第7章力學(xué)量和運(yùn)動(dòng)學(xué)量檢測(cè)

第7章力學(xué)量和運(yùn)動(dòng)學(xué)量1.力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)2.運(yùn)動(dòng)學(xué)量檢測(cè)技術(shù)3.接近傳感器與轉(zhuǎn)速測(cè)量

本章學(xué)習(xí)要求：7.1力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)

力學(xué)量包括力、力矩、應(yīng)力、質(zhì)量和稱重等。位移傳感器與變換力的彈性敏感元件組合可以測(cè)量力。稱重是使用地點(diǎn)重力加速度和空氣浮力來(lái)測(cè)量質(zhì)量的；而測(cè)力則用于力的比較和傳遞。力的單位是牛頓，質(zhì)量的單位是克。力學(xué)量傳感器明確地分為測(cè)力傳感器和稱重傳感器。

一、

測(cè)力傳感器及其應(yīng)用

1.YDS-781型壓電式單向力傳感器

如圖是YDS-781型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)，它主要用于變化頻率中等的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量，如車床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)試。被測(cè)力通過(guò)傳力上蓋1傳遞到壓電石英晶片2上。兩塊晶片沿電軸反方向疊起，中間是一個(gè)片形電極，它收集負(fù)電荷。兩壓電晶片正電荷表面分別與傳感器的傳力上蓋和底座6相連，構(gòu)成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。片形電極和傳感器底座通過(guò)電極引出插頭4與外部電纜相接。該傳感器的測(cè)力范圍為0～5000N，固有頻率約為數(shù)十千赫茲。YDS-781型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)

刀具切削力測(cè)量示意圖

2.金屬加工切削力的測(cè)量

如圖是利用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行測(cè)量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過(guò)刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化便測(cè)得切削力的變化。

如圖是拉刀的切削力試驗(yàn)圖。在拉削加工中，因?yàn)榍邢魉俣鹊停梢栽诶兜目ň呱险迟N應(yīng)變片進(jìn)行受力狀態(tài)的測(cè)試。應(yīng)變片與測(cè)試電路組成橋路并由放大電路及示波器進(jìn)行測(cè)試。拉刀切削力試驗(yàn)圖

3.壓電引信

壓電引信是利用鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)制成的一種彈丸起爆裝置。

它具有瞬發(fā)度高、

靈敏度低、

不需配置電源等特點(diǎn)，

常應(yīng)用在破甲彈上，

對(duì)提高彈丸的破甲能力起著非常重要的作用。

壓電引信由壓電晶體和起爆裝置兩部分組成，壓電晶體放在彈丸的頭部，

起爆裝置設(shè)置在彈丸的尾部，

如圖所示。

使用壓電引信的破甲彈

壓電引信電路

當(dāng)彈丸與裝甲目標(biāo)相遇時(shí)，

碰撞力使壓電晶體產(chǎn)生電荷，經(jīng)導(dǎo)線傳給電雷管使其起爆，

并引起彈丸的爆炸，

錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化，

形成高溫高速的金屬流將鋼甲穿透，

起到殺傷作用。

壓電晶體產(chǎn)生的電荷將從電阻R泄放掉，不會(huì)使電雷管動(dòng)作。彈丸發(fā)射后，引信起爆裝置解除保險(xiǎn)狀態(tài)，開關(guān)S從a處斷開，與b接通，處于待發(fā)狀態(tài)。二、扭矩的測(cè)量

1.測(cè)量原理

扭矩是一種力矩，它是改變物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

扭矩的大小可用下式表示，即

M=lF

式中，

M為扭矩；l為轉(zhuǎn)軸與力作用點(diǎn)的距離（即力臂）；F為力。

扭矩傳感器與力傳感器一樣，要使用彈性元件。它利用彈性體把扭矩轉(zhuǎn)換為角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。一些扭轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)

用于扭矩傳感器的彈性元件是扭矩軸，如圖所示。把扭轉(zhuǎn)軸連接在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間，扭轉(zhuǎn)軸就會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角可用下式表示，即（7-2）

式中，θ為扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角;L為扭轉(zhuǎn)軸長(zhǎng);D為扭轉(zhuǎn)軸直徑;G為扭轉(zhuǎn)軸材料的彎曲系數(shù)。從式中可以看出，當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸的參數(shù)固定，扭矩對(duì)扭轉(zhuǎn)軸作用時(shí)，產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角與扭矩成正比關(guān)系。因此只要測(cè)得扭轉(zhuǎn)角，便可知扭矩的大小。

