光电传感器与检测技术论文

电力机车在我国的国民经济和社会发展中起着大动脉的作用，同时对国家经济持续增长和社会安全所起的作用也是其他运输方式所无法替代的。下面是我整理的电力机车新技术论文2500字，希望你能从中得到感悟!

电力机车新型智能真空主断路器的研制

[摘要]针对现有电力机车主断路器的不足，研制一种新型电力机车真空主断路器，以“1+1”方式安装，在某主断路器发生故障时，司机可通过开关切换到另一台主断路器，保证机车不因为主断路器故障而发生机破。

[关键词]“1+1” 电力机车 智能 真空主断路器

主断路器是用来接通和分断电力机车的高压电路，是机车的电源总开关，同时，当机车发生故障时它又可迅速切断机车总电源以保护其他设备，是机车最主要的保护装置，所以主断路器具有控制和保护的双重功能，其可靠性直接影响机车的安全运行。

目前，电力机车安装的主断路器分空气断路器和真空断路器。由于空气断路器结构复杂、故障率高而不被新型机车采用，但普通真空断路器也存在绝缘强度薄弱等不足，

因此我们于2008年9月立项研制一种电力机车新型真空主断路器，以“1+1”安装方式，即两台主断路器安装在同一底座上，控制装置也相互独立。实现一台机车上有两台主断路器交替工作，避免因单台主断路器发生故障而引起的机破，保证机车安全运行。

1设计思路

1.1 两台主断路器、两套装置

目前，电力机车上主断路器只有一台，无论是空气断路器还是真空断路器，在运行中一旦主断路器发生故障，则机车只能停止运行等待救援。因此我们设计增加一台主断路器，当一台主断路器发生故障时可以有另一台替代使用，确保机车正常运行。同时为了不过多地改变机车原有的构造和尺寸，我们设计将两台主断路器放置在同一台底座固定板上，以便于安装。

1.2 采用真空灭弧

为提高主断路器的使用寿命和减小主断路器的体积，我们取消原空气断路器的隔离开关，并把灭弧室改用真空灭弧室。真空灭弧的电性能和机械性能高，绝缘强度比大气的绝缘强度要高得多，同时由于采用真空灭弧，所需的间隙很小，可以实现提高使用寿命和减小体积的设想。

1.3 采用永磁机构

为保证主断路器分合闸动作的可靠性，我们将传统的

电空机械装置改成永磁机构，使整个操动机构结构简单可靠、工作寿命长、操作功率小、作用特性与断路器的反力特性很好匹配，且能做到合闸速度较小而分闸速度较高的理想结构。

2结构和原理

“1+1”电力机车智能真空断路器以底座为界，分为高压和低压两部分。高压部分位于机车顶部，由引出线和断路器主体组成。低压部分由永磁机构和智能控制装置组成。永磁机构的运动部件只有一个，具有合闸、分闸两种状态。永磁机构的拉杆带动真空灭弧室作直线运动。

图3新型智能真空主断路器结构示意图

灭弧室单元由长寿命真空灭弧室和复合绝缘材料组成，通过固体绝缘密封技术和连接件组成一体，永磁机构通过连接螺杆直接安装在开关体上，通过控制得电动作，控制连接螺杆上推和下拉。合闸时，连接螺杆上推，压动开关体内绝缘拉杆，带动触头弹簧和传动件，使真空灭弧室动触头闭合，并以恒定压力压紧，使动静触头紧密接触;分闸时，连接螺杆下拉，同样通过开关体内绝缘拉杆和传动件拉开灭弧室动触头，使开关打开。在开关动作的同时，安装在永磁机构上的联锁拨杆同时上下移动，带动直线凸轮，使联锁开关打开或闭合。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ―磁力线分布图;

