柴油发电机常用传感器的结构和功能
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新闻主题
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柴油发电机常用传感器的结构和功能 |
摘要：现代柴油发电机组（尤其是电控高压共轨发动机） 严重依赖各种传感器来实现精确控制、优化性能、降低排放、提高可靠性和实现远程监控/诊断。从专业角度出发，柴油发电机传感器的分类可以从多个维度进行，主要依据其监测的功能参数、安装位置和工作原理的不同，并结合温度、压力、转速等关键参数，这对故障诊断和选型很重要。
一、柴发传感器的组成及原理
1、传感器的组成
发电机传感器一般是由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。如图1所示。
（1）敏感元件：直接感受被测量，并且输出与被测量成确定关系的其他量的元件。被测非电量并非都能一次直接变换成为电量，然后再变换为电量。敏感元件又被称为预变换器，如传感器中各类型的弹性元件就是敏感元件。
（2）转换元件：将敏感元件输出的量转换为电参数（电压、电流、频率等）的元件，如电阻应变片、霍尔元件等。
（2）转换电路：一般指将电参数量转换成电量（电压、电流、频率等）的电路。转换电路起转换输出信号的作用，常见的有信号放大器、电桥、振荡器和阻抗变换器等，常与敏感元件、转换元件组装在一起。
以上划分在实际的传感器中并无严格的界限，最简单的传感器只由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它将感受的被测量直接转换为电量输出，如热电偶传感器。有的传感器其敏感元件和转换元件合为一体，如电容式压力传感器。带转换电路的传感器，其转换电路可以与敏感元件、转换元件组装在一起，也可以根据需要将其装在外部电路箱中。
图1 传感器组成示意
2、传感器信号处理与传输流程
柴油发电机传感器的基本原理是将物理量或化学量（如温度、压力、转速、液位等）转换为可测量的电信号（如电压、电流、频率、电阻值变化），供发电机控制器（ECU）或监控系统读取和处理，实现对机组运行状态的精确控制和保护。
（1）敏感元件感知变化：如热敏电阻阻值、压阻膜片形变、霍尔元件磁场变化
（2）转换电路生成标准电信号
① 模拟信号：电压（0–5V）、电流（4–20mA）
② 数字信号：频率、PWM波、CAN总线数据
（3）控制器（ECU）采集与处理
① 模拟信号→ADC（模数转换）→数字值
② 数字信号直接解码
（4）控制决策与执行
① 超温/超压→报警或停机
② 转速信号→调节喷油量维持稳频
③ 氧传感器数据→修正空燃比优化燃烧
表1 柴油发电机传感器转换原理
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传感器类型
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基本原理
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典型应用
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温度传感器
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热敏电阻(PTC/NTC)：电阻值随温度变化（正/负温度系数）。控制器测量电阻值换算温度。
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冷却液温、机油温、环境温度
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热电偶：两种不同金属结点受热产生温差电动势（塞贝克效应），电压大小反映温度。
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排气温度（高温＞600℃）
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压力传感器
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压阻效应：硅膜片受压变形，嵌入的应变电阻阻值变化→惠斯通电桥输出差分电压。
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机油压力、燃油压力、增压压力
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压电效应：石英/陶瓷晶体受压产生电荷（用于动态压力测量）。
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气缸压力（诊断用）
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转速传感器
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电磁感应：齿轮旋转切割磁感线，线圈产生交流电压（频率=转速×齿数）。
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曲轴转速传感器（飞轮齿圈）
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霍尔效应：磁性齿轮转动改变磁场强度→霍尔元件输出方波脉冲信号。
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凸轮轴位置传感器
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液位传感器
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浮子+电位计：浮子随液位升降带动滑臂改变电阻值。
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燃油箱液位
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电容式：液位变化导致电极间介电常数变化→电容值变化→转换为电压信号。
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冷却液膨胀水箱液位
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空气流量传感器
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热膜式：加热膜片置于气流中，气流带走热量导致温度变化→维持恒温所需电流与流量成正比。
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进气量测量（电控发动机必备）
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氧传感器
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氧浓差电池原理：陶瓷锆管两侧氧浓度差产生电动势（0.1–0.9V），反映空燃比。
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排气氧含量（闭环控制燃烧效率）
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振动传感器
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压电加速度计：振动质量块压迫压电晶体产生电荷→电荷量与加速度成正比。
