CN202102109U - 一种油缸活塞位移检测装置及工程机械 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种油缸活塞位移检测装置及工程机械。该油缸活塞位移检测装置包括超声波传感器、时间检测芯片、压力传感器和处理器。本实用新型使用超声波在液压油中的传播时间来检测活塞位移，其体积小、易于安装、不会形成碰撞，因而受外部环境的影响小，具有工作稳定性高、精度好的优点。此外，本实用新型还具有测量误差低、寿命长、实用性强、设备成本低廉、控制简单、可移植性强、检修方便等优点。

Description

一种油缸活塞位移检测装置及工程机械

技术领域

本实用新型涉及工程机械及传感器，具体地说，涉及一种油缸活塞位移检测装置及工程机械。

背景技术

现有的汽车起重机主臂伸缩油缸中，常使用拉线长度传感器作为油缸活塞的位移检测装置，通过将拉线安装在油缸两头直接测量油缸的活塞位移。拉线长度传感器采用的是一种机械介入式测量方式，经常受外部各种环境如灰尘、雨水、机械碰撞等影响，且频繁地进行伸缩操作，容易造成损坏，对其工作稳定性和精度造成不利影响。

由于主臂伸缩油缸活塞位移的检测是汽车起重机的一项关键数据，直接影响到汽车起重机的正常运行。因此，迫切需要一种工作稳定、精度高、易于安装的油缸活塞位移检测装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种油缸活塞位移检测装置，其是一种非机械介入式检测装置，克服了现有技术容易损害、工作稳定性差、精度低的缺陷。

本实用新型的油缸活塞位移检测装置，所使用的油缸包括相对移动的第一部件和第二部件，所述油缸活塞位移检测装置包括：

超声波传感器，所述超声波传感器设置于所述第一部件上，所述超声波传感器向所述第二部件发送超声波，并接收从第二部件反射的超声波；

时间检测芯片，所述时间检测芯片与所述超声波传感器连接，用于检测所述超声波传感器发送超声波和接收反射超声波的时间差；

压力传感器，所述压力传感器用于检测液压油压力；

处理器，所述处理器与所述时间检测芯片、压力传感器连接，用于根据所述时间差、压力计算油缸活塞位移。

作为上述技术方案的优选，所述油缸活塞位移检测装置还包括：

温度传感器，所述温度传感器与所述处理器连接，用于检测液压油温度，所述处理器计算活塞油缸位移时还依据所述温度。

作为上述技术方案的优选，所述油缸活塞位移检测装置还包括：

通信接口，所述通信接口与所述处理器连接，用于实现与外部控制器的通信连接。

作为上述技术方案的优选，所述油缸活塞位移检测装置还包括：

电源接口，通过所述电源接口对超声波传感器、时间检测芯片、压力传感器、温度传感器和处理器中的一个或多个进行供电。

作为上述技术方案的优选，所述超声波传感器、压力传感器和温度传感器设置于同一壳体内。

作为上述技术方案的优选，所述壳体设置于油缸的底部或顶部。

本实用新型的另一个目的在于提供一种工程机械，所述工程机械使用前述的油缸活塞位移检测装置。

作为上述技术方案的优选，所述工程机械具体为汽车起重机。

作为上述技术方案的优选，所述汽车起重机的主臂伸缩油缸、变幅油缸和支腿油缸中的一个或几个使用前述的油缸活塞位移检测装置。

本实用新型的油缸活塞位移检测装置及工程机械，使用超声波在液压油中的传播时间来检测活塞位移，是一种非接触式的检测方式，其体积小、易于安装、不会形成碰撞，因而受外部环境的影响小，具有工作稳定性高、精度好的优点。此外，本实用新型没有机械接触和动作，在油缸进行频繁伸缩动过程中不会造成任何损坏，因此使用寿命长。此外，本实用新型还具有测量误差低、实用性强、设备成本低廉、控制简单、可移植性强、检修方便等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的油缸活塞位移检测装置的结构框图；