2.扭矩傳感器

1）應(yīng)變片式扭矩傳感器

如圖是應(yīng)變片式扭矩傳感器的工作原理圖。扭轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，在相對(duì)于軸中心線45°方向上產(chǎn)生的應(yīng)力最大，應(yīng)變也最大。沿扭轉(zhuǎn)軸中心線45°方向粘貼四個(gè)電阻應(yīng)變片，并組成橋式電路，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電壓輸出。由此便可測(cè)量扭矩的大小。為了給旋轉(zhuǎn)的應(yīng)變片輸入電壓和從電橋中取出檢測(cè)信號(hào)，在扭轉(zhuǎn)軸上安裝有集電環(huán)和電刷。它是一種接觸式測(cè)量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。應(yīng)變片式扭矩傳感器工作原理圖

2）振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器

振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，將套筒1、2分別卡在被測(cè)軸的兩個(gè)相鄰面上，然后將振弦5與6分別安裝在套筒上的支架3、4和3′、4′上，安裝時(shí)必須使振弦具有一定的預(yù)應(yīng)力。當(dāng)被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞轉(zhuǎn)矩T時(shí)，軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，致使其兩相鄰截面扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，造成振弦5受到拉力，振弦6受到壓力。在被測(cè)軸的彈性變形范圍內(nèi)，軸的扭轉(zhuǎn)角與外加轉(zhuǎn)矩T成正比，而振弦的張力又與扭轉(zhuǎn)角成正比。可以用測(cè)量傳感器輸出差頻信號(hào)來(lái)測(cè)量被測(cè)軸上所承受的轉(zhuǎn)矩。振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器

3）磁致伸縮式扭矩傳感器磁致伸縮式扭矩傳感器的轉(zhuǎn)換原理是磁致伸縮效應(yīng)。采用鐵磁材料制作的扭轉(zhuǎn)軸在受到扭矩作用時(shí)，扭轉(zhuǎn)軸中產(chǎn)生方向性應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)軸表面的磁場(chǎng)分布會(huì)變得不對(duì)稱，從而出現(xiàn)磁的各向異性。磁致伸縮式扭矩傳感器工作原理圖（a）

結(jié)構(gòu)原理；

（b）

橋路原理

如圖是磁致伸縮式扭矩傳感器工作原理圖。為了檢測(cè)扭轉(zhuǎn)軸由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在離扭轉(zhuǎn)軸表面1～2mm處設(shè)置有兩個(gè)交叉90°的鐵芯1和2，在鐵芯1上繞有勵(lì)磁線圈，在鐵芯2上繞有感應(yīng)線圈。兩個(gè)線圈與檢測(cè)電路組成一個(gè)磁橋。

鑒于以下優(yōu)點(diǎn)，磁致伸縮式扭矩傳感器被廣泛應(yīng)用于大型動(dòng)力機(jī)械的扭矩測(cè)量。（1）可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，避免了接觸測(cè)量需經(jīng)常檢修的麻煩，也沒(méi)有電刷和集流環(huán)產(chǎn)生的干擾信號(hào)，因而工作可靠，堅(jiān)固耐用。（2）對(duì)扭轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)要求不高，一般采用低碳鋼即可。（3）

當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸切應(yīng)力在3000N/cm2以下時(shí)，輸出電勢(shì)與扭矩呈線性關(guān)系，

測(cè)量誤差較小。

三、電子皮帶秤

電子皮帶秤是一種能連續(xù)稱量散狀顆粒物料重量的裝置，它不但可以對(duì)某一瞬間在輸送帶上的輸送物料重量進(jìn)行稱重，而且還可以在某段時(shí)間內(nèi)對(duì)輸送的物料總重進(jìn)行稱重。因此，電子皮帶秤在建材水泥、煤礦、冶金化工和糧倉(cāng)、碼頭等場(chǎng)合中得到了普遍的應(yīng)用。

