第5章 常用檢測(cè)元件

第5章常用檢測(cè)元件2023/2/51要點(diǎn)概述本章第一節(jié)介紹了能夠在磁性材料作用下導(dǎo)通的干簧管及霍爾元件等磁性傳感器組成的檢測(cè)開關(guān)。第二節(jié)介紹了電感式接近開關(guān)是利用電磁線圈的電感量對(duì)鐵磁物質(zhì)敏感的原理，實(shí)現(xiàn)的金屬感應(yīng)傳感器；電容式接近開關(guān)是利用介電常數(shù)對(duì)金屬和非金屬物質(zhì)都敏感的原理，實(shí)現(xiàn)的多種介質(zhì)感應(yīng)傳感器。第三節(jié)介紹了利用光反射和光敏效應(yīng)形成的光電式及旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測(cè)器件的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及使用方法；第四節(jié)介紹了壓力開關(guān)及超聲波開關(guān)以及單一型傳感器的形式。第五節(jié)主要介紹了模擬量與數(shù)字量之間等信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)原理。通過本章的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠掌握自動(dòng)控制檢測(cè)元件的種類及各個(gè)器件的工作原理和方法，進(jìn)而組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。2023/2/525.1磁性傳感器一般直線運(yùn)動(dòng)的行程檢測(cè)主要通過氣液缸帶動(dòng)擲子或磁塊運(yùn)動(dòng)進(jìn)而觸壓行程開關(guān)、感應(yīng)接近開關(guān)、遮擋或反射光電開關(guān)、或磁塊磁化干簧管開關(guān)及霍爾開關(guān)等方式，達(dá)到利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)定位點(diǎn)的檢測(cè)目的。目前應(yīng)用廣泛的傳感器包括壓力傳感器、光電傳感器、位移傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光纖傳感器等。磁性傳感器是指能對(duì)磁性元件進(jìn)行檢查的器件。2023/2/535.1.1磁性開關(guān)電子舌簧式磁性開關(guān)是將舌簧片、保護(hù)電路和指示燈等用合成樹脂封裝在一個(gè)模塊內(nèi)（盒子）。當(dāng)行程開關(guān)進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，由于磁場(chǎng)對(duì)觸點(diǎn)的磁化作用，使得觸點(diǎn)快速閉合，行程開關(guān)接通并能輸出一個(gè)電控信號(hào)。2023/2/545.1.2霍爾式傳感器以霍爾接近開關(guān)為例說明霍爾式傳感器的工作原理。1.霍爾效應(yīng)是指金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)U，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)(HallEffect)。2.霍爾開關(guān)2023/2/555.1.2霍爾式傳感器霍爾開關(guān)具有無觸點(diǎn)、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化結(jié)構(gòu)，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_關(guān)可應(yīng)用于接近開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表等的控制中，作為一種新型的磁控電器配件，具有壽命長、響應(yīng)快、無磨損的特點(diǎn)。但安裝時(shí)要注意磁鐵的極性，如果磁鐵極性裝反，開關(guān)將無法工作。2023/2/565.2接近傳感器是指檢測(cè)元件對(duì)物體的檢測(cè)采用非接觸的形式，利用被檢測(cè)物在一定的距離范圍內(nèi)，對(duì)檢測(cè)物形成的原有環(huán)境進(jìn)行了改變，從而影響了檢測(cè)物的輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類被檢測(cè)物的有無檢測(cè)。2023/2/575.2.1電感式傳感器以電感式接近開關(guān)工作過程說明電感式傳感器的工作原理。電感式接近開關(guān)屬于一種開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體與磁性感應(yīng)頭接近時(shí)，造成傳感器內(nèi)部電路感應(yīng)頭線圈的電感量參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而用參數(shù)變化產(chǎn)生的電信號(hào)控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。被檢測(cè)金屬物的位移變化→轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛孔兓纬呻娐返碾妷夯螂娏髯兓鷮?shí)現(xiàn)開關(guān)通或斷。2023/2/585.2.1電感式傳感器1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①傳感器的感應(yīng)頭能檢測(cè)所有穿過或停留在高頻磁場(chǎng)中的金屬物體。②傳感器的感應(yīng)頭與被測(cè)金屬物體是非接觸式的，即感應(yīng)頭與被測(cè)物體不直接接觸。③傳感器的感應(yīng)頭無需配專門的機(jī)械裝置如滾輪、機(jī)械手柄等做接觸媒介。④傳感器靠感應(yīng)頭與內(nèi)部電子電路裝置接收檢測(cè)信號(hào)，便于信號(hào)處理。