①―静铁芯;②―动铁芯;③―合闸线圈;④―永久磁铁;⑤―分闸线圈;⑥―导向轴。

永磁机构处于合闸位置，永久磁铁产生的磁力线如图中Ⅰ。这时，下部磁路磁阻远大于上部磁路，动铁芯②保持在合闸位置。分闸时，分闸线圈⑤通电，分闸线圈中的电流产生磁场，其磁力线方向如图中磁力线Ⅱ。分闸线圈在上部工作气隙产生的磁场方向与永久磁铁所产生的磁场方向相反。当分闸线圈中的电流达到某一值时，机构上端的磁力线被抵消殆尽，动铁芯开始在触头簧(或分闸簧)及少量电磁力的作用下向下运动。随着底部气隙的减小，气隙磁阻也逐渐减小，当下部气隙的磁感应强度远远大于上部气隙的磁感应强度时，动铁芯向下将呈加速运动。当动铁芯运动至行程一半后，线圈电流和永久磁铁产生的合成磁场，其方向是向下的，于是，又进一步加速了动铁芯的运动，直到断路器分闸到位。断路器分闸到位后，连锁装置将信号返回控制器，自动切断分闸线圈⑤中的电流，动铁芯保持在分闸位置上。

3各部件的设计

3.1 灭弧室的设计

普通真空灭弧室还不能直接应用到电力机车上。因为普通灭弧室的寿命为1万次，而电力机车上断路器分合动作频繁，1万次的寿命使用期限也就一年左右，所以我们采用双断口串联，可提高分断高电压的能力;触头间距为小开距，可极大地提高灭弧室的寿命。为了保证断口同步断开，设计采用特殊的传动机构，使不同步度小于1ms，小于2ms的安全值。另外，我们还采用特殊结构的波纹管，以配合小开距，使灭弧室的寿命>30万次。大量的动态分析试验证明，本文所述的真空断路器的机械寿命达到20万次以上。

我们设计分断最大短路电流为10kA，但灭弧能力为20kA，实际裕度为l倍之多。灭弧室中，动静触头材料选择铬铜合金，截断电流为5A以下，可有效防止操作过电压的发生。

3.2 操作机构及传动的设计

在各种条件下都应可靠地分、合闸，是主断路器对操动机构的基本要求之一。目前广泛使用的操动机构有电磁、弹簧、气动、液压电动，但其机械故障率占主断路器总故障的70%左右。为此，我们采用无磨耗件精密型永磁机构，不但保证了主断路器长期动作的可靠性，而且满足主断路器分、合闸及灭弧特性要求。灭弧室需要的闭合力为1000～1200kN，永磁机构闭合力设计为3300kN，足以确保机构的正常动作，传动中的触头弹簧寿命>500万次，机构动作安全可靠。

我们采用钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁体，因为它有高的剩余磁感应强度，Br可以达到1.4T(退磁曲线上磁场强度H为零时，相应的磁感应强度，也成为剩磁)以及高的矫顽力，使永磁体很不容易退磁。永磁机构的压力和触头压力相比，留了100%的裕量，以保证足够的安全性。

永磁机构通过电磁机构和永磁铁的特殊结合实现传统机构的功能，电磁线圈和磁路为静止机构，只要设计合理，没有外力破坏，一般它不会损坏。大量试验证明，只要选材合理，精心设计，永磁机构本身机械寿命可以达到100万次以上。

永久磁铁与分、合闸线圈相配合，较好地解决了合闸时需要大功率能量的问题，因为永久磁铁可以提供磁场能量，作为合闸之用。永磁机构工作时，只需瞬时供电，一般小于60ms，在分、合闸状态时，线圈没有电流通过，保持力由永磁铁提供，不再消耗能量。这就使我们可以减小合闸线圈的尺寸和工作电流。因此，永磁操动机构可以做到真正意义上的免维修、少维护、长寿命。

3.3 绝缘设计

高压开关的绝缘设计至关重要。由于车顶空间的限制，绝缘距离不能很大。电瓷绝缘材料绝缘优良、价格便宜，但联接须采用金属连接件，体大物重，不耐碰撞，内外温差大时容易开裂。根据电力机车上的使用环境条件，我们选用粘接力强，机械强度高，有较高的耐寒、耐热、耐化学稳定性的APG工艺复合绝缘材料，双断口上进上出，在空气湿度100%饱和情况下，空气间绝缘距离>400mm，电压等级27.5kV，外爬距1.2m、内爬距0.9m，对地耐压80kV/lmin，断口间耐压85kV/lmin。APG工艺复合绝缘材料与水不亲和，可防止因雨水绝缘放电，从而有效地防止瓷瓶放电事故的发生。

