工業(yè)現(xiàn)場傳感器

工業(yè)現(xiàn)場傳感器CQJTU機(jī)電與汽車工程學(xué)院伍岳光電式傳感器電感式傳感器電容式傳感器光電式傳感器（安全光幕）一.安全光幕簡介

安全光幕由投光器和受光器兩部分組成。投光器發(fā)射出調(diào)制的紅外光，由受光器接收，形成了一個保護(hù)網(wǎng)，當(dāng)是有物體進(jìn)入保護(hù)網(wǎng)，當(dāng)從中有光線被物體擋住，通過內(nèi)部控制線路，受光器電路馬上作出反應(yīng)，即在輸出部分輸出一個信號用于機(jī)床如沖床，壓力機(jī)等緊急剎車。

光幕有著非常廣泛的應(yīng)用，比如在需要不斷送取料的沖壓設(shè)備上，如果安裝接觸式安全防護(hù)門，則需要操作人員頻繁地開關(guān)防護(hù)門，這樣不但增加了操作人員的工作量，而且降低了生產(chǎn)效率。在這種情況下，采用光柵和光幕就是最佳的選擇。在操作人員送取料時，只要有身體的任何一部分遮斷光線，就會導(dǎo)致機(jī)器進(jìn)入安全狀態(tài)而不會給操作人員帶來傷害。二.基本工作原理及分類

光電保護(hù)裝置一般由光幕裝置、信號電纜、控制器、控制電纜組成。光幕裝置能夠產(chǎn)生紅外光幕，并檢測光幕的通光、遮光狀態(tài)，通過信號電纜傳送通光、遮光狀態(tài)信號；控制器一方面為光幕傳感器提供工作電源，一方面處理光幕傳感器傳送過來的通光、遮光狀態(tài)信號，利用繼電器輸出接通、斷開信號，通過控制電纜與壓力機(jī)的行程控制回路連接，或與其他設(shè)備的安全保護(hù)電路連接，達(dá)到保護(hù)人身安全的目的。

光電保護(hù)裝置根據(jù)光幕產(chǎn)生方式的不同，可分為反射式、對射式、多面保護(hù)三種形式，下面分別用示意圖加以描述。T為發(fā)光器的控制端，K為受光器的繼電器端安全光幕實物圖反射式光電保護(hù)裝置對射式光電保護(hù)裝置多面保護(hù)式光電保護(hù)裝置2.相關(guān)設(shè)計參數(shù)

1.保護(hù)高度：根據(jù)不同的工業(yè)環(huán)境的保護(hù)需求，得到不同的光柵距離，從而對其進(jìn)行不同的標(biāo)定。2.安全距離：

安全距離是指為了保證安全，光電保護(hù)裝置的光幕與危險點之間允許的最小距離，安全距離可參照下表確定，或依據(jù)公式計算得出。對于滑塊能在行程的任意位置制停止的壓力機(jī)，安全距離依公式計算

=（）控制器控制器的作用有如下四種：1.為光幕傳感器供電

輸入電源一般為AC220V/AC110V，接入控制器后，經(jīng)過變壓、整流、穩(wěn)壓，產(chǎn)生DC12V電源，為光幕傳感器供電，保證其正常工作。

如果用戶要求輸入電源為DC24V，供貨時按訂單要求提供相應(yīng)產(chǎn)品。2.信號處理

通過信號電纜與光幕傳感器連接，并將光幕傳感器傳輸過來的通光、遮光狀態(tài)信號進(jìn)行處理，驅(qū)動輸出繼電器。3.輸出控制接點信號

通過控制電纜與機(jī)械設(shè)備的控制電路連接，輸出繼電器接點信號，當(dāng)光幕處于通光狀態(tài)時，繼電器接點接通，當(dāng)光幕處于遮光狀態(tài)時，繼電器接點斷開。4.提供接地點

