傳感器原理及應(yīng)用[蒼松書屋]

1、傳感器原理及應(yīng)用三級項目報告書基于PLC的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院：機械工程學(xué)院 班 級：13-1機械電子工程（卓越） 組 員：李響 夏中巖 張軒赫 貢 獻 率：李 響 程序設(shè)計，優(yōu)化 40% 夏中巖 資料整理，編輯 30% 張軒赫 PPT設(shè)計編寫 30% 指導(dǎo)教師：邊輝 完成日期：2016.05輔導(dǎo)工具a目錄摘要- 2 -1 物料分揀系統(tǒng)簡述- 3 -2 物料分揀系統(tǒng)中的傳感器- 3 -2.1 電機起?？刂苽鞲衅? 3 -2.2 物料計數(shù)用傳感器- 4 -2.3 定位及速度控制傳感器- 5 -2.3.1 增量編碼器- 5 -2.3.2 固態(tài)繼電器- 6 -2.4 物料分類用傳感器- 6 -2

2、.4.1色標傳感器- 6 -2.4.2 電渦流式傳感器- 7 -2.4.3 磁簧管- 7 -3 控制系統(tǒng)設(shè)計- 7 -3.1 硬件連接- 7 -3.2 程序編譯- 8 -4 傳感器前景展望- 12 -4.1 傳感器在科技發(fā)展中的重要性- 12 -4.2 先進傳感器的發(fā)展趨勢- 12 -5 反思與收獲- 12 -參考文獻- 13 -摘要在圓柱物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計中，涉及到了多種物理量的測量，基于各個物理量的特性，分析其所應(yīng)用的傳感器，并且對比不同方案。在原系統(tǒng)中，采用漫反射接近開關(guān)與固態(tài)繼電器控制系統(tǒng)起停，對射型紅外傳感器對圓柱物料計數(shù)，顏色傳感器對物料進行分類，編碼器控制物料位置與測量速度，電渦

3、流傳感器以區(qū)分金屬物料與非金屬物料以及區(qū)分不同高度的物料。在項目中采用PLC接受各傳感器的信號并對系統(tǒng)進行控制，以實現(xiàn)物料分揀的目的。1 物料分揀系統(tǒng)簡述物料分揀系統(tǒng)是生產(chǎn)生活中常見的工程系統(tǒng)之一，在實驗室中對其進行簡易的模擬，并通過對各項物理量的測量了解傳感器的工作方式。在物料分揀系統(tǒng)中，物料的材質(zhì)、形狀、顏色、數(shù)量；電機的起停、速度等，均由傳感器控制。原始系統(tǒng)中采用漫反射接近開關(guān)對電機的起停進行控制；對射型紅外傳感器對物料進行計數(shù)與啟動分揀程序；顏色傳感器區(qū)分物料顏色以便于分揀；在系統(tǒng)中使用電渦流傳感器用以區(qū)分物料材質(zhì)與高度。系統(tǒng)由s7-300型PLC控制，各傳感器采集到的物理量轉(zhuǎn)換為電信

4、號反饋到PLC控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)物料分揀的目的。2 物料分揀系統(tǒng)中的傳感器在系統(tǒng)中所涉及到的同一物理量在實際的生產(chǎn)中可使用多種傳感器進行測量與檢測，不同的傳感器的工作原理與工作方式不同，滿足多種工況的需求。在下面將會具體的介紹系統(tǒng)中物理量所相應(yīng)的傳感器。2.1 電機起?？刂苽鞲衅髟趯﹄姍C起停的控制中，采用接近開關(guān)來給予控制系統(tǒng)起停信號。接近開關(guān)是一種無需與運動部件進行機械直接接觸而可以操作的位置開關(guān)，當物體接近開關(guān)的感應(yīng)面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動作，從而驅(qū)動直流電器或給計算機裝置提供控制指令。接近開關(guān)是種開關(guān)型傳感器（即無觸點開關(guān)），它既有行程開關(guān)、微動開關(guān)的特性

