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故事
夕阳下的挖掘机

应用

液压系统和电路中的压力要求

在过去二十年中,液压行业受益于电子技术的进步、IoT(物联网)的广泛采用、技术成本的降低和元件小型化。 另外,液压行业在从传统压力开关转向压力传感器和传感器时,面临的挑战有所增加。这些挑战包括压力增加、工作温度升高、部署到危险和严苛环境中以及压力瞬变。这些是设计人员和系统集成人员面临的挑战,如果不加以适当解决,可能会导致项目延迟或现场可靠性问题。这些压力测量设备也发生了改变,从传感元件和整体机械封装到电子输出信号和信号调节都发生了转变。本文将回顾压力传感器背后的技术、这些传感器面临的常见机械挑战以及 TE Connectivity (TE) M9100 压力传感器在这些具有挑战性的环境中的性能表现。

感应技术

深入了解传感器

压力传感器从外观上看起来差不多,但传感器制造商的核心传感元件差异很大。在经济和技术上可行的最常见方法之一是使用应变片作为传感元件,将隔离膜上的应力产生的机械张力传输到准确且可重复的电子输出信号中。TE 在惠斯通电桥配置中使用其 Microfused 应变片技术将应力转换为电压输出信号。TE 将传感元件设计为与螺纹端口集成的单个加工元件。这种优化的设计提供了来自传感元件的强大信号,并提供了高水平的过压和爆破性能。

TE 使用玻璃粘合工艺将硅应变片熔合到金属端口。应变片设置在最佳位置,可正确度量随压力变化的应力大小。使用了经过行业验证的导线连接工艺在应变片和信号调理电子设备之间建立连接。液压传感器市场中存在竞争关系的技术,如薄膜沉积、厚膜和陶瓷基板技术,利用具有低灵敏度感应元件的独立隔离膜。这些技术需要在流体路径、内部 O 型环中进行额外焊接,或需要额外的加工步骤,来驱动较长的供应链备货周期。替代技术可能需要高应变的传感元件,以补偿低灵敏度。这些高应变和多件式结构可导致长期稳定性和耐久性降低。数十年来,TE 的 Microfused 应变片技术已在大批量生产中得到验证,供应链中断的风险较低,并提供可靠的单件式流体连接,降低了内部传感器故障的风险和其他机械挑战。

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机械挑战

由于压力传感器是作为液压系统的一部分安装的,因此在设计中就应确认和解决各种机械上的问题。以下是系统设计人员在设计过程中通常需要考虑的液压系统中的相关因素:

  • 工作压力
  • 压力峰值
  • 防护压力
  • 流体连接
  • 爆破压力
  • 振动/机械冲击
  • 压力疲劳
  • 环境耐久性

所有这些问题都通过传感器设计和验证来解决。过压评级、爆破压力评级、疲劳分析和压力减震器的使用都是 TE 设计过程的一部分,并通过模拟和实证测试进行验证。

工作压力范围

简单来说,这是需要系统控制或反馈的压力范围。在典型的运行状态下,系统将始终保持在此范围内。此范围之外的压力通常不需要测量。

防护压力

在系统设计中,通常要考虑超过预设范围但不应对系统造成损害的压力事件。通常预期在过压事件后,系统将恢复正常功能。TE 将耐受压力指定为可应用于传感元件而不导致压力传感器的输出特性或精确度发生永久改变的压力。

爆破压力

在系统层面,可能存在潜在的故障模式,导致系统承受过大压力,从而面临压力遏制失败的风险。TE 基于理论设计并以实证方式验证了其压力传感器,确定了传感器可承受且不破裂的最小压力。

压力疲劳

压力疲劳通常见于有泵或阀门持续引发系统压力波动的系统中。这些波动的幅度和频率各有不同。泵可能会产生振幅很小的高频压力振荡,而阀门可能导致显著的压力变化,但频率较低。在某些情况下,情况可能相反。由于不可能预测所有潜在的系统行为,因此 TE 的 M9100 经过从 0 到满量程压力周期的测试,高达 1000 万次循环,并经过理论上的验证,确认应力保持在疲劳极限以下,在操作范围内提供基本无限制的寿命,且通常在防护压力范围内。需要指出的是,由于 TE 的传感元件比同类竞品敏感得多,应力非常低,因此完全无需担心压力疲劳问题。