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发动机/发电机轴承振动监测
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电流传感器
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霍尔效应：载流导线磁场作用于霍尔元件→输出比例电压。
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发电机输出电流监测
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烟雾探测器
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光电散射：烟雾颗粒进入光学腔散射红外光→接收器光强变化触发报警。
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机房火灾预警
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二、传感器的名词术语
1、传感器的命名
传感器的命名一般按其工作原理和被测量物理量的种类综合考虑，称为xx式xx传感器。前面xx表示转换元件（将非电量转换为电量）的名称，也是指工作原理的种类，如电阻式、霍尔式等；后面的xx表示传感器的用途，即是指传感器感受的被测量的种类，如位移、压力等。常见的压电式压力传感器、电容式液位传感器等均属于这类传感器的命名方法。
2、传感器的性能术语
传感器的质量优劣，一般是通过若干个主要性能指标来表示。
① 测量范围
测量范围是指测量上限和测量下限之间的区间。如有一温度传感器的测量下限为-50℃，上限为＋100℃，则这个传感器的测量范围就是-50～＋100℃。
② 量程
量程是指所测量上限和下限的代数差。
③ 灵敏度
灵敏度是指传感器输出量的变化值与相应的被测量变化值之比。即是反映传感器对被测量变化的灵敏程度。
④ 精确度（简称精度）
精度是传感器的测量值与被测量（约定真值）的一致程度。
⑤ 非线性（线性度）
非线性是指校准曲线对理想拟合直线的接近程度。
⑥ 重复性
指传感器按同一方向多次重复输入同一输入量，对应的输出值之间相互一致的程度。输出值彼此接近并趋于一致，重复性就好；相反输出值分散性较大，重复性不好。
⑦ 迟滞（变差、回差）
迟滞指传感器在正、反行程中，输入输出曲线的不重合度。一般它是由于传感器内某些元件因分子内的摩擦、间隙及弹性性能等原因造成。
⑧ 稳定度
指在规定工作条件下，传感器在较长的时间内性能保持不变的程度，通常指非线性、迟滞和重复性等指标。
⑨ 漂移
是指在规定条件下，对应一定的输入，一定时间内输出量的变化量。零点漂移是指当输入量为零时，输出量的漂移；满量程漂移是当输入量为满量程时，输出量的漂移；零点温度漂移是在规定的温度范围内，输入量为零时，因温度变化引起的输出量的漂移。
⑩ 阈值和分辨力
阈值是指输入从零开始增加，能引起传感器输出的最小输入量。分辨力是指输入从非零的任意值增加，可观察到输出量变化的最小输入增量。阈值与分辨力的差别就在于分辨力说明的是传感器可以测出的最小输入增量，而阈值则说明传感器可测出的最小输入量。通常，阈值大的传感器，其迟滞必然较大，但是分辨力未必差。
⑪ 频率响应
指保证传感器能够在规定的性能指标下工作的最高频率。传感器频率响应好，说明其能快速测量被测量的变化。
⑫ 响应时间
指输入量为一阶跃值时，传感器输出值有一个过渡过程，经过一定的时间输出值才能稳定下来。这一时间称为响应时间。具有良好频率响应的传感器，其响应时间也短。
三、柴发传感器分类
传感器本身的种类很多，有的传感器适用于不同参数的测量，而对于同一被测量参数又可采用多种不同类型的传感器进行测量。常见的分类方法如表1所列几种。
1、温度传感器
（1）作用： 监测关键部位温度，防止过热损坏。
（2）典型位置：
① 冷却液温度传感器： 发动机缸体水套、散热器进出口。
② 润滑油温度传感器： 油底壳、主油道。
③ 进气温度传感器： 空气滤清器后、增压器后（中冷器后）。
④ 排气温度传感器： 排气歧管、涡轮增压器入口/出口、后处理装置（DPF, SCR）前后。 (非常重要，特别是对于高功率或带后处理的机组)
⑤ 轴承温度传感器： 发电机轴承、发动机主轴承（大型机组）。
⑥ 绕组温度传感器： 发电机定子绕组（大型或关键机组）。
⑦ 环境温度传感器： 机房内。
2、压力传感器
（1）作用： 监测流体压力，确保润滑、冷却、燃烧和制动系统正常工作。
（2）典型位置：
① 润滑油压力传感器： 主油道（通常在滤清器后）。
② 燃油压力传感器： 共轨系统（高压共轨压力）、输油泵后、滤清器后。
③ 增压压力传感器： 进气歧管（增压器后/中冷器后）。
④ 冷却液压力传感器： 冷却系统回路（大型机组或特定设计）。
⑤ 大气压力传感器： 通常集成在ECU内或独立安装，用于海拔修正。
⑥ 气缸压力传感器： 用于诊断（非标准运行传感器）。
3、速度/位置传感器
（1）作用： 监测发动机转速、曲轴/凸轮轴位置，是电控系统控制喷油和点火正时的基准。
（2）典型位置：
① 发动机转速传感器： 飞轮齿圈附近、曲轴皮带轮附近。通常监测曲轴位置和转速。
② 凸轮轴位置传感器： 凸轮轴齿轮或端部附近。用于判缸（确定各缸工作相位）。
③ 发电机转速传感器： 有时用于监测发电机输出频率（但通常通过计算发动机转速得出）。
4、液位传感器
（1）作用： 监测液体储量，防止缺液运行。
（2）典型位置：
① 燃油液位传感器： 油箱内。
② 冷却液液位传感器： 膨胀水箱、散热器顶部。
③ 润滑油液位传感器： 油底壳。
④ DEF液位传感器： 选择性催化还原系统的尿素溶液箱（如果配备SCR后处理）。
⑤ 水箱/油底壳泄漏传感器： 安装在底座或底盘上，检测意外泄漏。
5、空气流量/进气传感器
（1）作用： 测量进入发动机的空气量，用于精确控制空燃比（特别是电控发动机）。
（2）典型位置： 空气滤清器和涡轮增压器之间的进气管路。
（3）类型： 热膜式、热线式、叶片式（较少见）。
6、氧气/排气传感器
（1）作用： 监测排气中氧气含量，用于闭环控制空燃比（优化燃烧效率和降低排放）。
（2）典型位置： 排气管上，涡轮增压器出口之后。
（3）类型： 窄域氧传感器、宽域氧传感器。
7、烟雾/火焰探测器
（1）作用： 检测机房内烟雾或明火，触发报警和停机，是重要的消防安防设备。
（2）位置： 机房顶部或关键区域。
8、电压/电流传感器
（1）作用： 监测发电机输出的电气参数（电压、电流、频率）。
（2）位置： 发电机输出端、控制柜内。
（3）类型： 电压互感器、电流互感器、霍尔效应电流传感器等。
9、振动传感器
（1）作用： 监测发动机或发电机的机械振动水平，用于故障预警（如轴承损坏、不平衡、松动等）。
（2）位置： 发动机缸体、发电机轴承座。
（3）类型： 加速度计。
10、湿度传感器
（1）作用： 监测机房环境湿度，用于防凝露控制或特殊环境要求。
（2）位置： 机房内。
表1 柴油发电机常见传感器的分类
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分类方法
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传感器的种类
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说 明
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以被输入量分类
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位移传感器、速度传感器、温度传感器和压力传感器
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传感器以被测物理量命名
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按工作原理分类
