浅谈凿岩钻机配套传感器的选型和应用

余利芳，叶永刚，叶新，尹荣康

（1.浙江志高机械股份有限公司，浙江 衢州，324000；2.浙江红五环机械股份有限公司，浙江 衢州，324000）

0 前言

凿岩钻机综合运用计算机技术、自动控制技术和传感器技术， 是一个机-电-液集成控制的闭环控制系统，其配套的电气控制系统中包含有诸多的传感器及开关类电气元器件，比如：温度、压力、液位、倾角、转速、车速等传感器，以及接近开关、压差开关等，其技术参数选型的合适程度直接影响到整机系统的控制性能、可靠性和配套成本。

1 温度、压力传感器的用途

传感器是一种检测装置，能检测到测量对象的讯息，并将检测到的讯息按照一定的规律变换成电信号或者其它需要的信号输出，用以实现信号的检测和传输。

凿岩钻机的种类很多，按使用场合和结构可分为一体式地下凿岩钻机、露天凿岩钻机以及通用分体钻机，其常规配套的温度传感器用途有检测排气温度、液压油温度、变矩器油温度以及发动机水温等。

2 温度传感器的种类和特性比对

2.1 温度传感器的种类

温度传感器最常见的类型有3 种： 热敏电阻、热电偶、电阻温度检测器（RTD），由于工作原理，具有不同的测量范围、精度和优缺点。

热敏电阻：是一种温度测量装置，响应时间缓慢，主要应用于环境温度测量。 常用的热敏电阻有：PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）。PTC 正温度热敏电阻的阻值随温度升高而增加，NTC 负温度热敏电阻的阻值随温度升高而减小，其阻值与所测温度是非线性的函数关系[1]。

热电偶：基本原理是两种不同成分的金属导体两端接合成回路，当接合点温度不同时，在回路中就会产生电动势[1]。 需要热接点和冷接点两个温度读数进行测算， 由于产生的电动势非常小，易被电磁干扰，在有电磁干扰的情况下对绝缘屏蔽的要求比较高。

电阻温度检测器（RTD）：也叫电阻温度计，其优点为多功能性，可重复使用，安装方便。RTD传感器最常用的感温材料是Pt 和Cu， 铂热电阻：Pt100、Pt500、Pt1000， 和铜热电阻：Cu50、Cu100。 分度号大，精度更高。 热电阻的结构见图1。

2.2 温度传感器的特性比对

铂热电阻的测温范围为-200～+850℃， 其优点是：化学稳定性好、耐高温，容易制得纯铂，电阻率大，可用较少材料制成电阻。缺点是：在高温环境下容易被氧化物中还原出来的蒸汽沾污，铂丝变脆，进而改变电阻与温度之间的关系，所以其通常被置于保护性探头中。

Pt100 是铂热电阻， 阻值随着外围环境的温度上升而成近似匀速的增长。Pt 后的100 表示传感器在0℃时的标称电阻值为100 Ω，在100℃时的电阻值约为138.5 Ω。

Pt1000 也是铂热电阻， 特性与Pt100 相似，两者的特性曲线、 相应时间和工作温度范围相同，电阻的温度系数相同。Pt 后的1000 表示传感器在0℃时的标称电阻值为1000 Ω， 在300℃时的电阻值约为2120.515 Ω。

由于Pt1000 和Pt100 的标称电阻不同，Pt1000 的读数比Pt100 读数高出10 倍， 精度高于Pt100。 2 线制配置时，再考虑引线测量误差情况，这种差异会比较明显，在相同设计中，Pt100的测量误差如果是+1℃时， 则Pt1000 的测量误差只有+0.1℃。 当导线越长，线阻越大时，Pt1000传感器具有更高的标称电阻，可以更好地补偿增加的线损误差。

Cu50 是铜热电阻，Cu 后的50 表示传感器在0℃时的标称电阻值为50 Ω，100℃时的电阻值约为71.4 Ω，阻值随着温度的上升而近似匀速增长。 铜热电阻的线性度较好，在-50～+150℃范围内使用较多，缺点是怕潮，易被腐蚀，熔点低。

RTD 与NTC 电阻值随温度变化的曲线对比，如图2 所示。

NTC 有着负温度系数特性，输出信号线性度非常差， 多用于150℃以下的温度测量；RTD 输出信号的线性度好，信号拾取较为方便，非常适合测量范围在600℃以下普通工业用的温度测量；热电偶在中低温时，信号输出分辨率低且输出信号非常微弱， 拾取时需要进行放大或屏蔽。通常来讲，热电偶更适合高温测量（600℃以上）。如图3 描述了热敏电阻、热电偶和铂热电阻与温度的特性曲线。 图中可看出，铂热电阻具有测量范围宽、精度高、稳定性好的特点，因此在传感器中使用较多的是铂热电阻[2]。

图3 RTD、NTC 及热电偶线性度曲线对比

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：

Rt=Rt0[1+α（t-t0）]

式中 Rt——温度为t 时的电阻值Ω

Rt0——温度为t0（通常t0=0℃）时对应电阻值，Ω

α——温度系数

使用RTD 铂电阻测量温度时， 需要外接导线以便测量阻值信号。而导线的内阻对测量结果有一定的影响，通常导线越细或者越长，对测量结果的影响越大。 对于精度要求高的情况，Pt100因为分度号较小， 为了补偿导线内阻的影响，需要采用3 线制或4 线制补偿方式[2]，线路会变得较为复杂。