压力峰值

液压系统中最隐蔽的挑战可能是甚高频压力瞬变,通常称为“压力峰值”,有时也称为水锤效应。在阀门启动过程中可能出现压力峰值;会因系统架构或将空气引入液压泵而产生压力波。压力峰值的典型特征是压力超速(通常为微秒)增加到超高振幅(可能是 10 倍的工作压力)。压力峰值的发生速度可能非常快,以至于常规压力传感器可能无法检测到它的发生。而这种现象可能会永久损坏压力传感器,导致永久零点偏移、传感器对压力响应失败或使隔离膜破裂致使流体泄漏到传感器外壳中。通常,客户没有适当的设备来正确识别系统中的压力峰值,如果使用采用正确技术的压力传感器会有所帮助。TE M9100 的坚固设计和可选配的减震器可减少压力峰值造成的潜在故障模式。

压力传感器液压系统
流体连接

另一个需要考虑的机械因素是与液压回路的连接。我们有多种螺纹连接产品可供选择,这些产品在全球范围内都很受欢迎,包括 SAE(北美)、G 系列(欧洲、中东和非洲)和公制(亚太地区)。TE 在 SAE J1926 或 ISO 1179 等历史行业标准方面积累了长期经验,并始终能满足不断变化的需求。每个螺纹连接都有自己的评级;随着高压应用在液压行业越来越普遍,应采取额外的预防措施,以确保压力传感器得到适当的评级、固定和扭矩设置。

振动/机械冲击

在传感器行业中,机械冲击和振动一直以来都是一起考虑的因素。由于压力传感器所应用的特定机械环境,压力传感器通常会暴露在公路和非公路环境中。从柴油发动机的高频振动到叉车将重物卸至地面的冲击,这些情况要求压力传感器能够免受“冲击和振动”的不利影响。 

环境耐久性

环境耐久性对于任何产品确保满足环境极端要求并提供长期可靠服务至关重要。压力传感器需要考虑机械设计和材料选择,以确保在使用寿命内的适应性和可靠性,但也需要考虑这些环境条件对传感器长期性能的影响。我们回顾了压力传感器面临的常见机械挑战,现在来了解 TE 的 M9100 重型压力传感器的坚固设计,其设计旨在解决关键液压机械的机械挑战

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坚固设计

M9100 压力传感器的坚固设计和可靠性能可以满足重型应用的压力传感需求。TE 的 M9100 传感器是液压耐久性最好的传感器之一。M9100 的设计既简单又耐用,可满足或超过严苛应用的要求。配置了多个电路板、内部配线和多个焊接互连部分的复杂设计通常更容易发生早期故障和现场功能可靠性问题。M9100 的设计简单、紧凑、耐用,因为已经最大程度地消除了故障模式。压力传感器通过单个印刷电路板设计实现了其紧凑的占用面积。传感器中的所有焊接接头都通过自动取放设备以及回流焊接得到很好的控制。传感器内没有手工焊接接头或焊接的互连内容,也没有板堆叠。

单件式加工不锈钢传感隔离膜结构消除了对焊接和粘合等额外的组装步骤的需求。该结构产生的应变度较低,具有出众的耐压、抗爆破、抗疲劳和抗压力峰值的能力,从而降低设计过程中和现场出现问题的风险。与其他技术相比,Microfused 传感器具有极厚的隔离膜。这使得传感器更能抵抗压力峰值的损害,并完全抑制这些压力事件。此外,TE 的 M9100 还具有可选的一体式减震器,可进一步降低压力峰值的速度和振幅。由于采用集成设计,不再需要独立元件。传感器的内部主体使用 O 型环与外部环境完全隔离。此设计可保护传感器的内部元件免受盐沫、潮湿、高压冲洗和浸没影响。

