傳感器原理及應(yīng)用

1、傳感器原理及應(yīng)用討論課報告書電感式傳感器的基本原理及典型應(yīng)用學(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：李響資料查詢，整理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 電機起停控制傳感器-3-2.1.1 漫反射光電接近開關(guān)-3-2.1.2 電容式接近開關(guān)-4-2.1.3 霍爾接近開關(guān)-4-2.1.4 電感式接近開關(guān)-4-2.1.5 傳感器應(yīng)用比較-4-2.2 物料計數(shù)用傳感器-5-2.2.1 對射型紅外光電開關(guān)-5-2.2.2 電渦

2、流式傳感器-5-2.2.3 霍爾傳感器-6-2.3 測速及定位傳感器-6-2.3.1 光電耦合器，碼盤-7-2.3.2 增量編碼器-7-2.3.3 傳感器功能對比-7-2.4 物料分類傳感器-7-2.4.1 色標(biāo)傳感器-8-2.5 固態(tài)繼電器-8-3傳感器前景展望-9-3.1 傳感器在科技發(fā)展中的重要性-9-3.2 先進傳感器的發(fā)展趨勢-9-4反思與收獲-9-參考文獻-10-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

3、料進行分類，編碼器控制物料位置與測量速度。在討論課中，充分考慮到實際應(yīng)用中的工況，增加電渦流傳感器以區(qū)分金屬物料與非金屬物料并能夠?qū)饘傥锪线M行計數(shù)。漫反射接近開關(guān)可由具體工況采用多種傳感器進行替換，譬如電容傳感器，電感傳感器，霍爾傳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

4、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，各繼電器采集到的物理量轉(zhuǎn)換為電信號反饋到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 電機起停控制傳感器在對電機起停的控制中，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(dāng)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

5、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，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。產(chǎn)品有電感式、電容式、霍爾式、漫反射光電型。2.1.1 漫反射光電接近開關(guān)漫反射型光電開關(guān)是當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時，目標(biāo)會產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)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(biāo)的反射能力所決定得，取決于目標(biāo)表面性質(zhì)和顏色性質(zhì)；較小的裝配開支，當(dāng)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)

6、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。2.1.2 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)這種開關(guān)的測量通常是構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是開關(guān)的外殼。這個外殼在測量過程中通常是接地或與設(shè)備的機殼相連接。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)時，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通或斷開。這種接近開關(guān)檢測的對象，不限于導(dǎo)體，可以絕緣的液體或粉狀物等。2.1.3 霍爾接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)是基于霍爾效應(yīng)所制作的一種開關(guān)型霍爾元件，屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，是一種磁敏元件。它是在霍爾效應(yīng)原理

7、的基礎(chǔ)上，把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，具備工業(yè)場合實際應(yīng)用易操作和可靠性的要求?；魻栭_關(guān)就是利用霍爾元件的這一特性制作的，它的輸入端是以磁感應(yīng)強度B來表征的，當(dāng)B值達到一定的程度時，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出?；魻栭_關(guān)具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點，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。當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(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，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。2.1.4 電感式接

8、近開關(guān)電感式接近開關(guān)由三大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場。當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場，并達到感應(yīng)距離時，在金屬目標(biāo)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，從而達到非接觸式之檢測目的。2.1.5 傳感器應(yīng)用比較接近開關(guān)避免了機械觸點的接觸，大大延長了工作壽命。上述的四種接近開關(guān)，分別基于不同的傳感器原理制作而成，其適用于不同的工作情況。漫反射接近開關(guān)適用于各種工作條件，大部分的物體遮擋均能觸發(fā)漫反射傳感器，在實際的試驗臺搭建中我們所使用的傳感器即為漫反射接近開關(guān)。其有效的工作距離取決于作用物

9、體的表面性質(zhì)，而且工作距離一般較遠。電容式接近開關(guān)的接近物體也較為廣泛，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?；魻柦咏_關(guān)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。電感式接近開關(guān)只能檢測到金屬物體的接近。接近開關(guān)的選用應(yīng)當(dāng)結(jié)合生產(chǎn)工況，選擇最準(zhǔn)確，最經(jīng)濟的安裝方案。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)以及對各類型物料區(qū)分計數(shù)，均可由傳感器采集信號送入PLC系統(tǒng)后實現(xiàn)。系統(tǒng)物料的統(tǒng)一計數(shù)選用對射型紅外傳感器采集信