3.4 智能控制器及联锁设计

永磁操动机构必须在控制器的驱动下才能实现开关的分合操作，因此，控制器的性能优劣对断路器的性能有很大的影响，要保证断路器的可靠工作，就必须要有一个可靠的控制器。

3.4.1 系统组成的原理

智能控制器主要由5部分组成：电源模块、输入模块、输出模块、CPLD智能控制模块、驱动模块。我们采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为智能控制部件，借助于计算机，在EDA工具软件quartus II平台上，以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段，自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合、以及逻辑优化和仿真测试，直至实现规定的电子线路系统功能。这种纯硬件的实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为硬件电路不管受到什么干扰，其电路结构不会发生变化。采用EDA技术的全硬件实现方式，由于非法状态的可预测性以及进入非法状态的可判断性，从而确保了从非法状态恢复到正常状态的各种措施的可行性。

3.4.2可靠性设计

3.4.2.1电磁兼容性设计

永磁操动机构在运行中由于开关大电流而产生很大的电磁干扰，永久磁铁和线圈均会产生很大的磁场干扰，另外，开通和关断过程中，电容充放电亦会产生幅值很大的脉冲电压和脉冲电流，会通过电源通道耦合到控制器自身，所以抗干扰问题对于控制器来说非常重要。我们在设计中采取的措施主要有：①电源输入加有性能优良的电源滤波器，可以防止通过电源线的传导干扰;②专用芯片通过光电电路完全与外部I/O部分隔离，以保证专用芯片安全运行;③模拟电路滤波和专用芯片数字滤波同时使用，确保不会发生误动的情况;④电路板精心设计，精心布线，避免线路之间的串扰。

3.4.2.2电力电子电路的可靠性设计

电力电子电路是控制器的另一个关键部件，它的负载是一个大的电感，在开通和关断过程中会产生很大的动态dv/dt，加之工作电流很大，使器件有可能同时受到大电流、高电压和寄生电容中的位移电流的作用，所以确保这部分电路稳定可靠的工作亦很关键。

①在设计中使用抗冲击能力强、dv/dt性能好的IR公司生产的IGBT和IGBT控制芯片;

②精心设计电路参数,反复测试，保证输出波形好;

③精心设计和调试吸收电路，保证驱动电路稳定工作;

④过流保护电路，确保电力电子电路的安全运行;

⑤为防止长时间通电，采用的控制算法是：正常时采用最短时间与开关位置信号控制，在位置信号失效时采用最长时间控制。

3.4.2.3智能自诊断、自检测设计

控制器采用全硬件状态机作为整个系统的工作调度，这就使其可以充分发挥全硬件电路容错技术的优势，在运行中可以对各种状态进行跟踪，可以监视各种非法状态，由非法状态转入正常状态只需要几个微秒，因而不会因进入非法状态而对系统造成影响，确保在运行中不会出现死机现象，即确保控制器永远保持在运行状态。

3.4.2.4零位断合

利用电子操控计算机的多余功能和精密性永磁结构优势，设计零电流打开和零电压闭合的智能控制技术，即适时采样，计算发令，自适应修正等，使断合点在零位正负2ms以内。经模拟试验表明，该项技术达到了预期效果，较好地抑制了过电压的产生。

3.4.2.5传动关节点的固体润滑技术

为了使断路器实现其真正意义上的少维护、不检修，甚至不维护，断路器的几个转动关节，采用了二硫化铝加石墨的固体润滑技术，寿命试验的结果基本达到了预期的目标。

4主要技术指标

工作电压：AC25kV;最大工作电压：AC30kV;

工作电流：ACl000A;最大工作电流：AC1250A;

工作频率：50Hz;

额定短路开断电流：ACl0kA;

额定峰恒耐受电流：AC31.5kA;

最大开断电流：AC20kA;

控制器工作电压：DC110V;

开关动作反应时间：≤20ms;

开关动作时间：≤50ms;

开关动作控制器永磁机构通电时间：≤25ms。

5执行标准

TB/T1333.4-2005/IEC6007-4-2003(机车车辆电气设备、第四部分，电工器件交流断路器规则)

TB/T2055-1999(机车真空断路器技术条件)

TB/T3021-2001(铁道机车车辆电子装置)

