傳感器原理及應(yīng)用

1、?傳感器原理及應(yīng)用?三級(jí)工程報(bào)告書基于PLC的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院班 級(jí)：13-1機(jī)械電子工程卓越組 員：響夏中巖軒赫貢 獻(xiàn)率： 響 程序設(shè)計(jì),優(yōu)化 40%夏中巖資料整理,編輯 30%軒赫PPT設(shè)計(jì)編寫30%指導(dǎo)教師：邊輝完成日期：2021.05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(jī)起停限制傳感器 -3-2.2 物料計(jì)數(shù)用傳感器 -5-2.3 定位及速度限制傳感器 -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 -6-2.4.1 色標(biāo)傳感器 -6-2.4.2 電渦流式傳感器 -7-2.4

2、.3 磁簧管 -7-3限制系統(tǒng)設(shè)計(jì) -7-3.1 硬件連接 -8-3.2 程序編譯 -8-4傳感器前景展望 -12-4.1 傳感器在科技開展中的重要性 -12-4.2 先進(jìn)傳感器的開展趨勢 -12-5反思與收獲 -12-參考文獻(xiàn) -13-摘要在圓柱物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,涉及到了多種物理量的測量,基于各個(gè)物理量的特性, 分析其所應(yīng)用的傳感器,并且比照不同方案.在原系統(tǒng)中,采用漫反射接近開關(guān)與固態(tài)繼電 器限制系統(tǒng)起停,對射型紅外傳感器對圓柱物料計(jì)數(shù),顏色傳感器對物料進(jìn)行分類,編碼器 限制物料位置與測量速度,電渦流傳感器以區(qū)分金屬物料與非金屬物料以及區(qū)分不同高度的 物料.在工程中采用PLC接受各傳感

3、器的信號(hào)并對系統(tǒng)進(jìn)行限制,以實(shí)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(shí)驗(yàn)室中對其進(jìn)行簡易的模擬,并 通過對各項(xiàng)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(jī)的起停、速度等,均由傳感 器限制.原始系統(tǒng)中采用漫反射接近開關(guān)對電機(jī)的起停進(jìn)行限制；對射型紅外傳感器對物料 進(jìn)行計(jì)數(shù)與啟動(dòng)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限制,各傳感器采集到的物理量轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)反應(yīng)到PLC限制系統(tǒng)中,以實(shí)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)

4、中所涉及到的同一物理量在實(shí)際的生產(chǎn)中可使用多種傳感器進(jìn)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(huì)具體的介紹系統(tǒng) 中物理量所相應(yīng)的傳感器.2.1 電機(jī)起停限制傳感器在對電機(jī)起停的限制中,采用接近開關(guān)來給予限制系統(tǒng)起停信號(hào).接近開關(guān)是一種無需 與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸而可以操作的位置開關(guān),當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離 時(shí),不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動(dòng)作,從而驅(qū)動(dòng)直流電器或給計(jì)算機(jī)裝置提 供限制指令.接近開關(guān)是種開關(guān)型傳感器即無觸點(diǎn)開關(guān),它既有行程開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)的 特性,同時(shí)具有傳感性能,且動(dòng)作可靠,性能穩(wěn)定,頻率響應(yīng)快,應(yīng)用壽命長,抗干擾

5、水平 強(qiáng)等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點(diǎn).在本次工程設(shè)計(jì)中采用的是E3F-DS10P1®反射光電接近開關(guān)漫反射型光電開關(guān)是當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時(shí),目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生漫反射,發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個(gè) 的標(biāo)準(zhǔn)部件,當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí),開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化,作用距離的典型值可達(dá) 到3米.具有效作用距離是由目標(biāo)的反射水平所決定得,取決于目標(biāo)外表性質(zhì)和顏色性質(zhì)； 較小的裝配開支,當(dāng)開關(guān)由單個(gè)元件組成時(shí),通常是可以到達(dá)粗定位；采用背景抑制功能調(diào) 節(jié)測量距離,對目標(biāo)上的灰塵敏感和對目標(biāo)變化了的反射性能敏感.接近開關(guān)除工程中所使用的漫反射接近開關(guān)外,還有基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、

6、霍爾式等接近開關(guān).其比照方下表:表2-1-1接近開關(guān)比照種類功能原理檢測對象特點(diǎn)光電式目標(biāo)產(chǎn)生漫反射,當(dāng)有足夠強(qiáng) 的組合光返回接收器時(shí),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(biāo)上的灰塵 敏感和對目標(biāo)變化了的反射性能敏感, 工作距離一般較遠(yuǎn).電感式金屬目標(biāo)接近這一磁場,具產(chǎn) 生渦流,從而導(dǎo)致振揚(yáng)衰減, 以至停振.振蕩器振蕩及停振 的變化被后級(jí)放大電路處理并 轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào),觸發(fā)驅(qū)動(dòng)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(shí),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,由此便可限制開 關(guān)的通斷.任意物體能夠改