10、號，金屬物料與非金屬物料的區(qū)分計數(shù)可用電渦流傳感器采集金屬物料的信號進行計數(shù)，磁性物料與非磁性物料可采用霍爾傳感器進行區(qū)分信號采集。2.2.1 對射型紅外光電開關(guān)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

11、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。2.2.2 電渦流式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，具只能檢測到金屬物料，所以在此系統(tǒng)中用作金屬物料與非金屬物料的區(qū)分以及對金屬物料的計數(shù)。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

12、獲得方波信號，進而進行計數(shù)。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。所以除區(qū)分計數(shù)功能外，還可以用作測量位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度等物理量，以及對金屬材料進行無損探傷。但也正因如此，其測量結(jié)果容易受到其他因素影響，所以電渦流傳感器多用于定性測量。在定量測量時，必須采用逐點標(biāo)定、計算機線性糾正、溫度補償?shù)却胧?.2.3 霍爾傳感器霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，其本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受

13、洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)，從而在霍爾元件兩側(cè)面產(chǎn)生霍爾電動勢。接入電路中可作為變化的電壓信號，經(jīng)過應(yīng)用電路調(diào)整后，轉(zhuǎn)化為脈沖信號送入控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)對磁性物料及非磁性物料分類計數(shù)的目的?；魻杺鞲衅鞯幕魻栯妱輿Q定了其靈敏度的高低，而霍爾電勢取決于元件材料的載流子遷徙率和電阻率以及霍爾元件的厚度。所以霍爾傳感器一般使用半導(dǎo)體材料制成，厚度取0.1mm左右。在計數(shù)功能中，傳感器的電壓變化轉(zhuǎn)化為脈沖信號送入控制系統(tǒng)中，實際霍爾傳感器在其中是作為接近開關(guān)使用的，所以對其溫度誤差和回零誤差的糾正要求較為寬松?；魻杺鞲衅鞒俗鳛榉诸愑嫈?shù)器外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對位移、力、角度、加速度、電流、功率、轉(zhuǎn)速等物理量的檢測

14、，但檢測目標(biāo)僅限于磁性物體。對各個物理量的檢測本質(zhì)上都是轉(zhuǎn)化為其電動勢的變化，通過不同的調(diào)整電路，獲得所需信息。2.3 測速及定位傳感器在物料分揀系統(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有光電耦合器與碼盤組成的光電編碼器或編碼器，兩者均通過對脈沖的計數(shù)來測速以及定位。2.3.1 光電耦合器，碼盤將發(fā)光器件與光敏元件集成在一起而成，靈敏度高、反應(yīng)能力快、抗干擾

15、能力強。與碼盤（也叫光柵盤）結(jié)合形成光電編碼器。它通過碼盤上的光柵可將碼盤的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為脈沖信號，再將脈沖送入控制系統(tǒng)的計數(shù)程序，通過計算可實現(xiàn)位移的測量，從而給物料準(zhǔn)確的定位。2.3.2 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

16、器實現(xiàn)物料的定位，使物料在準(zhǔn)確的位置停下?？蓪⑿D(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLG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。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。2.3.3 傳感器功能對比編碼器和碼盤都測量位移，實現(xiàn)物料的定位，兩者所依據(jù)的原理相同。但實際中碼盤為薄金屬片，安裝上后可能會受力變形，對結(jié)果造成誤差，且單個碼盤不能辨別運動方向，需有兩個以上的碼盤組協(xié)同檢測。但碼盤的價格低廉，對于精度不高的場合較為實用，編碼器精度高，準(zhǔn)確性

17、好，且能實現(xiàn)絕對位置的測量，適用于要求較高的場合。2.4 物料分類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，采用物料顏色來區(qū)分不同的種類以確定其分揀操作所在位置。在這一過程中，選用色標(biāo)傳感器來實現(xiàn)這一功能。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，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。色標(biāo)傳感器實際是一種反向裝置，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，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很

18、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現(xiàn)檢測的。系統(tǒng)中所使用的BZJ系列的色標(biāo)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。2.5 固態(tài)繼電器光控晶閘管和發(fā)光二極管組合可構(gòu)成固態(tài)繼電器，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

19、，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)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

20、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。3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。3.1 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。“沒有傳感器技術(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(rèn)?？茖W(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)。3.2 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