為整個裝置提供接地點，保證安全用電和有效防止電磁干擾。

電感式傳感器是利用線圈自感或互感的改變來實現(xiàn)測量的一種裝置?？梢詼y量位移、振動、壓力、流量、比重等參數(shù)。

電感式傳感器的核心部分是可變的自感或互感，在將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。

習(xí)慣上講的電感式傳感器通常指自感式傳感器，而互感式傳感器由于它利用變壓器原理，又往往做成差動式，故稱作差動變壓器。

此外，利用渦流原理的電渦流式傳感器，而在工業(yè)現(xiàn)場中常常使用電渦流傳感器（電磁式接近開關(guān)）。電容式傳感器（接近開關(guān)）

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動的感應(yīng)電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。

渦流的大小與金屬的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、幾何尺寸、產(chǎn)生磁場的線圈與金屬的距離x，線圈的激磁電流及其頻率等參數(shù)有關(guān)。若固定其中的若干參數(shù)，就能按渦流的大小測量出另外某一參數(shù)。

特點（1）工作可靠、壽命長；（2）靈敏度高、分辨率高;

位移:0.01μm;角度0.1”;輸出信號強，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。（3）精度高、線性好;

在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。非線性誤差：0.05%~0.1%；（4）性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。不足：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。高頻反射式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理1234561-線圈2-框架3-襯套4-支架5-電纜6-插頭測量時線圈的等效阻抗為：

測量時線圈阻抗隨金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈激勵電流的角頻率ω以及線圈與金屬導(dǎo)體的距離x等參數(shù)變化，即：

若能控制式中其它參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個參數(shù)的單值函數(shù)，從而實現(xiàn)該參數(shù)的測量。工作原理工作原理示意圖

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)生一個變交磁場，并達(dá)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(dá)到非接觸式之檢測目的。標(biāo)離傳感器越近，線圈內(nèi)的阻尼就越大，阻尼越大，傳感器振蕩器的電流越小。電感式接近傳感器應(yīng)用舉例每個脈沖對應(yīng)的長度：被測物總長度：1、生產(chǎn)中測量產(chǎn)品的長度2、生產(chǎn)線工件的計數(shù)3、機(jī)械手的限位4、生產(chǎn)工件加工定位5、時序控制電容式傳感器（接近開關(guān)）電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。特點：（1）小功率、高阻抗。（2）小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。（3）本身發(fā)熱影響小。（4）可進(jìn)行非接觸測量。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。工作原理及類型電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容器和測量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時，對圖示平行極板電容器，電容量為+

S

r d

_

可見：在S、d、ε三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)(如位移、壓力、液位等)的變化引起S、d、ε三個參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類：(1)極距變化型電容傳感器；(2)面積變化型電容傳感器；(3)介質(zhì)變化型電容傳感器。電容式傳感器的全等效電路如圖所示。圖中，L為包括引線電纜的電感和電容式傳感器本身的電感；r包括引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；Rg是極間等效漏電阻，包含極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容。

電容式傳感器電容量一般很小，容抗很大，而工作頻率一般較高，故略去圖中電阻的影響，電容式傳感器的等效阻抗為：式中，C=CP+C0則等效電容為實際電容相對變化為因此實際的靈敏度為可見電容傳感器的等效靈敏度Ke與傳感器的固有電感L有關(guān)，且隨ω變化而變化。因此，在實際應(yīng)用前必須要進(jìn)行標(biāo)定，否則將會引入測量誤差。調(diào)頻測量電路

調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。當(dāng)被測信號為零時,△C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0，即:調(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量，易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機(jī)通訊，抗干擾能力強。當(dāng)電容發(fā)生變化時，頻率變?yōu)槿鐖D,C1、C2為傳感器的差動電容，當(dāng)電源接通時，設(shè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的A端為高電位，B端為低電位，因此A點通過R1對Cl充電，直至F點上的電位等于參考電壓Ur時，比較器A1產(chǎn)生一個脈沖，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點成低電位，B點成高電位。此時F點電位經(jīng)二極管VD1迅速放電至零，而同時B點的高電位經(jīng)R2向C2充電。當(dāng)G點的電位充至Ur時，比較器A2產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次，使A點成高電位，B點成低電位，又重復(fù)上述過程。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的脈沖方波。

C1＝C2時

C1>C2時

1．電容式接近開關(guān)齊平式非齊平式電容式接近開關(guān)外形圖示為電容