GB/T17626.5-2008(电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验)

6主要技术特点

①采用先进的复合绝缘材料，具有抗老化、防紫外线、高强度及优良的电气绝缘性能;

②断路器主体采用先进的APGP注射成型工艺加工技术;

③专门研制的长寿命的真空灭弧室;

④国家专利技术的永磁操动机构;

⑤开关内部结构简洁、稳定性好;

⑥可靠性高;

⑦与机车原有主断路器有互换性。

7结束语

“1+1”电力机车智能真空主断路器于2009年5月19日在福州机务段的SS3B4045机车上安装试用，运用至今仅出现过一次真空断路器控制预备中间继电器联锁线断，导致继电器不得电，机车无压无流。但正因为这种断路器有两台断路器，运行中司机通过切换，启用另一台断路器，照常运行，回段处理，不造成机破。这也正体现了这种断路器的优越性。

浅析电力机车空转原因及处理

[摘 要]本文通过对电力机车空转故障分类、故障原因、故障判断检测以及故障处理方法进行分析，为保证机车运行安全，确保铁路提速和重载牵引能够顺利进行提供一定的理论依据。

[关键词]电力机车 空转故障 处理方法

中图分类号：U269 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2016)07-0330-01

铁路在我国的国民经济和社会发展中起着大动脉的作用，同时对国家经济持续增长和社会安全所起的作用也是其他运输方式所无法替代的。随着机车运行速度的提高和牵引定数的增加，机车出现空转故障的几率越来越大，对机车安全运行的影响也越来越明显，因此，完善机车控制系统和提高乘务员操作水平，防止机车空转故障的发生，是保证机车运行安全，确保铁路提速和重载牵引能够顺利进行的关键所在。

1.电力机车空转现象及防空转系统

1.1 空转故障分类

轮对产生的轮周牵引力大于轮轨间的黏着力时车轮就会发生空转。根据机车实际运用中空转故障发生的情况，机车空转故障分两类：一是非正常空转，即大空转或真空转，恶化后会导致轮轨擦伤：二是正常空转，即假空转，及时采取人工补砂的措施会有明显的效果。

1.2 防空转系统

电力机车电子柜或微机柜均设置了微机防空转系统，该系统是以提高黏着利用率及防止大空转为主，允许一定程度的微小空转。当轮对空转趋势达到一定程度，就将相应的电机电流高速大幅度削减，可使空转很快得到抑制，然后再以一定规律恢复牵引电流。

2.电力机车空转故障的原因分析

2.1 正常空转的原因

(1)机车转向架到司机室端子排的光电传感器接线断路或绝缘破损，引起速度信号异常，导致假空转。

(2)光电传感器故障引起假空转。电力机车上目前使用的光电传感器大部分是TQG15B型传感器，当传感器芯片烧损或绝缘破损、传感器引出线绝缘破损，线路断路、短路或接触不良等，瞬间无速度信号输出或速度信号受干扰，都会引起假空转。

(3)光电传感器接线盒进水，引起线路接地或短路将导致假空转。

(4)电子插件故障。防空转系统电子元件超出使用寿命期限，造成插件程序故障。

2.2 非正常空转的原因

(1)电力机车轮缘喷油装置喷油量太大、线路道岔油润过多等也会引起机车真空转，伴随空转灯亮、撒砂、减载等。这种情况下，机车检修部门应适当调节轮缘喷脂装置的喷油量或改为干式轮缘润滑装置，防止真空转。

(2)司机操作不当。电力机车在运行中，司机操作不当，手柄指令过高，容易发生真空转。因此，机车在雨天或坡道上起车或行驶时，指令不应一次给得太高，当速度起来后再继续追加电流。当发生真空转或滑行时，司机应适当降低手柄级位，待速度起来后再追加电流，抑制真空转发生。

3.电力机车空转故障判断及检测方法

3.1 一般故障的显示

机车在运行中遇到启车加速、持续大坡道大电流运行、过岔区、曲线运行、轨面有油、冰、雨、雪天气经常会发生空转、滑行或电流电压波动等现象，机车乘务员可采取人工补砂的措施。发生大空转时，空转灯亮、自动撒砂、电流电压波动频繁，而且电流电压波动弧度大。发生小空转时有时空转灯不亮、不下砂，只是电流电压在小范围内波动。这种情况下，机车乘务员只需切除电子柜上方或微机防空转上的“空转保护”开关即可或将电子柜倒B组维持运行即可让防空转系统正常保护动作。