5、，同時具有傳感性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長，抗干擾能力強等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點。在本次項目設(shè)計中采用的是E3F-DS10P1漫反射光電接近開關(guān)漫反射型光電開關(guān)是當開關(guān)發(fā)射光束時，目標會產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標準部件，當有足夠的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值可達到3米。其有效作用距離是由目標的反射能力所決定得，取決于目標表面性質(zhì)和顏色性質(zhì)；較小的裝配開支，當開關(guān)由單個元件組成時，通常是可以達到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測量距離，對目標上的灰塵敏感和對目標變化了的反射性能敏感。接近開關(guān)除項目中所使用的漫反射接近開關(guān)外，還有基

6、于其他傳感器檢測性質(zhì)的接近開關(guān)，例如電感式、電容式、霍爾式等接近開關(guān)。其對比如下表：表2-1-1 接近開關(guān)對比種類功能原理檢測對象特點光電式目標產(chǎn)生漫反射，當有足夠強的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，任意物體適用于各種工作條件，對目標上的灰塵敏感和對目標變化了的反射性能敏感，工作距離一般較遠。電感式金屬目標接近這一磁場，其內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件。金屬物體只能檢測到金屬物體的接近，應(yīng)用不廣泛。電容式物體移向接近開關(guān)時，使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，改變電容值，使得檢測電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制

7、開關(guān)的通斷。任意物體能夠改變其極板間介電常數(shù)的物體均能觸發(fā)該傳感器。檢測距離與接近物體的介電常數(shù)相關(guān)，一般對金屬有較大的檢測距離?；魻柺酱判晕锛平魻栭_關(guān)時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，進而控制開關(guān)的通斷。磁性物體只能檢測磁性物體的接近，適用面比較窄。但其內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。2.2 物料計數(shù)用傳感器在物料分揀系統(tǒng)中，對物料的計數(shù)是其中重要的一環(huán)。對物料統(tǒng)一計數(shù)，由傳感器采集信號送入PLC系統(tǒng)后實現(xiàn)。系統(tǒng)物料的計數(shù)與分揀程序觸發(fā)使用E3F-5DP1對射型紅外光電傳感器。對射型紅外光電開關(guān)是一種脈沖式的光電開關(guān)，其

8、由投光器和受光器組成，結(jié)構(gòu)上互相分離，分別敷設(shè)電纜；作用為辨別不透明的物體，并產(chǎn)生脈沖信號送入PLC控制系統(tǒng)；作用的有效距離大，而且光束僅需跨越一次感應(yīng)距離；抗干擾能力強，在野外或者有灰塵的環(huán)境中依然能夠可靠地使用；但由于兩個單元都必須敷設(shè)電纜，所以設(shè)備的消耗比較高。由于對射型紅外光電開關(guān)接受光信號工作，所以使用時應(yīng)該注意避免強光源，以防止相互干擾；在安裝時需要考慮到物料表面情況，調(diào)整相對安裝位置，以避免鏡面角度影響；在使用某些反射擴散式時，需注意排除高反射率背景物的影響。振動噪音等會影響到投，收傳感器的穩(wěn)定性，在使用時需要注意不能超出傳感器自診斷作用的調(diào)節(jié)范圍。2.3 定位及速度控制傳感器在

9、物料分揀系統(tǒng)中，傳送帶的速度是其重要的物理量，它影響著系統(tǒng)的工作效率與各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定。物料隨著傳送帶運動，到達分揀位置后被推下，在這過程中，由于物料的性質(zhì)不同（材料，形狀等）傳送帶分別以不同的速度運動。分揀位置的選擇與確定則需要傳感器對其進行定位。在此系統(tǒng)中，測速及定位所選用的傳感器為增量編碼器，調(diào)速使用傳感器為固態(tài)繼電器。2.3.1 增量編碼器編碼器用于測量旋轉(zhuǎn)速度、角度、加速度、長度等，有體積小、質(zhì)量輕、安裝方便、性價比高的顯著特點。一般編碼器可分為增量編碼器和絕對值編碼器。增量編碼器價格相對便宜，一般用來測試速度與方向也可以用于角度測量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時位置信息丟失；絕對值編

