运动控制系统中，压力传感器用以提高精度和可靠性

原文：Peter Nachtwey翻译整理：腾益登

设备闭环控制是提高生产率和降低生命周期成本的关键。在需要施加精确压力的液压应用中，必须自动监测液压。液压溢流阀可以通过确保液压压力不会升至标称值以上来防止出现不安全情况。然而，他们可能使得压力或力控制器性能变差。液压溢流阀仅限制压力或力，并且仅限制油缸的一侧(有时也是两侧)。另一方面，使用压力传感器可以精确控制所施加的压力或力。

压力机和注塑机等常见应用多年来已成功使用压力传感器，但许多新的应用领域也正在取得成果。例如，随着人们对如何将压力传感器应用于无损检测的认识和知识的不断增长，材料和生产测试系统正在发生转变。

从基础开始压力传感器通常成对应用于力控制应用。两个独立的传感器用于监测活塞两侧的压力(见图 1)。这使得人们可以使用以下公式计算合力：

合力 = PPE APE – POE AOE

此处:

PPE 是活塞侧压力

APE 是活塞侧有效面积

POE 是杆侧压力

AOE 是杆侧有效面积

该计算提供了除密封摩擦之外的真实合力。

响应时间——压力传感器需要快速响应压力变化。特别是压力机等快速施力的应用，可能会产生极快的流体压力变化。压力传感器通常对它们对压力变化的响应速度有一个额定值，这些规格通常以上升时间或满量程某一百分比变化的时间给出。好的控制器可以每隔一毫秒读取一次压力，因此如果压力传感器响应缓慢，则控制器的读取速度无法充分利用。

响应时间评定的差异有时使比较产品技术成为一项挑战。以时间常数测量额定值的传感器应该知道，经过三个时间常数后，传感器将在阶跃变化后达到与实际压力的 5% 以内。如果将时间响应指定为响应从满量程的 5% 到 95% 所需的时间，则大致相同。在这两种情况下，如果使用 1 ms控制器，则 1 ms后响应应在约 5% 以内。

反馈——压力传感器最常见的两种反馈类型是电压和电流。电压反馈通常在 0-5 V 或 0-10 V 范围内，而电流反馈通常在 4-20 mA 范围内。通常还有其他可用的电压和电流范围。带电压反馈的压力传感器主要用于实验室环境，电噪声和导线长度不是影响因素。在工业环境中，首选压力传感器输出是 4-20 mA 的可变电流。与产生可变电压的传感器相比，具有电流输出的压力传感器信号不太可能受到电噪声干扰。

使用电流输出传感器的另一大优点是故障排除。有一种标准方法可以确定传感器是否正常工作。如果电压传感器返回 0 V 值，则可能是真正的零，但也可能意味着电线已被切断或传感器没有通电。相比之下，4-20 mA 传感器配置为 4 mA 输出代表零压力，20 mA 输出代表全额定压力(可能为 3000 或 5000 psi，具体取决于所选传感器)。如果控制器上的模拟输入看到来自这些压力传感器之一的 0 mA 电流，则它知道电线已被切断或电源已关闭。

将运动控制器连接到模拟压力传感器需要模数信号转换。为了使接口任务尽可能简单，机器制造商应该寻找内置 A-D 转换器的液压运动控制器。使用这样的控制器，传感器的输出可以直接连接到控制器的模拟输入。

图1 可以使用安装在活塞两侧的运动控制器和压力传感器来执行精确的压力或力控制

位置、位置、位置——压力传感器在系统中的安装位置是实现良好运行的关键因素。最好将压力传感器安装在尽可能靠近液压缸上的目标点的位置，如图 1 所示。原因如下：

首先，与阀块内部的狭窄油口相比，油液在液压缸较大区域中的流动紊流值小很多。紊流会导致读数“嘈杂”，并可能导致压力读数降低。伯努利方程可以阐明这一点。然而，如果您只对无流量时的压力感兴趣，则这可能不是太重要。

其次，实际测量需求点和压力传感器之间的距离会导致延迟。压力波在油中以声速传播——大约 4.5 英尺/毫秒。距实际测量点 45 英尺的压力传感器在观察关键位置处的液压变化之前将有 10 毫秒的延迟。购买响应时间为 200 微秒的压力传感器，只是将其安装在远离实际测量点的地方是没有意义的。

图 2. 通过压辊下方的不同厚度的板材可能会导致液压峰值

第三，随着距离的增加，高频流体压力变化往往会减弱，因此距离压力传感器一定距离处发生的压力峰值的严重程度可能无法被检测到。压力传感器通常安装在实际测量需求点和传感器之间的油口上。这可以保护容易出现压力峰值的系统中的传感器，但会降低控制响应的保真度。最好是解决压力峰值的原因，而不是解决它们。

保护压力传感器当承受极端压力峰值时，压力传感器可能会发生故障。因此，应选择它们来处理大于应用中预期出现的压力峰值。但压力峰值有可能超出预期。保护传感器的一个好方法是在控制阀和液压缸活塞之间使用小型蓄能器。然而，这是一种糟糕的设计实践，因为蓄能器会减慢控制系统的响应，从而干扰力控制。但将蓄能器预充压力高于系统压力，将防止其在正常运动或压力控制期间吸油，因此不会发生性能下降。如果出现压力峰值，它将被蓄能器吸收。蓄能器不需要很大。通常，只需要吸收几立方英寸的油。

即使系统运行完美，也可能会出现尖峰。例如，锯木厂的刨床有一个压辊，在刨削时使用液压缸施加压力将木板压住，如图 2 所示。压辊通常会依次滚动每块木板，但木板通常不会滚动。厚度全部相同。如果一块板的顶面比前一块板高 18 英寸，则卷筒将被向上推 18 英寸。这可能会导致压力快速峰值，因为阀门无法立即响应卷筒的移动。然而，对于一个2英寸的液压缸，小型蓄能器只需吸收0.4立方英寸的油。这是少量的油，但可以可靠地保护压力传感器免受损坏。

结论通过正确选择、安装和保护压力传感器，设计人员可以极大地提高许多需要快速响应压力变化的液压控制应用的可靠性和性能。