用于液压传感器的德驰 DT 连接器
与重型连接系统兼容

M9100 压力传感器适合大型耐用连接系统,如 TE 的德驰 DT 连接器系列,这是一流的防侵入保护设备之一。德驰连接系统结合坚固的传感器设计,使传感器焕发新生,能够在各种恶劣条件下生存,并消除了盐沫、潮湿、灰尘或水渗入产品而导致故障的风险。为设计选择的材料所能耐受的温度超过产品的工作温度范围。所选的热塑材料、粘合剂和电子元件(包括 AEC-Q100 额定 ASIC)有助于增加产品对极端温度、阳光、氧气或重型设备应用中常见化学物质的抵御能力

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M9100 压力传感器性能

液压机械及其元件必须能够在极端条件下可靠工作。压力传感器的核心是一个非常复杂的机电系统。压力传感器的功能是将系统中的压力转换为电气输出。在物理层面上,所用策略是将表面“隔离膜”中的应力转换为与施加的压力成正比且可重复的电气输出。但由于所使用的元件容易受到几乎所有其他环境因素的影响,所以增加了复杂度。

应变片技术

本文之前介绍的 TE 的应变片技术已经过数十年的开发和优化,旨在最大程度减少错误源,提供高敏感度和可重复的压力输出。之后可使用应用特定集成电路 (ASIC) 修正和放大此输出信号。此 ASIC 可修正非线性输出、热误差和电源电压变化引起的误差。此误差修正过程将基本性能定义简化为简单术语,即总误差范围。总误差范围是 ASIC 无法修正的所有剩余误差的范围(包括零件到零件和批次到批次的差异),并被定义为用户在补偿温度范围内将经历的最大误差。M9100 使用包含诊断功能的 AEC-Q100 合格 ASIC。诊断确认传感器工作正常,减少了输出信号错误的可能性。

在较大的温范围(-40°C 至 +125°C)使用总误差范围规范可简化人们对系统内传感器性能的预测。ASIC 还负责传感器的信号调节,从硅应变片中获取信号并将其转换为放大的模拟信号。虽然 ASIC 修正了可重复的误差,但同样的环境影响还可能导致不可重复的误差,最常见的是随时间推移而产生偏移。偏移被定义为传感器的输出基于时间的变化。这种影响可能来自多种来源,包括隔离膜中机械应力的变化(蠕变或应力释放);由于电力效应或机械效应发生的传感元件物理变化,或电气连接或保护凝胶的电阻系数改变。压力周期、过压、温度影响、温度循环和湿度都可能导致这种长期偏移。TE 在 Microfused 应变片技术和已知环境偏移因素方面的长期经验使 TE 能够实现优异设计和加工,为客户提供稳定的产品。从概念到通过验证测试,TE 的 Microfused 应变片是一流的传感技术之一。

高 EMI 保护

随着设备内部和设备周围开始出现数据通信,设备的电气环境变得越来越复杂。传感器所处环境中的电气噪声在不断增加,如果传感器没有得到适当保护,可能会导致信号干扰。M9100 通过了 ISO 11452-2 辐射易感性验证,使产品能够在电气噪声附近工作,并可以安装在 EMI 排放元件附近。M9100 可抵抗高达 200mA 的 BCI(大电流注入)干扰,满足 ISO 11452-4 要求。此外,较高的电源电气保护等级也使传感器能够更加可靠地应对不佳的电源控制,并降低发生系统问题的风险。虽然建议设计不允许反向连接的配线系统,但 M9100 可以抵抗高达 28 VDC 的过压、高达 16 VDC 的反向电源电压以及 V(+) 或 GND 的短路模拟输出,而不会损坏。请参阅 M9100 数据表,了解产品已通过验证的电气测试规范的完整列表。

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结论

液压系统是工商业运输系统的重要组成部分。液压行业在从传统压力开关转向压力传感器和传感器时,面临的挑战有所增加,如压力增加、工作温度升高、部署到危险和严苛环境中以及液压回路内的压力瞬变。TE Connectivity 的 M9100 压力传感器的坚固设计和可靠性能能够克服这些挑战并满足重型应用的压力传感需求。

  1. M9100 压力传感器概述(英文版)

TE Connectivity 的 M9100 液压传感器可测量极端条件下高达 700 bar 的流体压力。M9100 的坚固设计和可靠性能可以满足重型应用的压力传感需求。