3.2 机车进行库内检测

机车在运行中发生空转故障回段报修时，可利用光电传感器动态检测仪。光电传感器动态检测仪简单来说是一个在机车静止的状态下，能给光电传感器提供均匀的速度信号，并且能实时观察速度及频率大小、变化情况，速度信号输出波形的检测设备。利用该设备，可以在库内对机车光电传感器及相关线路进行检测，可以较准确地判断出造成空转故障的故障点，并在库内做相应的处理，大大提高了处理空转故障的效率，同时减少了机车试运行，减少了检修或技术人员跟车处理的次数，节约了人力资源，提高了机车的运用效率。在库内进行检测无结果的就要跟车用便携式示波器进行动态检测。

3.3 跟车进行动态检测

由于机车在运行中产生剧烈振动，使空转保护系统某些线路瞬间接触不良，引起速度信号丢失，从而造成空转，这种情况是极少数的。这类故障在库内机车静止的情况下是很难检测到故障点，因此，必须派人跟车使用携式示波器进行动态检测，另外也可用示波器检测。

4. 空转故障的处理方法

4.1 运行中对空转故障的处理

(1)如果是正常空转，乘务员只需及时采取人工补砂的措施就会有明显的效果。

(2)机车电流、速度大于某值，空转、撒砂不止，电流卸载不能恢复，可能是某一速度传感器发生故障，乘务员可根据防空转系统自动查找出故障传感器，自动切除该位置速度传感器，并在插件面板上显示，然后可正常操作机车运行，回段后向检修人员报修。

(3)微机防空转插件板故障可能使电机电流达到某一值而卸载，机车并没有发生空转就发出减载指令，牵引时无恒速控制。此类故障乘务员可通过将防空转故障开关转到故障位运行来判断，如果正常，就可判断为防空转系统故障，回段后报修。

4.2 回段对空转故障的处理

(1)机车回段后，检修人员对报空转故障的机车要详细了解运行中的情况，例如空转发生区段的自然状况，乘务员是否采取自诊断功能，是否切除防空转功能等。

(2) 光电传感器信号线故障的检测及处理

若在司机室端子上检测到某轴位传感器信号不良，而光电传感器下车检测又正常的情况下，可以判定为该位传感器的信号线故障。表现在线路断路、短路、接地。可以通过数字万用表进行检测线路的通断，用250V兆欧表检测其线路绝缘状态。确定线路不良时，必须进行换线才能彻底处理。换线时应注意不要损伤插头及线，接线时应按照接线表对应接线，防止接错线。

(3)光电传感器故障的检测及处理

电力机车光电传感器可以通过车下检测设备进行检测，确定传感器故障后，则可更换光电传感器。光电传感器在安装上车时，传感器与轴箱之间要加防水胶垫，同时传感器引出线应斜向下，防止进水，同时要避免引出线过度弯曲。光电传感器接线插头与接线盒插接应牢固，用绝缘粘胶带包扎好，防止进水。

总而言之，能够根据电力机车空转的具体情况，对机车产生空转故障的原因进行正确综合的分析，并提出故障处理方法，可减少因空转引起的机车故障及行车事故发生率，提高机车的运用效率，确保机车运行的安全性。

参考文献：

[1] 王迁.浅谈电力机车的空转故障[J].机车电传动，2009(6)：60-61.