電子皮帶秤工作原理圖

電子皮帶秤的工作原理如圖所示，電子皮帶秤主要由稱重橋架與稱重傳感器、測(cè)速傳感器、稱重儀表等組成；皮帶秤上使用著兩個(gè)傳感器，一個(gè)是測(cè)力傳感器，它通過(guò)皮帶下方的稱架感受稱量區(qū)間L的物料重量；另一個(gè)為測(cè)速傳感器，它和皮帶導(dǎo)輪同軸，當(dāng)皮帶傳動(dòng)時(shí)，通過(guò)導(dǎo)輪隨動(dòng)檢測(cè)皮帶的運(yùn)行速度。在電子皮帶秤某一稱量區(qū)間的物料重量為

W（t）=q（t）L

式中，W（t）為L(zhǎng)區(qū)間的物料重量；q（t）為皮帶單位長(zhǎng)度上的物料重量；L為區(qū)間長(zhǎng)度。皮帶在單位時(shí)間內(nèi)的輸送量為

Q（t）=Lq（t）v（t）

式中，Q（t）為單位時(shí)間里的輸送物料的重量；v（t）為皮帶速度。這樣，只要將測(cè)力傳感器輸出經(jīng)放大的信號(hào)U1和測(cè)速傳感器經(jīng)頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的信號(hào)U2經(jīng)乘法器相乘，便可得知皮帶在單位時(shí)間內(nèi)的輸送量。將此值經(jīng)積分即可得到t時(shí)間內(nèi)物料總量。四、電子計(jì)價(jià)秤

電子計(jì)價(jià)秤通常是指稱量范圍在3～30kg內(nèi)帶有計(jì)價(jià)功能的商用案秤。一般電子秤的外形圖如圖所示。在前面的三個(gè)數(shù)字顯示窗口中，左面的為質(zhì)量顯示，中間的為商品單價(jià)顯示，右面的為計(jì)價(jià)顯示。通過(guò)鍵盤可輸入商品單價(jià)，稱量物品后，計(jì)價(jià)顯示窗口便顯示金額。電子計(jì)價(jià)秤的外形圖

圖7-13雙復(fù)梁式稱重傳感器（a）

雙連橢圓孔結(jié)構(gòu)；

（b）

四連孔結(jié)構(gòu)

1）稱重傳感器

電子計(jì)價(jià)秤通常選用如圖所示的以鋁合金為材料的雙復(fù)梁式結(jié)構(gòu)的稱重傳感器。其中，（a）為雙連橢圓孔構(gòu)成應(yīng)力集中合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，秤盤用懸臂梁端部上平面的兩個(gè)螺孔緊固；（b）為用四連孔構(gòu)成應(yīng)力集中合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，秤盤用懸臂梁端部側(cè)面的兩個(gè)螺孔緊固，中間圓孔安插過(guò)載保險(xiǎn)支桿。

以上兩種結(jié)構(gòu)形式的稱重傳感器均可通過(guò)銼磨修正四角誤差。

當(dāng)稱重傳感器受外力F作用時(shí)，

產(chǎn)生平行四邊形變形，

四個(gè)應(yīng)變片分別粘貼在變形較大的部位，

電阻值隨之變化。

當(dāng)外載荷改變時(shí)，

由四個(gè)電阻應(yīng)變片組成的電橋輸出電壓與外加載荷成正比。

7.2運(yùn)動(dòng)學(xué)量檢測(cè)技術(shù)

一、振動(dòng)的概念

物體圍繞平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。

1）振動(dòng)的類型（1）按振動(dòng)對(duì)象分類：如機(jī)械振動(dòng)、土木振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器及爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。（2）按振動(dòng)頻率分類：如高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)、超低頻振動(dòng)。（3）按信號(hào)特征分類：如周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)等。

2）振動(dòng)測(cè)量的內(nèi)容振動(dòng)測(cè)量的內(nèi)容包括振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅、振動(dòng)速度和加速度。