10、碼器傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一的位置信息，位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時一般用于角度測量、往復(fù)運動。但其價格相對較高，物料分揀系統(tǒng)可用增量編碼器實現(xiàn)物料的定位，使物料在準確的位置停下。不同型號的旋轉(zhuǎn)編碼器，其輸出脈沖的相數(shù)也不同，有的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B、Z三相脈沖，有的只有A、B相兩相，最簡單的只有A相。AB兩相的可通過相位差來辨別方向，單向的不能辨別方向。系統(tǒng)使用的HN3806-400-AB-N增量編碼器可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLC，利用PLC的高速計數(shù)器對其脈沖信號進行計數(shù)，以獲得測量結(jié)果。2.3.2 固態(tài)繼電器系統(tǒng)使用的固態(tài)繼電器是KS1-10DD，由光控晶

11、閘管和發(fā)光二極管組合構(gòu)成。其主要傳感器部分為光控晶閘管。光控晶閘管的特點是門極區(qū)集成了一個光電二極管，觸發(fā)信號源與主回路絕緣，它的關(guān)鍵是觸發(fā)靈敏度要高。光控晶閘管控制極的觸發(fā)電流由器件中光生載流子提供。光控晶閘管陽極和陰極間加正壓,門極區(qū)若用一定波長的光照射,則光控晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)。為提高光控晶閘管觸發(fā)靈敏度，門極區(qū)常采用放大門極結(jié)構(gòu)或雙重放大門極結(jié)構(gòu)。為滿足高的重加電壓上升率,常采用陰極發(fā)射極短路結(jié)構(gòu)。小功率光控晶閘管常應(yīng)用于電隔離，為較大的晶閘管提供控制極觸發(fā)；也可用于繼電器、自動控制等方面。在物料分揀系統(tǒng)中，選用固態(tài)繼電器控制電機起停，由接近開關(guān)提供控制信號。固態(tài)繼電器是具有隔離功能

12、的無觸點電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機械接觸部件，因此固態(tài)繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點。2.4 物料分類用傳感器物料分揀系統(tǒng)中的重要的識別功能需要由傳感器來完成，通過讀物料的識別，來判斷其應(yīng)該分揀到何處，這也是物料分揀系統(tǒng)的核心功能。在搭建的物料分揀系統(tǒng)試驗臺中，采用色標傳感器來區(qū)分深色與淺色物料，線位移傳感器（電渦流傳感器）用來區(qū)分金屬與非金屬物料以及區(qū)分金屬物料高度，此兩種傳感器將四種物料區(qū)分開

13、來。氣缸作為分揀動作的執(zhí)行機構(gòu)，由磁簧管標識與檢測氣缸狀態(tài)。2.4.1色標傳感器色標傳感器常用于檢測特定色標點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。色標傳感器實際是一種反向裝置，光源垂直于目標物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測來自目標物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。使用單色光源（即綠色或紅色LED）的色標傳感器就其原理來說并不是檢測顏色，它是通過檢測色標對光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實現(xiàn)檢測的。系統(tǒng)中所使用的BZJ-411色標傳感器采用的是光發(fā)射接收原理，發(fā)射調(diào)制光，接受被測物體的發(fā)射光，并根據(jù)其信號的強弱來

14、區(qū)分不同的顏色，識別物料是否在此處推下。該系列傳感器綜合了光學(xué)技術(shù)，半導(dǎo)體電子技術(shù)，調(diào)制解調(diào)技術(shù)，采用了先進的SMT表面貼裝工藝，具有靈敏性高，響應(yīng)速度快，抗背景光干擾能力強，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便等特點。2.4.2 電渦流式傳感器系統(tǒng)選用的是JCW-18SR線位移傳感器，其工作原理是金屬在通有交流電的線圈附近形成電渦流，從而反作用于線圈，使線圈感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，在電路中表現(xiàn)為電壓或電流的變化，作為信號送入控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)測量被測量的目的。電渦流式傳感器是一種電感式傳感器，其只能檢測到金屬物料，該種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量線性范圍大。電渦流探頭的線圈阻抗受諸多因素影響，例如金屬