参考下： 进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。 但目前，在湿度测试领域大部分湿敏元件性能还只能使用在通常温度环境下。在需要特殊环境下测湿的应用场合大部分国内包括许多国外湿度传感器都会“皱起眉头”！例如在上面提到纺织印染行业，食品行业，耐高温材料行业等，都需要在高温情况下测量湿度。一般情况下，印染行业在纱锭烘干中，温度能达到120摄氏度或更高温度；在食品行业中，食物的烘烤温度能达到80-200摄氏度左右；耐高温材料，如陶瓷过滤器的烘干等能达到200摄氏度以上。在这些情况下，普通的湿度传感器是很难测量的。 高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T＝5℃时为78.36，在T＝20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势，某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为：高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变 化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器，高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到 的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。随着温度上升，介质膜厚d增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。 国外厂家比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约±2%。虽然，测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。 陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温，湿度滞后，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是此类湿敏传感器迫切解决的问题。 当前在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域，其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。 氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。 氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆，以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高，产品性能不断得到改善，氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中，经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。 在国内九纯健科技依托于国家计量科学研究院、中科院自动化研究所、化工研究院等大型科研单位从事温湿度传感器产品的研制、生产。选用氯化锂感湿材料作为主攻方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器，自动化仪表等产品，在吸取了国内外此项技术的成功经验的同时，努力克服传统产品存在的各项弱点，取得实质性进展。产品选用了Al2O3及SiO2陶瓷基片为衬底，基片面积大大缩小，采用特殊的工艺处理，耐湿性和粘覆性均大大提高。使用烧结工艺，在衬底集片上烧结5个9的工业纯金制成的梳妆电极，氯化锂感湿混合液使用新产品添加剂和固有成份混合经过特殊的老化和涂覆工艺后，湿敏基片的使用寿命和长期稳定性大大提高，特别是耐温性达到了-40℃-120℃，以多片湿敏元件组合的独特工艺，是传感器感湿范围为1%RH-98%RH，具备了15%RH范围以下的测量性能，漂移曲线和感湿曲线均实现了较好的线性化水平，使湿度补偿得以方便实施并较容易地保证了宽温区的测湿精度。采用循环降温装置封闭系统，先对对被测气体采样，然后降温检测并确保绝对湿度的恒定，使探头耐温范围提高到600℃左右，大大增强了高温下测湿的功能。成功解决了“高温湿度测量”这一湿度测量领域难题。现在，不采用任何装置直接测量150度以内环境中的湿度的分体式高温型温湿度传感器JCJ200W已成功应用在木材烘干，高低温试验箱等系统中。同时，JCJ200Y产品能耐温高达600度，也已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统、特殊陶瓷材料的自动烘干系统、出口大型烘干机械等方面，并表现出良好的效果,为国内自动化控制域填补了高温湿度测量的空白，为我国工业化进程奠定了一定基础。传感器论文： 低温下压阻式压力传感器性能的实验研究 Experimental Study On Performance Of Pressure Transducer At Low Temperature .... 灌区水位测量记录设备及安装技术 摘要：水位测量施测简单直观，易于为广大用水户所接受而且便于自动观测，因而在灌区水量计量乃至在整个灌区信息化建设中都占有十分重要的地位。目前我国灌区中水位监测采用的传感器依据输出量的不同主要分为模拟传感.... 主成分分析在空调系统传感器故障检测与诊断中的应用研究 摘要 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按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 一 霍尔器件的工作原理 在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图1所示： 这个电压和磁场及控制电流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜ 式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。 在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。 用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： I∞B∞VH 其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。 二 霍尔传感器的应用 1 霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图1所示的接近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性接近传感器，(b)为霍尔接近开关。 图1 霍尔接近传感器的外形图 a)霍尔线性接近传感器 (b)霍尔接近开关 图2 霍尔接近传感器的功能框图 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。3.2.7霍尔翼片开关 霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。 图3 霍尔翼片开关的外形图 2 霍尔齿轮传感器 如图4所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。 在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。 （1）相位精度高，可满足0.4°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2）可满足0.05度曲轴角的熄火检测要求。 （3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。 用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。 图4 霍尔速度传感器的内部结构 1. 车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器 2. 图4 ABS气制动系统的工作原理示意图 3 旋转传感器 按图5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式 图5 旋转传感器磁体设置 由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。 图6的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。 图6 霍尔流量计 由图7可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。 曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图(b)，曲线3对应结构图(c)。 图7 霍尔车速表的框图 图8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图9示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。 图9（a）为G－10安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G�10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路 图9 多霍尔探头大电流传感器 图10霍尔钳形数字电流表线路示意图 图11霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路 图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器 图13霍尔电度表功能框图 图14霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图15示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。 图15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图16所示。在图16中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。 图16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器 图17示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。 图17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性 三 小结 目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。