7、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.霍爾式磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí),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)部電路狀態(tài) 發(fā)生變化,進(jìn)而限制開關(guān)的通 斷.磁性物體只能檢測磁性物體的接近,適用面比擬 窄.但具部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化, 所以能在各類惡劣環(huán)境卜可靠的工作.2.2 物料計(jì)數(shù)用傳感器在物料分揀系統(tǒng)中,對物料的計(jì)數(shù)是其中重要的一環(huán).對物料統(tǒng)一計(jì)數(shù),由傳感器采集 信號(hào)送入PLC系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)物料的計(jì)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),其由投光

8、器和受光器組成,結(jié)構(gòu)上互相 別離,分別敷設(shè)電纜；作用為區(qū)分不透明的物體,并產(chǎn)生脈沖信號(hào)送入PLC限制系統(tǒng)；作用的有效距離大,而且光束僅需跨越一次感應(yīng)距離；抗干擾水平強(qiáng),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(gè)單元都必須敷設(shè)電纜,所以設(shè)備的消耗比擬高.由于對射型紅外光電開關(guān)接受光信號(hào)工作,所以使用時(shí)應(yīng)該注意預(yù)防強(qiáng)光源,以預(yù)防相 互干擾；在安裝時(shí)需要考慮到物料外表情況,調(diào)整相對安裝位置,以預(yù)防鏡面角度影響；在 使用某些反射擴(kuò)散式時(shí),需注意排除高反射率背景物的影響.振動(dòng)噪音等會(huì)影響到投,收傳 感器的穩(wěn)定性,在使用時(shí)需要注意不能超出傳感器自診斷作用的調(diào)節(jié)圍.2.3 定位及速度限制傳感器

9、在物料分揀系統(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(xiàng) 根底數(shù)據(jù)確實(shí)定.物料隨著傳送帶運(yùn)動(dòng),到達(dá)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(yùn)動(dòng).分揀位置的選擇與確定那么需要傳 感器對其進(jìn)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(jià)比高的顯著特點(diǎn).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(jià)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(shí)位置信息丟

10、 失；絕對值編碼器傳送在一轉(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(shí)一般用于角度測量、往復(fù)運(yùn)動(dòng).但其價(jià)格相對較高,物料分揀系統(tǒng)可用增量 編碼器實(shí)現(xiàn)物料的定位,使物料在準(zhǔn)確的位置停下.不同型號(hào)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區(qū)分方向,單向的不能區(qū)分方向 .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(hào)直接輸入給 PLG利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對其脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)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

11、KS1-10DD由光控晶閘管和發(fā)光二極管組合構(gòu)成.其主要傳感 器局部為光控晶閘管.光控晶閘管的特點(diǎn)是門極區(qū)集成了一個(gè)光電二極管,觸發(fā)信號(hào)源與主 回路絕緣,它的關(guān)鍵是觸發(fā)靈敏度要高.光控晶閘管限制極的觸發(fā)電流由器件中先生載流子 提供.光控晶閘管陽極和陰極間加正壓,門極區(qū)假設(shè)用一定波長的光照射,那么光控晶閘管由斷態(tài) 轉(zhuǎn)入通態(tài).為提升光控晶閘管觸發(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限制極觸發(fā)；也可用于繼電器、自動(dòng)限制等方面.在物料分揀系統(tǒng) 中,選用固態(tài)繼電器限制電機(jī)起停,由接近

12、開關(guān)提供限制信號(hào).固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點(diǎn)電子開關(guān),在開關(guān)過程中無機(jī)械接觸部件,因此周 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(jī)械沖擊,安裝 位置無限制,具有良好的防潮防霉防腐蝕性能,在防爆和預(yù)防臭氧污染方面的性能也極佳, 輸入功率小,靈敏度高,限制功率小,電磁兼容性好,噪聲低和工作頻率高等特點(diǎn).2.4 物料分類用傳感器物料分揀系統(tǒng)中的重要的識(shí)別功能需要由傳感器來完成,通過讀物料的識(shí)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(yàn)臺(tái)中,采用 色標(biāo)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

