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海瑞克盾构机传感器应用分析
刁郁文
摘要：盾构机是目前国内隧道施工广泛应用新设备，它的高效率、高可靠性、高安全性的特点正逐步取代靠人力施工为主的矿山法施工。但盾构机的高度自动化也对维修人员带来技术挑战。如果将盾构机的电气控制线路比喻成盾构机的神经，则盾构机上的传感器是神经末梢，它将盾构机的机器状态感应出来，将信息提供给维修人员，保证盾构机的正常工作状态，本文详细的介绍了盾构机传感器工作原理，功能组成，并结合在盾构机上传感器的应用情况进行分析。 关键词：传感器、信号。 一、盾构机上使用传感器类型
为保证盾构机的正常工作，盾构机上使用了多种类型的传感器，传感器的类型分别如下：
根据盾构机上传感器输出的信号分类，可分为四类： 1、4-20mA电流信号； 2、PNP输出信号； 3、开关量输出信号； 4、BCD码输出信号
根据盾构机上传感器类型分类，盾构机使用了如下类型传感器： 1、音叉式物位传感器； 2、平面膜压力传感器； 3、扩散硅压力传感器； 4、磁致伸缩传感器； 5、电感接近传感器； 6、霍尔接近传感器； 7、差压传感器；
8、PT100铂电阻温度传感器； 9、温度开关传感器；
10、半导体压力开关传感器； 11、电磁流量传感器； 12、涡街流量传感器 13、直线位移传感器 14、旋转编码器 15、倾斜角传感器
二、盾构机上使用传感器工作原理及应用 （一）、音叉式物位传感器；
在盾构机上主要用于工作原理根据物料对振动中的音叉有无阻力，探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，不必校准，可快速低成本启动。机械结构简单，无机械运动部件，无维修、无磨损，运行寿命长，灵敏而可靠。
传感器上的音叉以固有的频率振动，当音叉触及液体或其他物料时，其固有的振动频率降低，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减而停振，频率的变化激活液位开关，产生通断信号。
（二）、离散传感器
在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。
当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。 有时被检测验物体是按一定的时间间隔，一个接一个地移向接近开关，又一个一个地离开，这样不断地重复。不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同的。这种响应特性被称为“响应频率”。
因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以盾构机上常见的接近开关有以下几种： 1． 涡流式接近开关
这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。如盾构机上齿轮油系统检测接近开关。
2． 霍尔接近开关
霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。如盾构机上刀盘转速接近开关和螺旋机转速接近开关。
接近开关的信号输出分为PNP和NPN类型，海瑞克一般采用PNP信号输出。 （三）、温度传感器 热电阻及其测温原理
在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于500℃以下的中、低温度，热电偶的输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低温区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。
热电阻的测温原理与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制中的应用极其广泛。
目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；盾构机常用的是PT100热电阻，主要用于测量油温和水温，信号输出为4-20MA电流信号。 （四）、流量传感器
测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表．流量计是工业测量中重要的仪表之一．随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异．为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。目前已
投入使用的流量计已超过100种。从不同的角度出发，流量计有不同的分类方法。常用的分类方法有两种，一是按流量计采用的测量原理进行归纳分类：二是按流量计的结构原理进行分类。 1、 按测量原理分类
(1) 电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。
(2) 声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式．声学式(冲击波式)等。 (3) 热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。 (4) 光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。
(5) 原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表． (6) 其它原理：有标记原理、相关原理等。 2、按流量计结构原理分类
按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，盾构机上所用的流量计可归纳为以下几种类型： （1）．电磁流量计
电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰，影响了在工业管流测量中的广泛应用。为此，产品在不断改进更新，向微机化发展．盾构机上测量液体用电磁流量计。 （2）．超声波流量计
超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在70年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。。盾构机上测量气体用超声波流量计。 （五）、压力传感器
压力传感器是盾构机液压系统、冷却水系统和发泡剂系统、注脂系统中使用最为常用的一种传感器，压力传感器有如下类型，应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器。下面就简单介绍盾构机上常用传感器原理及其应用
1、应变片压力传感器原理 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这
种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情。传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。盾构机上使用的注浆压力传感器和油压传感器采用上述原理制造。 （六）、磁致伸缩料位传感器
磁致伸缩料位传感器（见图片）包含了一个或多个浮标，每一个中都有一个永久磁体，通常是环形的。
其它元件分别是波导管、应力波采撷器、接口节气阀和电子模块。单个磁致伸缩料位传感器就可测量产品料位、接口料位和温度。磁致伸缩料位传感器 具有某些铁磁材料的特性，放置在磁场中时可膨胀或缩短（见图）
盾构机的行程测量采用的是磁致伸缩料位传感器，信号输送给MK292模块转换成BCD码信号传送给PLC数字量模块。 BCD码的工作原理如下。
BCD码，称BCD码或二-十进制代码，亦称二进码十进数。是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。此外，对于其他需要高精确度的计算，BCD编码亦很常用。 （七）、旋转编码器
编码器如以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。旋转编码器用于盾构机管片安装器的旋转角度测量，信号采集使用了PROFIBUS总线技术，直接和PLC相连。海瑞克盾构机采用了德国TWK公司的CRD系列CRD65-4096R4096C2Z01编码器和通讯模块ZD-P3L4-01。 3、结束语
盾构机上传感器根据要求应用于各种环境。在盾构机的维修中，作为维修人员，了解盾构机上使用的各种传感器的工作原理，功能特点非常重要。盾构机上的传感器由于工作环境较差，经常会出现故障，导致盾构机不能工作。了解的各种传感器的工作原理，能对于出现的故障采取相对应的有效措施，保障机器的正常运行，也体现了维修人员的技术水平。 参考文献
清华大学电子教研组编，《数字电子技术基础简明教程》，高等教育出版社，1991 王家桢、王俊杰，《传感器与变送器》，清华大学出版社，高等教育出版社，1996 纪纲、吴勤勤、顾生元，《数字显示调节仪表原理及维修》，华东华工学院出版社，1992
作者简介：
刁郁文，中煤第三建设（集团）有限公司广州分公司，电气工程师。参加广州地铁二号线（赤-鹭区间）盾构法施工，从事对德国海瑞克盾构机的维修工作。参加广州地铁三号线（天-五区间）、5号线（员-车）区间、广佛线等区间的盾构法施工，从事对机器设备的维护，管理工作
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