感器主要用于測(cè)量氣壓、水壓及油壓，控制各類泵的運(yùn)行及停止。

水壓傳感器用于液壓泵站，液壓泵站冷卻泵啟動(dòng)后監(jiān)測(cè)泵前壓力和泵后壓力，泵前壓力是0PSI～10PSI，泵后壓力是60PSI～70PSI，如果壓力超出此范圍，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)立即停機(jī)。

油壓傳感器主要用潤(rùn)滑系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)是由PLC程序或手動(dòng)控制，當(dāng)林肯泵啟動(dòng)后，油管未端壓力在規(guī)定時(shí)間達(dá)到2500PSI，如果在規(guī)定時(shí)間未達(dá)到2500PSI或達(dá)到2500PSI林肯泵未停止，潤(rùn)滑系統(tǒng)報(bào)警。

（4）流量傳感器，是一種用于檢測(cè)液體、氣體等介質(zhì)的流量參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為其他形式的信號(hào)進(jìn)行輸出的一種檢測(cè)用儀器儀表。

流量傳感器是主要用于變壓器油冷循環(huán)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)變壓器油的循環(huán)的流量。除此之外，流量傳感器還可以監(jiān)測(cè)循環(huán)油泵的正反轉(zhuǎn)，循環(huán)油泵是密封的，無(wú)法直接檢查正反轉(zhuǎn)，可以將流量傳感器調(diào)整到最大位置時(shí)，如果流量傳感器報(bào)故障，說(shuō)明油冷循環(huán)泵接反。

（5）氣隙傳感器，氣隙傳感器主要監(jiān)測(cè)高精度，高線性，高穩(wěn)定性非接觸式的電容測(cè)量傳感器系統(tǒng)。因其小巧的外形設(shè)計(jì)，傳感器可以安裝在發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的定子壁上，氣隙的范圍為5mm～50mm。這種非接觸式電容性傳感器采用容性測(cè)量原理，測(cè)量傳感器表面到目標(biāo)物體的距離。吊斗鏟氣隙傳感器是監(jiān)測(cè)提升、回拉電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的間隙。每臺(tái)電機(jī)安裝了8個(gè)氣隙，傳感器固定在電機(jī)定子內(nèi)側(cè)，將信號(hào)傳送一傳感器的變送器，由變送器傳送到PLC系統(tǒng)，提升、回拉電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的最小間隙為7mm，當(dāng)傳感器的數(shù)值小于7mm時(shí)，系統(tǒng)將控制電機(jī)停止運(yùn)行，以保護(hù)電機(jī)。

（6）速度傳感器，速度傳感器采用了測(cè)速編碼器，測(cè)速編碼器一般與軸相聯(lián)，測(cè)速編碼器的脈沖量是固定的，在軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，測(cè)速編碼器就會(huì)輸出脈沖,PLC或計(jì)數(shù)器收到脈沖，根據(jù)軸轉(zhuǎn)的速度不同時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)收到的脈沖總量是不一樣的，速度就表現(xiàn)在這里了，根據(jù)脈沖量與實(shí)際轉(zhuǎn)的長(zhǎng)度就可以算了真實(shí)的速度m/min。

測(cè)速編碼器用于提升、回拉、回轉(zhuǎn)、行走電機(jī)，測(cè)量電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，作為速度反饋的重要組成部分，測(cè)速電機(jī)監(jiān)測(cè)的速度反饋到SIBAS系統(tǒng)，將反饋回的速度與給定的速度進(jìn)行比較，如果反饋速度與給定速度不一致時(shí)，SIBAS給定電流增加，容易導(dǎo)致電機(jī)高溫或電機(jī)抖動(dòng)。電機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象是操作人員明顯感覺(jué)到一種現(xiàn)象，為維修人員提供故障處理的重要依據(jù)。

（7）角度編碼器，是通過(guò)把機(jī)械角度物理量的轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的一種裝置。

吊斗鏟角度編碼器主用于提升、回拉系統(tǒng)和行走系統(tǒng)。提升、回拉系統(tǒng)測(cè)量角度轉(zhuǎn)化為直線距離，通過(guò)確定兩點(diǎn)之間的距離，主要用于提升、回拉限位的設(shè)定。行走系統(tǒng)測(cè)量行走靴的角度，通過(guò)一點(diǎn)確定，確定行走靴的位置，左右行走靴單獨(dú)測(cè)量，當(dāng)兩只行走靴的測(cè)量角度大于15度時(shí)，行走系統(tǒng)停止工作。

4 結(jié)語(yǔ)

傳感器，在吊斗鏟這種大型設(shè)備中雖然是一個(gè)微小的元件，但它在吊斗鏟中的作用尤為重要，分布極其廣泛，吊斗鏟的正常運(yùn)行離不開(kāi)傳感器的使用。為了確保吊斗鏟可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，必須嚴(yán)格按照設(shè)備操作規(guī)程工作，制定詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃，定期檢查和維護(hù)各部傳感器的接線情況，清潔傳感器等，確保傳感器的正常工作。