15、材料的厚度、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、表面因素、距離等，只要固定其他因素就可以用電渦流傳感器來測量剩下的一個因素。所以在此系統(tǒng)中用作金屬物料與非金屬物料的區(qū)分以及作為線位移傳感器區(qū)分不同高度的金屬物料。金屬物料接近時，能夠檢測到傳感器與物料的間隙變化，即得到計數(shù)的脈沖信號，經(jīng)過放大，整形后便能獲得方波信號，進而進行甄別區(qū)分。2.4.3 磁簧管本物料分揀系統(tǒng)中使用磁簧管判斷氣缸狀態(tài)并將信號送入PLC。磁簧管通常由兩個軟磁性材料做成的、無磁時斷開的兩個金屬簧片觸點。該簧片觸點被封在充有惰性氣體或真空的玻璃管中，玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構(gòu)成常開或常閉觸點。其相對于機械開關(guān)結(jié)

16、構(gòu)簡單，體積小，速度高，工作壽命長；與電子開關(guān)相比，具有抗負載沖擊能力強等優(yōu)點。工作可靠性很高。3 控制系統(tǒng)設(shè)計在三級項目的實施過程中，分揀系統(tǒng)的工作有s7-300PLC控制，各輸入端口接受來自傳感器的信息，經(jīng)過系統(tǒng)處理后輸出信號，來控制氣缸和電機的工作?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計過程分為兩個部分，硬件連接和程序編譯。3.1 硬件連接ee99其輸入輸出接口對應(yīng)硬件如下表：表3-1-1 硬件I/O分配表硬件I/O接口色標傳感器I1.1增量編碼器I1.2光電對射開關(guān)I0.0漫反射光電開關(guān)I0.1干簧管1I0.3干簧管2I0.2干簧管3I0.5干簧管4I0.4干簧管5I0.7干簧管6I0.6線位移傳感器PIW75

17、2氣缸Q0.0氣缸Q0.1氣缸Q0.2繼電器Q0.3調(diào)速PQB 2按照I/O分配表連接電路，根據(jù)I/O地址，編寫程序。3.2 程序編譯程序所需要實現(xiàn)的功能有：控制電機的起停，自動調(diào)節(jié)速度，色標傳感器區(qū)分深色淺色物料。線位移傳感器甄別金屬物料與非金屬物料并區(qū)分金屬物料的高度。其具體程序如下。程序段6：線位移識別檢測鐵塊，高塊3缸推，低缸2缸推程序段7：定時推下程序段9 氣缸2動作并調(diào)成低速4 傳感器前景展望在本次討論課中，我們以物料分揀系統(tǒng)中所涉及到的物理被測量來引出在課程學(xué)習(xí)中所涉及到的常見的傳感器，并對其進行分類介紹。但隨著科技的日益進步，各式各樣的新型傳感器也越來越多，除了基礎(chǔ)的機械類傳感

18、器，生物、化學(xué)等傳感器也漸漸出現(xiàn)在生產(chǎn)生活實際中。其未來無可限量。4.1 傳感器在科技發(fā)展中的重要性人類進入信息時代之后，社會活動將主要依賴對信息資源的開發(fā)，獲取，傳輸與處理。而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取與檢測信息的窗口?！皼]有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點已經(jīng)為全世界所公認。科學(xué)技術(shù)越發(fā)達，自動化程度越高，對傳感器技術(shù)的依賴性就越大。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。4.2 先進傳感器的發(fā)展趨勢先進傳感器有兩層含義，其一是與傳統(tǒng)的常見傳感器相比較而言，它是指近年來研制成功的新型傳感器。其二是指利用先進的科學(xué)技術(shù)研制開發(fā)出來的。在先進傳感器的研制過程中，基礎(chǔ)是發(fā)現(xiàn)新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)來作為傳感器的基本原則，并開發(fā)出能夠承載其功能的新型材料。譬如應(yīng)用了超導(dǎo)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)的約瑟夫遜效應(yīng)傳感器和各種的氣體傳感器、有機傳感器等。開