各类温度传感器的性能对比见表1。

表1 温度传感器的性能对比

基于以上对温度传感器结构原理及性能优缺点的对比分析，基于使用环境温度、量程、精度选择以及控制器输入信号和行业特性，凿岩钻机配套的温度传感器确定采用电阻温度检测器（RTD），2 线制Pt1000 来实现各部位的温度检测。

3 压力传感器的种类和特性比对

3.1 压力传感器的种类

压力传感器是在其感受到压力变化后，把压力变化信号转换成电信号输出的传感元件，是工业中常用的一种传感器，广泛应用于各种工业自控环境。 传感器类型非常多，常见的有压电式传感器和压阻式传感器两种。压电式传感器主要是利用压电效应制造而成，压阻式传感器是利用压阻效应制造出来的。目前工程机械上最常见的压力传感器是压阻式传感器，采用金属电阻应变片的特性实现其功能。

金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即为吸附在基体材料上的应变电阻随着机械变形而产生阻值变化特性。

金属导体的电阻值

式中 ρ——金属导体的电阻率，Ω·mm2/m

S——导体的截面积，mm2

L——导体的长度，m

当金属导体受到外力作用时，其长度和截面积会发生变化， 当金属导体受外力作用伸长时，其长度增加，截面积减少，电阻值增大；反之则相反。因此通过测量电阻两端的电压变化即可获得金属导体的受力情况。 由于这种变化通常较小，故一般通过应变桥等元件将信号放大，再传输给处理电路完成模拟量的输出。

常用的压力传感器模拟量输出信号主要有：电流型4-20 mA 和电压型0-5 V、0-10 V 等。 压力传感器输出信号和测量范围是百分比对应的关系，通过其输出的电流或电压信号，计算对应输出信号的百分比的值，再根据测量范围即可得出此压力传感器所检测到的压力值。

例如：电流型4-20 mA 压力传感器，其测量范围是0-100 kPa，则对应百分比关系是：0 kPa→4 mA，25 kPa→8 mA，50 kPa→12 mA，75 kPa→16 mA，100 kPa→20 mA。

3.2 电压型和电流型压力传感器对比

电压型压力传感器的优势： 精度比电流型高，0～10 V 相比0～5 V 也会更高， 但当精度为0.5%FS 及为凿岩钻机配套用， 电流型完全满足使用要求。 劣势：抗干扰能力较弱，有压降误差，当电压不稳定或有电机、 变频器等干扰源时，极易造成数值波动，长距离传输时会更明显。

电流型压力传感器的优势：电流型没有压降损失，基本不受线束长度影响；抗干扰能力较强，有干扰源情况下通过屏蔽电缆线和接地基本可将干扰信号去除；价位更低，通用性更强。

3.3 压力传感器关键技术指标

量程： 压力传感器的压力适用范围是分级的，其弹性膜承受流体压力有一限度，压力超过耐压极限则弹性膜会破裂。每一传感器都有20%-300%的过压能力，通常情况下，选择一个比测量最大值大1.5 倍左右的压力量程范围。 低压力量程传感器的灵敏度高，分辨率相对高。

精度： 压力传感器的精度受温度影响较大，需区分静态精度和全温度范围精度。 静态精度，是指某一特定温度下所达到的精度；全温度范围精度，是指传感器在使用温度范围内所达到的精度。

精度可分为4 档：0.5%FS 为超高精度；1%FS 为高精度；2%FS 为普通精度；10%FS 为低精度。

总误差范围：包括非线性度，满量程误差，温度误差， 温度迟滞以及大气气压波动引起的误差。 要求传感器达到高精度时，在制作过程中会增添诸多附加工艺和校准补偿技术，成本会大幅度增加[4]。因此应根据实际使用环境和要求，采用合适的精度要求及相应的温度范围。

压力传感器的线性度是指在工作范围内，其输出的值与压力值之间直线关系的最大偏离。线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

3.4 压力传感器实验数据曲线

以下实验抽取了5 个压阻式，4-20 mA 模拟量输出， 0-250 bar 量程的压力传感器样品，对其进行了温度量程范围内和动态压力的实验测试， 重点测试了不同温度和动态压力下对应的精度、非线性度以及最大误差，实验数据如表2、表3、表4 所示，其对应的曲线如图6、图7、图8 所示。

图6 精度测试实验曲线

图7 非线性度测试实验曲线

图8 最大误差测试实验曲线

表2 精度测试实验数据

表3 非线性度测试实验数据

表4 最大误差测试实测数据

以上测试结果反应了5 只压力传感器样品在温度量程范围内及动态压力取值所得到的实验数据，其精度、非线性度以及最大误差均满足凿岩钻机产品对应的技术参数要求。

综上所述， 传感器以最经济的价位选到量程、精度、温度范围等技术参数满足使用要求的传感器，凿岩钻机用温度传感器、压力传感器对应的选型如表5 所示。

表5 凿岩钻机传感器对应用途选型

4 总结

通过对温度传感器、 压力传感器的性能特性、工作原理、优缺点的比对分析，结合凿岩钻机使用需求和行业适用性，对凿岩钻机配套的温度压力传感器进行选型，在满足使用要求的情况下做到成本适中。 经过使用验证，传感器在钻车上运行正常、稳定，满足了钻车上的使用要求。