图2a是本实用新型一实施例的油缸活塞位移检测装置的安装示意图；

图2b是本实用新型另一实施例的油缸活塞位移检测装置的安装示意图；

图3a是液压油中声速与压力的关系图；

图3b是液压油中声速与温度的关系图；

图3c是液压油中不同温度下声速与压力的关系图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1所示是本实用新型一实施例的油缸活塞位移检测装置的结构框图，从图中可以看出，本实用新型的油缸活塞位移检测装置至少包括超声波传感器11、时间检测芯片14、压力传感器12和处理器15。超声波传感器11设置于油缸20的第一部件上，向第二部件发送超声波，并接收从第二部件反射的超声波。油缸的第一部件和第二部件之间相对移动，在第一部件为缸体时，第二部件为活塞30；在第一部件为活塞30时，则第二部件为缸体。超声波传感器11既可以设置在缸体上，也可以设置在活塞30，只要在两者之间发送并接收超声波，就可以实现本实用新型的技术效果，本实用新型并不受限于此。

作为另一个优选实施例，本实用新型的油缸活塞位移检测装置还可以包括温度传感器13，以满足温度变化明显的油缸环境中。在该类油缸(比如汽车起重机主臂伸缩油缸)中，油缸工作的温度变化将会对超声波的声速产生较大的影响。

为了便于超声波传感器11的稳定工作，优选超声波传感器11设置于油缸20的缸体底部或顶部上(如图2a或图2b所示)，向活塞30发送超声波，并接收从活塞30反射的超声波。超声波传感器11的超声波探头即可以发送超声波，也可以接收超声波，优选发送或接收超声波的方向(如图2a或图2b中箭头所示方向)与活塞30的移动方向平行。

时间检测芯片14与超声波传感器11连接，用于检测超声波传感器11发送超声波和接收反射超声波的时间差Δt。压力传感器12和温度传感器13用于分别检测液压油的压力p和温度t，以便于根据压力和温度对活塞位移进行修正。本领域技术人员可以将压力传感器12和温度传感器13设置在油缸20内的多个位置，以感测液压油的压力和温度。作为优选，超声波传感器11、压力传感器12和温度传感器13设置于同一壳体10内，以形成三位一体的结构。如图2a或图2b所示，该壳体10可以设置于油缸20的底部或顶部，以形成图中所示的安装位置，从而使整体结构体积小、易于安装、不会形成碰撞。

处理器15与时间检测芯片14、压力传感器12和温度传感器13连接，用于根据时间差Δt、压力p和温度t计算油缸活塞位移。在处理器15内可以预置根据时间差Δt、压力p和温度t计算油缸活塞位移L的计算公式(将在下文进行说明)。

上述处理器15可以将计算结果输出至多个终端，也可以直接输出至与处理器15连接的显示装置上。作为本实用新型的一个实施例，上述油缸活塞位移检测装置还包括通信接口16，该通信接口16与处理器15连接，用于实现与外部控制器的通信连接。此外，超声波传感器11、时间检测芯片14、压力传感器12、温度传感器13和处理器15中的一个或多个可以具有内置的电源以对其供电。优选地，上述油缸活塞位移检测装置还包括电源接口17，通过电源接口17对超声波传感器11、时间检测芯片14、压力传感器12、温度传感器13和处理器15中的一个或多个进行供电。

本实用新型的上述油缸活塞位移检测装置，采用超声波在液压油中的传播时间会随传播距离有线性关系的原理，再配合压力补偿和温度补偿来测量油缸活塞位移。超声波在均匀的媒质里传播速度一定，不随声波频率变化而变化，因此只要计算出超声波从A地传播到B地的时间，就能计算出AB两地之间的距离。本实用新型的油缸活塞位移L可以用下式表：

L＝(c ×Δt)/2    (5-1)

式中：L-油缸活塞位移；

c-声波在媒质中的传播速度；

Δt-超声波传感器11发送超声波和接收反射超声波的时间差。

从上式可以看出，声速c的变化会对测距产生很大的误差。对于Kneser液体(以二硫化碳为例)，在全压范围内声速变化20％左右，在全温范围内声速变化22％左右，这个误差在高压的液压系统的影响特别大。因此，需要对声速进行压力补偿和温度补偿。