13、以及區(qū)分金屬物料高度,此兩種傳感器將四種物料區(qū)分開來.氣缸作為分揀動(dòng)作的執(zhí)行 機(jī)構(gòu),由磁簧管標(biāo)識(shí)與檢測氣缸狀態(tài).2.4.1 色標(biāo)傳感器色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)點(diǎn),它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比擬來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測,而不 是直接測量顏色.色標(biāo)傳感器實(shí)際是一種反向裝置,光源垂直于目標(biāo)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(biāo)物體的散射光, 從而預(yù)防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(biāo)傳感器就其原理來說并 不是檢測顏色,它是通過檢測色標(biāo)對光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實(shí)現(xiàn)檢測 的.系統(tǒng)中所使用的BZJ-411色標(biāo)傳感器采用的是光發(fā)射接收

14、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(hào)的強(qiáng)弱來區(qū)分不同的顏色,識(shí)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(jìn)的SMTft面貼裝工藝,具有靈敏性高,響應(yīng)速度快,抗背景光干擾水平強(qiáng),結(jié)構(gòu)緊湊,使用方便等特點(diǎn).2.4.2 電渦流式傳感器系統(tǒng)選用的是JCW-18SRI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(hào)送入限制系統(tǒng)中,以實(shí)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,具只能檢測到金屬物料,該種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、

15、 靈敏度高、測量線性圍大.電渦流探頭的線圈阻抗受諸多因素影響,例如金屬材料的厚度、 尺寸、形狀、電導(dǎo)率、外表因素、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(gè)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(shí),能夠檢測到傳感器與物料的間隙變化,即得到 計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào),經(jīng)過放大,整形后便能獲得方波信號(hào),進(jìn)而進(jìn)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(hào)送入PLG磁簧管通常由兩個(gè)軟磁性材料做成的、無磁時(shí)斷開的兩個(gè)金屬簧片觸點(diǎn).該簧片觸點(diǎn)被封在充有惰性氣體或真空的 玻璃管中,玻璃管平行封裝的

16、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(diǎn).其相對于機(jī)械開關(guān)結(jié)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(fù)載沖擊水平強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).工作可靠性很高.3限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在三級(jí)工程的實(shí)施過程中,分揀系統(tǒng)的工作有S7-300PLC限制,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(hào),來限制氣缸和電機(jī)的工作.限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程分為 兩個(gè)局部,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(biāo)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

17、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PIW752氣缸Q0.0氣缸Q0.1氣缸Q0.2繼電器Q0.3調(diào)速PQB 2根據(jù)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(shí)現(xiàn)的功能有：限制電機(jī)的起停,自動(dòng)調(diào)節(jié)速度,色標(biāo)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1 ：標(biāo)題: 理反射起動(dòng)QO. 310.1Q0.3"母電器".覆反射,施B"組電器T/P1 IN)(R)_I程序段九標(biāo)題:漫反射惇止00*310.1m.OQ0,31維電器b3量反射“沿5

18、卷后電器上T I1 I-nJ_|程序程3：標(biāo)題:S5U300MS-K1.4Q0.3沿廣繼電器*程序段4:標(biāo)題:T1“念寸器線位移識(shí)別檢測鐵塊,高塊3缸推,低缸2缸推皿3當(dāng)哈_IR-IQ0.2,氣4LT!ELY“沿產(chǎn)1可-I程序段7:定時(shí)推下74丫寸爵廠泊 T S ODTTI3.S-TVBl一 RBCP程序段9氣缸2動(dòng)作并調(diào)成低速T+瓠3“繼電器T$)gl“氣缸T-W_I20000-rvQUT慳序段標(biāo)題工氣缸3動(dòng)作并陽成高速Q(mào)0-3 結(jié)電號(hào). -S_IMOVb EN3008 IN OUTFQ3說J調(diào)速一4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

19、涉及到的常見的傳感器,并對其進(jìn)行分類介紹.但隨著科技的日益進(jìn)步,各式各樣的新型傳 感器也越來越多,除了根底的機(jī)械類傳感器,生物、化學(xué)等傳感器也漸漸出現(xiàn)在生產(chǎn)生活實(shí) 際中.其未來無可限量.4.1 傳感器在科技開展中的重要性人類進(jìn)入信息時(shí)代之后,社會(huì)活動(dòng)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(dòng)檢測與限制系統(tǒng)之首,是感知、獲取與檢測信息的窗口.“沒有傳感器技 術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的觀點(diǎn)已經(jīng)為全世界所公認(rèn).科學(xué)技術(shù)越興旺,自動(dòng)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)的根底.4.2 先進(jìn)傳感器的開展趨勢先進(jìn)傳感器有兩層含義,其一是與傳統(tǒng)的常見傳感器相比擬而言,它是指近年來研制成 功的新型傳感器.其二是指利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)研制開發(fā)出來的.在先進(jìn)傳感器的研制過程 中,根底是發(fā)現(xiàn)新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)來作為傳感器的根本原那么,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