相关资料
夕阳下的挖掘机

应用

液压系统和电路中的压力要求

在过去二十年中,液压行业受益于电子技术的进步、IoT(物联网)的广泛采用、技术成本的降低和元件小型化。 另外,液压行业在从传统压力开关转向压力传感器和传感器时,面临的挑战有所增加。这些挑战包括压力增加、工作温度升高、部署到危险和严苛环境中以及压力瞬变。这些是设计人员和系统集成人员面临的挑战,如果不加以适当解决,可能会导致项目延迟或现场可靠性问题。这些压力测量设备也发生了改变,从传感元件和整体机械封装到电子输出信号和信号调节都发生了转变。本文将回顾压力传感器背后的技术、这些传感器面临的常见机械挑战以及 TE Connectivity (TE) M9100 压力传感器在这些具有挑战性的环境中的性能表现。

感应技术

深入了解传感器

压力传感器从外观上看起来差不多,但传感器制造商的核心传感元件差异很大。在经济和技术上可行的最常见方法之一是使用应变片作为传感元件,将隔离膜上的应力产生的机械张力传输到准确且可重复的电子输出信号中。TE 在惠斯通电桥配置中使用其 Microfused 应变片技术将应力转换为电压输出信号。TE 将传感元件设计为与螺纹端口集成的单个加工元件。这种优化的设计提供了来自传感元件的强大信号,并提供了高水平的过压和爆破性能。

TE 使用玻璃粘合工艺将硅应变片熔合到金属端口。应变片设置在最佳位置,可正确度量随压力变化的应力大小。使用了经过行业验证的导线连接工艺在应变片和信号调理电子设备之间建立连接。液压传感器市场中存在竞争关系的技术,如薄膜沉积、厚膜和陶瓷基板技术,利用具有低灵敏度感应元件的独立隔离膜。这些技术需要在流体路径、内部 O 型环中进行额外焊接,或需要额外的加工步骤,来驱动较长的供应链备货周期。替代技术可能需要高应变的传感元件,以补偿低灵敏度。这些高应变和多件式结构可导致长期稳定性和耐久性降低。数十年来,TE 的 Microfused 应变片技术已在大批量生产中得到验证,供应链中断的风险较低,并提供可靠的单件式流体连接,降低了内部传感器故障的风险和其他机械挑战。

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机械挑战

由于压力传感器是作为液压系统的一部分安装的,因此在设计中就应确认和解决各种机械上的问题。以下是系统设计人员在设计过程中通常需要考虑的液压系统中的相关因素:

  • 工作压力
  • 压力峰值
  • 防护压力
  • 流体连接
  • 爆破压力
  • 振动/机械冲击
  • 压力疲劳
  • 环境耐久性

所有这些问题都通过传感器设计和验证来解决。过压评级、爆破压力评级、疲劳分析和压力减震器的使用都是 TE 设计过程的一部分,并通过模拟和实证测试进行验证。

工作压力范围

简单来说,这是需要系统控制或反馈的压力范围。在典型的运行状态下,系统将始终保持在此范围内。此范围之外的压力通常不需要测量。

防护压力

在系统设计中,通常要考虑超过预设范围但不应对系统造成损害的压力事件。通常预期在过压事件后,系统将恢复正常功能。TE 将耐受压力指定为可应用于传感元件而不导致压力传感器的输出特性或精确度发生永久改变的压力。

爆破压力

在系统层面,可能存在潜在的故障模式,导致系统承受过大压力,从而面临压力遏制失败的风险。TE 基于理论设计并以实证方式验证了其压力传感器,确定了传感器可承受且不破裂的最小压力。

压力疲劳

压力疲劳通常见于有泵或阀门持续引发系统压力波动的系统中。这些波动的幅度和频率各有不同。泵可能会产生振幅很小的高频压力振荡,而阀门可能导致显著的压力变化,但频率较低。在某些情况下,情况可能相反。由于不可能预测所有潜在的系统行为,因此 TE 的 M9100 经过从 0 到满量程压力周期的测试,高达 1000 万次循环,并经过理论上的验证,确认应力保持在疲劳极限以下,在操作范围内提供基本无限制的寿命,且通常在防护压力范围内。需要指出的是,由于 TE 的传感元件比同类竞品敏感得多,应力非常低,因此完全无需担心压力疲劳问题。