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应变、电容、电感、压电和热电式
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以工作原理命名
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按物理现象分类
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结构型传感器
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依赖结构参数变化实现的信息转换
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物性型传感器
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依赖敏感元件物理特性变化来实现信息转换
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信 号
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应用机型
MTU2000
|
应用机型
MTU4000
|
信 号
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应用机型
MTU2000
|
应用机型
MTU4000
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曲轴转速
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Y
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Y
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中冷器冷却水温
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Y
|
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润滑油压力
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Y
|
Y
|
低压侧油压
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|
Y
|
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冷却液温度
|
Y
|
Y
|
中冷器液位高度
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|
Y
|
|
润滑油温度
|
Y
|
Y
|
高压侧油温
|
Y
|
Y
|
|
进气压力
|
Y
|
Y
|
高压侧油压
|
|
Y
|
|
进气温度
|
Y
|
Y
|
冷却液位高度
|
Y
|
Y
|
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凸轮轴转速
|
Y
|
Y
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注：“Y”表示在该机型中使用。
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表3 速度传感器的应用
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应 用
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传感器转速范围
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电控信号
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传感器数量
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凸轮轴
曲轴
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80~2800r/min
80~2800r/min
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0~80VAC
0~80VmAC
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1
1
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表4 温度传感器的应用
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应 用
|
传感器范围
|
电控信号
|
传感器数量
|
|
冷却液温度
进气温度
润滑油温度
燃油温度
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-40~150℃
-40~150℃
-40~150℃
-40~150℃
|
Pt1000
Pt1000
Pt1000
Pt1000
|
1
1
1
1
|
表5 压力传感器的应用
|
应 用
|
传感器范围
|
电控信号
|
传感器数量
|
|
润滑油压力
进气压力
燃油滤清器后油压
高压油压
|
0～10bar相对值
0.5～4.5bar相对值
0.5～4.5bar相对值
0～1600bar相对值
|
0.5~4.5V DC
0.5~4.5V DC
0.5~4.5V DC
0.5~4.5V DC
|
1
1
1
1
|
|
注：1bar＝105Pa。
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表6 监控传感器的应用
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应用
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传感器范围
|
电控信号
|
数量
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|
冷却液液位
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-
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二位制数（/GND）
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1
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图1 速度传感器结构示意图
图2 温度传感器结构示意图
图3 压力传感器结构示意
图4 监控传感器结构示意
总结：
柴油发电机传感器的核心使命是精准感知物理世界，通过物理/化学效应→电信号→数字处理的链条，成为控制系统的“感官神经”。理解其原理是故障诊断、系统优化和维护升级的基础。同一个传感器可能同时属于多个分类，例如冷却液温度传感器按功能是温度传感器，按位置是发动机本体传感器，按工作原理可能是热敏电阻。其中，控制器是传感器信息的处理中心，根据传感器信号控制喷油、点火、风扇、报警、停机等动作。选择哪种分类方式取决于你的具体需求（学习、维护、选型、故障诊断等），因此，按功能参数分类通常是最直观和实用的方式。
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