2023/2/595.2.1電感式傳感器2.電感式接近開關(guān)的基本工作原理外界的金屬性物體對(duì)傳感器的高頻一振蕩器產(chǎn)生非接觸式感應(yīng)作用。振蕩器是由纏繞在鐵氧體磁心上的線圈構(gòu)成的LC振蕩電路。它對(duì)不同金屬材料額定檢測(cè)距離是不同的，使用時(shí)必須進(jìn)行檢測(cè)距離修正。2023/2/5105.2.2電容式傳感器以電容式接近開關(guān)為例說明電容式傳感器的工作原理。它和電感式接近開關(guān)的工作原理基本相同，也由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，只不過是利用電容量參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無被檢測(cè)物體接近，進(jìn)而用參數(shù)變化產(chǎn)生的電信號(hào)控制開關(guān)的通或斷。1.結(jié)構(gòu)形式電容式接近開關(guān)的感應(yīng)面有兩個(gè)同軸金屬電極構(gòu)成，很象“打開的”電容器的兩個(gè)電極。電容器的兩個(gè)電極連接在高頻振蕩的回路中。當(dāng)無測(cè)試目標(biāo)時(shí)電路維持穩(wěn)態(tài)。當(dāng)測(cè)試目標(biāo)接近傳感器表面時(shí)，它就進(jìn)入了由這兩個(gè)電極構(gòu)成的電場(chǎng)，引起兩個(gè)電極之間的耦合電容增加，電路開始振蕩。每一振蕩的振幅均由數(shù)據(jù)分析電路進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)要檢測(cè)的物體達(dá)到設(shè)定的距離時(shí)就形成開關(guān)信號(hào)。2023/2/5115.2.2電容式傳感器2.原理分析電容式接近開關(guān)既能被導(dǎo)體目標(biāo)感應(yīng)，也能被非導(dǎo)體目標(biāo)感應(yīng)。以導(dǎo)體為材料的檢測(cè)目標(biāo)對(duì)傳感器的感應(yīng)面形成一個(gè)反電極，使電容量增加，電容量的增加取決于被測(cè)物體在電場(chǎng)中的介電常數(shù)，所以金屬測(cè)試目標(biāo)可獲得最大開關(guān)的檢測(cè)距離。在使用電容式傳感器時(shí)不必像使用電感式傳感器那樣，對(duì)不同金屬采用不同的校正系數(shù)。在檢測(cè)較低介電常數(shù)ε的物體時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)回路中的多圈電位器來增加感應(yīng)靈敏度。2023/2/5125.3光電式傳感器5.3.1工作原理光電檢測(cè)的原理是根據(jù)發(fā)射器發(fā)出的光束，被檢測(cè)的物體可對(duì)其阻斷或部分反射,而接收器是光敏元件，可通過光照反應(yīng)產(chǎn)生輸出控制信號(hào)，最終根據(jù)被檢測(cè)物阻斷或反射光照結(jié)果來控制開關(guān)的通斷狀態(tài)。當(dāng)接受器接收到光線時(shí)，光電開關(guān)有輸出，被稱為“亮態(tài)操作”；當(dāng)光線被阻斷或低于一定數(shù)值時(shí)，光電開關(guān)有輸出，被稱為“暗態(tài)操作”。光電開關(guān)動(dòng)作的光強(qiáng)值是由許多因素決定的，包括檢測(cè)目標(biāo)的反射能力及光電開關(guān)的靈敏度。所有光電開關(guān)都采用調(diào)制光，以便有效地消除環(huán)境光的影響。2023/2/5135.3光電式傳感器5.3.2光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類如圖5-5所示為光電開關(guān)類型及應(yīng)用，光電開關(guān)可分為遮斷型和反射型兩類。遮斷型的發(fā)射器和接收器相對(duì)安放，軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。反射型分為反射鏡反射型及被測(cè)物體反射型(簡(jiǎn)稱散射型)兩種結(jié)構(gòu)。反射鏡反射型傳感器單側(cè)安裝，需要調(diào)整反射鏡的角度來取得最佳的反射效果，它的檢測(cè)距離不如遮斷型。2023/2/5145.3光電式傳感器5.3.3光電編碼器1.光電編碼器工作原理光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。電源的工作電壓一般為（+5～+24V）直流電源。光電編碼器是由光柵盤或碼盤和發(fā)收光原理構(gòu)成的光電檢測(cè)裝置組成。2023/2/5155.3光電式傳感器脈沖形成過程如圖5-8所示為光電編碼器原理示意圖。當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)A、B脈沖兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出，A、B兩相脈沖相差90度相位角，由此利用邏輯變換電路，可測(cè)出光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。A組用來測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，B組與A組配合可測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。2023/2/5165.3光電式傳感器2.編碼器的分類根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式，根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。①增量式編碼器②絕對(duì)式編碼器③混合式絕對(duì)編碼器3.光電編碼器的應(yīng)用①角度測(cè)量②長度測(cè)量③速度測(cè)量④位置測(cè)量⑤同步控制2023/2/5175.3光電式傳感器4.