压力峰值

液压系统中最隐蔽的挑战可能是甚高频压力瞬变,通常称为“压力峰值”,有时也称为水锤效应。在阀门启动过程中可能出现压力峰值;会因系统架构或将空气引入液压泵而产生压力波。压力峰值的典型特征是压力超速(通常为微秒)增加到超高振幅(可能是 10 倍的工作压力)。压力峰值的发生速度可能非常快,以至于常规压力传感器可能无法检测到它的发生。而这种现象可能会永久损坏压力传感器,导致永久零点偏移、传感器对压力响应失败或使隔离膜破裂致使流体泄漏到传感器外壳中。通常,客户没有适当的设备来正确识别系统中的压力峰值,如果使用采用正确技术的压力传感器会有所帮助。TE M9100 的坚固设计和可选配的减震器可减少压力峰值造成的潜在故障模式。

压力传感器液压系统
流体连接

另一个需要考虑的机械因素是与液压回路的连接。我们有多种螺纹连接产品可供选择,这些产品在全球范围内都很受欢迎,包括 SAE(北美)、G 系列(欧洲、中东和非洲)和公制(亚太地区)。TE 在 SAE J1926 或 ISO 1179 等历史行业标准方面积累了长期经验,并始终能满足不断变化的需求。每个螺纹连接都有自己的评级;随着高压应用在液压行业越来越普遍,应采取额外的预防措施,以确保压力传感器得到适当的评级、固定和扭矩设置。

振动/机械冲击

在传感器行业中,机械冲击和振动一直以来都是一起考虑的因素。由于压力传感器所应用的特定机械环境,压力传感器通常会暴露在公路和非公路环境中。从柴油发动机的高频振动到叉车将重物卸至地面的冲击,这些情况要求压力传感器能够免受“冲击和振动”的不利影响。 

环境耐久性

环境耐久性对于任何产品确保满足环境极端要求并提供长期可靠服务至关重要。压力传感器需要考虑机械设计和材料选择,以确保在使用寿命内的适应性和可靠性,但也需要考虑这些环境条件对传感器长期性能的影响。我们回顾了压力传感器面临的常见机械挑战,现在来了解 TE 的 M9100 重型压力传感器的坚固设计,其设计旨在解决关键液压机械的机械挑战

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坚固设计

M9100 压力传感器的坚固设计和可靠性能可以满足重型应用的压力传感需求。TE 的 M9100 传感器是液压耐久性最好的传感器之一。M9100 的设计既简单又耐用,可满足或超过严苛应用的要求。配置了多个电路板、内部配线和多个焊接互连部分的复杂设计通常更容易发生早期故障和现场功能可靠性问题。M9100 的设计简单、紧凑、耐用,因为已经最大程度地消除了故障模式。压力传感器通过单个印刷电路板设计实现了其紧凑的占用面积。传感器中的所有焊接接头都通过自动取放设备以及回流焊接得到很好的控制。传感器内没有手工焊接接头或焊接的互连内容,也没有板堆叠。

单件式加工不锈钢传感隔离膜结构消除了对焊接和粘合等额外的组装步骤的需求。该结构产生的应变度较低,具有出众的耐压、抗爆破、抗疲劳和抗压力峰值的能力,从而降低设计过程中和现场出现问题的风险。与其他技术相比,Microfused 传感器具有极厚的隔离膜。这使得传感器更能抵抗压力峰值的损害,并完全抑制这些压力事件。此外,TE 的 M9100 还具有可选的一体式减震器,可进一步降低压力峰值的速度和振幅。由于采用集成设计,不再需要独立元件。传感器的内部主体使用 O 型环与外部环境完全隔离。此设计可保护传感器的内部元件免受盐沫、潮湿、高压冲洗和浸没影响。