液压油的化学性质主要由炳类决定，炳类物质按照声学特性属于Kneser液体。根据《声学手册》中提供的数据，如图3a所示，在一定温度下声速随压力的增加而线性地增加；如图3b所示，在一定压力下声速随温度的增加而线性地减少；如图3c所示，不同温度下压力影响随温度增加而线性减少。

因此，存在以下关系式：

c＝C₀+k×(p-P₀)    (5-2)

k＝k₀+k₁(t-T₀)     (5-3)

式中：c-实时声速  C₀-常温常压下的声速

p-实时压力    P₀-正常压力

t-实时温度    T₀-正常温度

k-声速相对于压力的变化率

k₀-常温下声速相对于压力的变化率，为正数

k₁-k相对温度于的变化率，为负数

在液压油一定的情况下，系数k₀和k₁是一个定值。将公式5-2和公式5-3并入公式5-1，就可以得到如下的高精度的油缸活塞位移的计算公式5-4：

L＝{C₀+[k₀+k₁(t-T₀)](p-P₀)}Δt/2(5-4)

将上述公式预置入处理器15内，处理器15就可以根据时间差、压力和温度以及各参数计算出高精度的油缸活塞位移。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果表现在以下几个方面：

1)本实用新型使用超声波在液压油中的传播时间来检测活塞位移，是一种非接触式的检测方式，其体积小、易于安装、不会形成碰撞，因而受外部环境的影响小，具有工作稳定性高、精度好的优点

2)本实用新型没有机械接触和动作，在油缸进行频繁伸缩动过程中不会造成任何损坏，因此使用寿命长。

3)本实用新型同时使用压力传感器和温度传感器，两传感器之间可以起到相互牵制的作用，从而平衡声速测量中造成的误差，使得测量误差降到最低。

4)本实用新型实用性强、设备成本低廉、控制简单、可移植性强、检修方便。

因此，本实用新型的优点是显而易见的。

除了上述油缸活塞位移检测装置，本实用新型还提供包括上述油缸活塞位移检测装置的工程机械。该工程机械的其他结构参考现有技术，本文不再赘述。优选地，该工程机械具体为汽车起重机，可以在该汽车起重机的主臂伸缩油缸、变幅油缸和支腿油缸中的一个或几个使用前述的油缸活塞位移检测装置。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种油缸活塞位移检测装置，所述油缸包括相对移动的第一部件和第二部件，其特征在于，所述油缸活塞位移检测装置包括：

超声波传感器，所述超声波传感器设置于所述第一部件上，所述超声波传感器向所述第二部件发送超声波，并接收从第二部件反射的超声波；

时间检测芯片，所述时间检测芯片与所述超声波传感器连接，用于检测所述超声波传感器发送超声波和接收反射超声波的时间差；

压力传感器，所述压力传感器用于检测液压油压力；

处理器，所述处理器与所述时间检测芯片、压力传感器连接，用于根据所述时间差、压力计算油缸活塞位移。

2.根据权利要求1所述的油缸活塞位移检测装置，其特征在于，还包括：

温度传感器，所述温度传感器与所述处理器连接，用于检测液压油温度，所述处理器计算活塞油缸位移时还依据所述温度。

3.根据权利要求2所述的油缸活塞位移检测装置，其特征在于，还包括：

通信接口，所述通信接口与所述处理器连接，用于实现与外部控制器的通信连接。

4.根据权利要求2所述的油缸活塞位移检测装置，其特征在于，还包括：

电源接口，通过所述电源接口对超声波传感器、时间检测芯片、压力传感器、温度传感器和处理器中的一个或多个进行供电。

5.根据权利要求2-4任一项所述的油缸活塞位移检测装置，其特征在于，所述超声波传感器、压力传感器和温度传感器设置于同一壳体内。

6.根据权利要求5所述的油缸活塞位移检测装置，其特征在于，所述壳体设置于油缸的底部或顶部。

7.一种工程机械，其特征在于，所述工程机械使用权利要求1-6任 一项所述的油缸活塞位移检测装置。

8.根据权利要求7所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械具体为汽车起重机。

9.根据权利要求8所述的工程机械，其特征在于，所述汽车起重机的主臂伸缩油缸、变幅油缸和支腿油缸中的一个或几个使用所述油缸活塞位移检测装置。 

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