接近開關(guān)的應(yīng)用接近開關(guān)的種類很多，前面講過的也是最常用的傳感器，在工業(yè)中主要用于產(chǎn)品計(jì)數(shù)、測(cè)速、確定物體位置并控制其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及自動(dòng)安全保護(hù)等。（1）接近開關(guān)應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題：①自感式及差動(dòng)變壓器式接近開關(guān)只能檢測(cè)導(dǎo)磁物體。②電渦流式接近開關(guān)只能檢測(cè)導(dǎo)電良好的金屬物體。③電容式接近開關(guān)對(duì)接地的金屬及地電位的導(dǎo)電物體以及非金屬等都能檢測(cè)。④磁性干簧開關(guān)(也叫干簧管)屬于磁性開關(guān)，只能檢測(cè)磁性較強(qiáng)的物體。⑤霍爾式接近開關(guān)也屬于磁性開關(guān)，只能檢測(cè)磁性物體。2023/2/5185.3光電式傳感器從廣義上講，大多數(shù)非接觸式傳感器均能用作接近開關(guān)。例如，光電傳感器、微波和超聲波傳感器等，它們的檢測(cè)距離一般可以做得較大，可達(dá)數(shù)米甚至數(shù)十米，是電子類開關(guān)器件。（2）接近開關(guān)與傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)相比所具有的特點(diǎn)：①非接觸檢測(cè)，不影響被測(cè)物體的運(yùn)行工況。②不產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷，工作壽命長。③響應(yīng)快，一般響應(yīng)時(shí)間可達(dá)幾毫秒或幾十毫秒。④采用全密封結(jié)構(gòu)，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強(qiáng)。⑤無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲，適用于要求防爆的場(chǎng)合(防爆型)⑥輸出信號(hào)大，可與計(jì)算機(jī)或PLC等接口連接。⑦體積小，安裝、調(diào)整方便。2023/2/5195.4其他類型傳感器件5.4.1壓力開關(guān)壓力開關(guān)是一種當(dāng)輸入壓力達(dá)到某一給定值時(shí)，電氣開關(guān)接通，并發(fā)出電信號(hào)的裝置，常用于需要壓力控制和保護(hù)的場(chǎng)合。壓力開關(guān)由感受壓力變化的壓力敏感元件、調(diào)整給定壓力大小的壓力調(diào)整裝置和電器開關(guān)三部分構(gòu)成。壓力敏感元件一般采用膜片、膜盒、波紋管和波登管（彈簧管）等彈性元件，也有用活塞的。敏感元件的作用是感受壓力大小，將壓力轉(zhuǎn)換為位移量。常采用壓敏元件、壓阻元件，其體積小，精度高，能直接將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。力傳感器（荷重傳感器、拉力傳感器、扭矩傳感器）、壓力傳感器（表壓傳感器、絕壓傳感器、密封壓力傳感器）、差壓傳感器、液位傳感器等都是由敏感元件構(gòu)成的傳感器。2023/2/5205.4其他類型傳感器件5.4.2超聲波接近開關(guān)一個(gè)由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波脈沖作用到一個(gè)聲反射的物體上，同時(shí)經(jīng)過一段時(shí)間后，由發(fā)射器發(fā)射出的超聲波會(huì)被要檢測(cè)物反射，當(dāng)反射的聲波(回聲)回到發(fā)射器位置的反射器上時(shí)，這段發(fā)射波或反射波單程經(jīng)過的時(shí)間周期與該超聲波速的乘積就是由波源到要檢測(cè)物的距離，因此可以利用計(jì)時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)信號(hào)來檢測(cè)被測(cè)物的距離或位置。當(dāng)被檢測(cè)物對(duì)波源的距離發(fā)生改變時(shí)，接收到的波的頻率會(huì)發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。聲納和雷達(dá)就是利用這個(gè)效應(yīng)的原理制成的。利用多普勒效應(yīng)可制成超聲波接近開關(guān)、微波接近開關(guān)等。當(dāng)有物體移近時(shí)，接近開關(guān)接收到的反射信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，由此可以識(shí)別出有無物體接近。2023/2/5215.4其他類型傳感器件5.4.3單一性專用傳感器件大部分傳感器都屬于敏感元件類傳感器，敏感元件類傳感器是由該類敏感材料構(gòu)成的單一功能的檢測(cè)元件。敏感元件是指能敏銳地感受某種物理、化學(xué)、生物的信息并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⒌奶胤N電子元件。這種元件通常是利用材料的某種敏感效應(yīng)制成的。敏感元件可以按輸入的物理量來命名，如熱敏（熱敏電阻器）、光敏、（電）壓敏、（壓）力敏、磁敏、氣敏、濕敏元件。在電子設(shè)備中采用敏感元件來感知外界的信息，可以達(dá)到或超過人類感覺器官的功能。敏感元件是傳感器的核心元件。隨著電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，敏感元件的重要性日益增大。敏感元件按輸入與輸出關(guān)系特性可歸納為兩類，一類是緩變型，另一類是突變型。常用的敏感元件主要有：熱敏電阻、壓敏電阻、磁敏元件、光敏元件和濕敏元件等。2023/2/5225.5檢測(cè)信號(hào)的傳遞與轉(zhuǎn)換數(shù)字化的顯示系統(tǒng)、數(shù)字化的控制系統(tǒng)、智能化儀表、智能化調(diào)節(jié)器等都是由數(shù)字化的集成電路構(gòu)成的模塊化邏輯功能控制系統(tǒng)。模擬信號(hào)的調(diào)