用于液压传感器的德驰 DT 连接器
与重型连接系统兼容

M9100 压力传感器适合大型耐用连接系统,如 TE 的德驰 DT 连接器系列,这是一流的防侵入保护设备之一。德驰连接系统结合坚固的传感器设计,使传感器焕发新生,能够在各种恶劣条件下生存,并消除了盐沫、潮湿、灰尘或水渗入产品而导致故障的风险。为设计选择的材料所能耐受的温度超过产品的工作温度范围。所选的热塑材料、粘合剂和电子元件(包括 AEC-Q100 额定 ASIC)有助于增加产品对极端温度、阳光、氧气或重型设备应用中常见化学物质的抵御能力

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M9100 压力传感器性能

液压机械及其元件必须能够在极端条件下可靠工作。压力传感器的核心是一个非常复杂的机电系统。压力传感器的功能是将系统中的压力转换为电气输出。在物理层面上,所用策略是将表面“隔离膜”中的应力转换为与施加的压力成正比且可重复的电气输出。但由于所使用的元件容易受到几乎所有其他环境因素的影响,所以增加了复杂度。

应变片技术

本文之前介绍的 TE 的应变片技术已经过数十年的开发和优化,旨在最大程度减少错误源,提供高敏感度和可重复的压力输出。之后可使用应用特定集成电路 (ASIC) 修正和放大此输出信号。此 ASIC 可修正非线性输出、热误差和电源电压变化引起的误差。此误差修正过程将基本性能定义简化为简单术语,即总误差范围。总误差范围是 ASIC 无法修正的所有剩余误差的范围(包括零件到零件和批次到批次的差异),并被定义为用户在补偿温度范围内将经历的最大误差。M9100 使用包含诊断功能的 AEC-Q100 合格 ASIC。诊断确认传感器工作正常,减少了输出信号错误的可能性。

在较大的温范围(-40°C 至 +125°C)使用总误差范围规范可简化人们对系统内传感器性能的预测。ASIC 还负责传感器的信号调节,从硅应变片中获取信号并将其转换为放大的模拟信号。虽然 ASIC 修正了可重复的误差,但同样的环境影响还可能导致不可重复的误差,最常见的是随时间推移而产生偏移。偏移被定义为传感器的输出基于时间的变化。这种影响可能来自多种来源,包括隔离膜中机械应力的变化(蠕变或应力释放);由于电力效应或机械效应发生的传感元件物理变化,或电气连接或保护凝胶的电阻系数改变。压力周期、过压、温度影响、温度循环和湿度都可能导致这种长期偏移。TE 在 Microfused 应变片技术和已知环境偏移因素方面的长期经验使 TE 能够实现优异设计和加工,为客户提供稳定的产品。从概念到通过验证测试,TE 的 Microfused 应变片是一流的传感技术之一。

高 EMI 保护

随着设备内部和设备周围开始出现数据通信,设备的电气环境变得越来越复杂。传感器所处环境中的电气噪声在不断增加,如果传感器没有得到适当保护,可能会导致信号干扰。M9100 通过了 ISO 11452-2 辐射易感性验证,使产品能够在电气噪声附近工作,并可以安装在 EMI 排放元件附近。M9100 可抵抗高达 200mA 的 BCI(大电流注入)干扰,满足 ISO 11452-4 要求。此外,较高的电源电气保护等级也使传感器能够更加可靠地应对不佳的电源控制,并降低发生系统问题的风险。虽然建议设计不允许反向连接的配线系统,但 M9100 可以抵抗高达 28 VDC 的过压、高达 16 VDC 的反向电源电压以及 V(+) 或 GND 的短路模拟输出,而不会损坏。请参阅 M9100 数据表,了解产品已通过验证的电气测试规范的完整列表。

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结论

液压系统是工商业运输系统的重要组成部分。液压行业在从传统压力开关转向压力传感器和传感器时,面临的挑战有所增加,如压力增加、工作温度升高、部署到危险和严苛环境中以及液压回路内的压力瞬变。TE Connectivity 的 M9100 压力传感器的坚固设计和可靠性能能够克服这些挑战并满足重型应用的压力传感需求。

  1. M9100 压力传感器概述(英文版)

TE Connectivity 的 M9100 液压传感器可测量极端条件下高达 700 bar 的流体压力。M9100 的坚固设计和可靠性能可以满足重型应用的压力传感需求。