液压控制设备和应用系统

机械设备中的闭环控制系统对提高生产率和减少寿命周期费用至关重要。在需要精 确地施加压力的液压应用中，自动压力监控是必不可少的。溢流阀可以保证系统压力不会超过额定值，以防止危险情况的发生。但溢流阀不能控制压力或力，而且它只限于活塞一侧的溢流。使用压力传感器，就可以实现压力或力的精 确控制。

 压力传感器在一些常见的设备如压力机，注模机中，已经成功地应用多年了，而在其他新领域里也在不断被开发应用。比方说，随着对非破坏性试验(NDT)中使用压力传感器的认知和理解，材料和生产测试系统已经发生了很大的变化和增长。

 应用基础

压力传感器一般是成对应用在压力控制设备中，也就

用两个传感器分别监测活塞两侧的压力(见图2-6-1)

这时我们可以通过下面公式计算出作用力:

Force＝Ppe xApe-Poe xAoe

其中，Ppe是活塞无杆腔的压力；

Ape是活塞无杆腔的受压面积；

Poe是活塞有杆腔的压力；

Aoe是活塞有杆腔的受压面积；

这个计算结果是忽略密封摩擦影响后的净压力值。

反馈

压力传感器中常见的的两种反馈方式是电压反馈和电流反馈。电压反馈值的范围般为0-5V或者0-10V,而电流反馈值的范围一般为4-20mA当然也存在一些其他的电压和电流范围。电压反馈压力传感器常用于实验环境，因为该环境下没有较强的电噪声干扰并且不用接入较长的电缆。在工业环境下，使用输出为4-20mA的电流型传感器更为合适。因为电流反馈压力传感器比电压反馈压力传感器的抗电噪声干扰能力强。电流反馈压力传感器的另一大优势是可以进行诊断。这就提供了一个判断传感器是否正常工作的指标。如果电压反馈传感器测得值是0V,它可能是一个真实的测量值，当然也可能是发生了断路或者传感器的电源没有接通。相对而言，4-20mA的电流反馈传感器通常被标定为4mA的电流输出表示压力为零，而20mA则表示最 高压力(根据选择的传感器可以是比如3，000 或5,000psi即206.84或344.74bar).如果控制器从某一压力传感器接收到0mA的模拟号信号，就可以断定有断路发生或者传感器的电源没有接通。将模拟量压力传感器连接到运动控制器时，需要进行模拟量到数字量的A-D转换。为了使连接通讯尽可能简单，应当选用自带A-D转换模块的液压运动控制器，这样传感器的输出信号可以直接连接到控制器的模拟量输入端口。

响应时间

压力传感器无法对真实的模拟量做到瞬间响应，因为所测得的响应值总是落后于压力或力的实际值。当测得压力或力的数值比它们的实际值时间上滞后太多，控制器将得不到精 确的数据来进行系统控制。通常，测量压力或力传感器的响应的方法有三种。第1种是响应时间，它测量值从5%到95%的变化所需要的时间。这个响应时间应该短于控制器的扫描时间。测量响应的第2种方法是时间常数，它测量的是真值从0%到63%的变化所用的时间。三个时间常数的总和大约等同于真值的从5%到95%的变化时间，因此时间常数应该比控制器扫描时间的三分之一更短。测量响应的第三种方法是频率响应。传感器的频率响应应该等于或高于控制器的扫描频率。举例如下，如果该控制器的扫描时间为1ms,压力传感器的响应时间应该小于1ms。如果传感器的响应被指定为一个时间常数，则时间常数应该小于1ms的三分之一(如<0.333ms)。最 后，如果传感器的响应被指定为频率响应，那么频率响应应该是一千赫兹或者更高。不同的传感器响应时间标定，往往给比较传感器的性能带来挑战。有些传感器的响应时间是以时间常数定义的(一个时间常数约为达到满额63%所需要的时间),此时应理解为通过使用传感器连续测量3-5个时间常数，传感器测得的压力值与实际值之差应该在5%之内。如果响应时间是从满额的5%上升到95%所用的时间定义的，那么这两种传感器大致相同。无论选用其中哪一种，如果使用ms级的控制器，应保证1ms之后响应误差必须在5%以内。

传感器的安装位置

系统中压力传感器的安装位置，是系统能否满意运作的关键因素。压力传感器应安装在尽可能靠近液压缸需要监测压力的地方。

1.流体在空间较大的液压缸内比在狹小的歧管块中产生较少的紊流。紊流会产生“噪音”而影响传感器的测量，可能读出低于实际值的压力值。为了便于理解，可以想象一下在草坪上用水管喷洒肥料时用文丘里管系统从低于喷嘴的容器里吸取肥料。肥料被吸到喷嘴是因为水流过文丘里管产生的负压。与此类似，安装在高流速区的压力传感器检测的压力值会偏低。伯努利方程也验证了这一点。当然如果只关注静止时液体的压力，这一点就无关紧要。

2.监测点到压力传感器的距离会引起延迟。压力波在流体中以声速传播大概4.5ft/ms.如果压力传感器到测量点的距离为45ft,那么在液压系统压力变化被检测到时将会有10ms的延迟。我们没有必要去采购一个具有0.2ms响应时间的传感器.而把它安装在离测量点较远的地方。

3.随着距离的增加，高频率的流体压力变化将趋于减弱的趋势，所以一些出现在距压力传感器较远地方的压力峰值有不被检测到的可能。压力传感器通常安装在节流孔内的测压点和传感器之间。对于易产生压力峰值的系统，这样做可以保护传感器，但它会降低控制响应的保真度。最 好的办法是找到产生压力峰值的原因并解决它们，而不是设法绕过。

压力传感器的保护

压力传感器受到极大压力峰值冲击时有可能被损坏。选择的压力传感器应当可以承受比设备预期的压力峰值更大的冲击，但是压力峰值往往会超出预期值。保护传感器的一个好方法是在阀与活塞之间加入一个小的蓄能器。但通常这并不是个好的设计，因为蓄能器会降低控制系统的响应速度，并且会影响对压力和力的控制。然而，如果蓄能器的预充压力超过系统压力，在正常运动或者压力控制的过程中，蓄能器将不会吸入液压油，这样就不会降低系统的性能。而当压力峰值出现时，也会被蓄能器吸收。蓄能器井不需要太大，因为通常只有几立方英的液压油需要被吸收。有的系统中带有内置装置来吸收压力震荡，实际上也是用了小气囊式蓄能器。需要注意的是即使系统运转良好，也可能会出现压力峰值。比如，锯木厂里的刨床在刨木板时，会采用液压缸控制压辊来压住木板(如图2-6-2所示)。压辊按顺序压过每块木板，但是木板的厚度通常都不同。如果一块木板的顶层比前块高1/8inch,那么压辊就会被抬高1/8inch。由于液压阀不能瞬间对压辊的变化做出响应，这将迅速引起压力峰值。然而，一个筒径2inch，能够吸收0.4cubicinch液压油的蓄能器就可解决这个问题。它所吸收的液压油量非常少，但却能保护压力传感器不被损坏。

结论

对于许多需要对压力变化快速响应的液压控制设备和应用系统，设计者只需对压力传感器进行合理的选择、安装和保护，就能显著提高其可靠性和系统性能。