3）振動(dòng)傳感器的類型（1）

非接觸式傳感器：

如電容式、

霍爾式、

光電式等。

如圖所示，

將傳感器置于試件的最大振幅處，可以測(cè)量振幅。

用電渦流傳感器測(cè)量時(shí)，

試件材料為金屬導(dǎo)體，

圖（a）表示測(cè)量轉(zhuǎn)軸的徑向振幅，

若要測(cè)量軸向振幅，可將傳感器安裝在軸的端部；（b）表示測(cè)量彈簧片的振幅；

(c)表示測(cè)量復(fù)雜形狀試件，

如機(jī)床等，

用多個(gè)傳感器分別測(cè)量各個(gè)部位的振動(dòng)情況，

以便進(jìn)行研究分析。若要測(cè)量非金屬材料的振動(dòng)，

可用光電式傳感器等。

用電渦流傳感器測(cè)量振幅原理圖（a）

轉(zhuǎn)軸的徑向振幅；

（b）

測(cè)量彈簧片的振幅；

（c）

測(cè)量復(fù)雜形狀試件

（2）

接觸式傳感器：

如磁電式、

電感式、

壓電式等。

接觸式振動(dòng)傳感器必須由質(zhì)量塊、

彈簧和阻尼元件組成機(jī)械二階系統(tǒng)。

其固有振動(dòng)頻率為

（7-7）

式中，f0為傳感器的固有振動(dòng)頻率；K為彈簧的剛度；m為質(zhì)量塊的質(zhì)量。

在振動(dòng)測(cè)量中主要考慮傳感器固有振動(dòng)頻率f0和被測(cè)振動(dòng)頻率f的關(guān)系，可分別測(cè)量振幅、速度和加速度。

(1)當(dāng)f0≤5f時(shí)，質(zhì)量塊與振動(dòng)體振幅成正比，用以測(cè)量振幅，稱為振幅計(jì)。如差動(dòng)變壓器式測(cè)振儀。

(2)當(dāng)f0=f且阻尼很大時(shí)，質(zhì)量塊與振動(dòng)體速度成正比，用以測(cè)量速度，稱為速度計(jì)。如電動(dòng)式測(cè)振儀。

(3)當(dāng)f0≥f時(shí)，質(zhì)量塊與振動(dòng)體加速度基本一致，用以測(cè)量加速度，稱為加速度計(jì)。如壓電式加速度傳感器。二、加速度傳感器與刀具磨損監(jiān)測(cè)

1.應(yīng)變式加速度傳感器

如圖所示，應(yīng)變式加速度傳感器是利用電阻應(yīng)變片3作為轉(zhuǎn)換元件，與質(zhì)量塊1和彈性梁2構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，傳感器外殼與被測(cè)物剛性固定在一起，當(dāng)被測(cè)物體作上下加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力F=ma，使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，通過(guò)應(yīng)變片檢測(cè)出懸臂梁的應(yīng)變量。當(dāng)振動(dòng)頻率小于傳感器的固有振動(dòng)頻率時(shí)，懸臂梁的應(yīng)變量與加速度成正比。應(yīng)變式加速度傳感器不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合，一般適用頻率為10～60Hz。應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.

電容式加速度傳感器

3.

電感式加速度傳感器

4.磁電式加速度傳感器

5.壓電式加速度傳感器

6.刀具磨損振動(dòng)監(jiān)測(cè)法

三、線速度測(cè)量

1.空間濾波器測(cè)速

由上式可知，速度v可用空間頻率來(lái)描述。

空間濾波器的工作原理如圖所示，在柵格板上刻有透明與不透明的相間狹縫，設(shè)在空間長(zhǎng)度l內(nèi)有N個(gè)等距狹縫，當(dāng)柵格板移動(dòng)時(shí)，光檢測(cè)器件便可感受到光源的明暗變化。明暗變化的空間頻率μ＝N/l。如果柵格板的移動(dòng)速度為v，移動(dòng)l所需的時(shí)間為t，則光檢測(cè)器檢測(cè)到的時(shí)間頻率為f＝N/t。由于N＝μl，時(shí)間頻率和空間頻率的關(guān)系為空間濾波器是能夠選擇一定空間頻率段的器件?？臻g頻率是指單位空間線度內(nèi)物理量周期性變化的次數(shù)。空間濾波器測(cè)速原理圖

當(dāng)點(diǎn)光源沿著圖中y的方向以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)光源的光通過(guò)光學(xué)透鏡成像在叉指式光電池柵格上，光電池便會(huì)輸出頻率為f的脈沖串。選擇光電池柵格尺寸和形狀能使柵格對(duì)一定空間頻率有選擇性，那么物體運(yùn)動(dòng)的速度就可以變換為時(shí)間頻率信號(hào)?？臻g濾波器輸出信號(hào)的中心頻率跟速度成正比，因此，通過(guò)測(cè)頻便可達(dá)到測(cè)速的目的。在實(shí)際的測(cè)量中所使用的不是點(diǎn)光源，具有任意輝度分布的光源都可以利用。這種傳感器可以用來(lái)檢測(cè)傳送帶、鋼板、車輛等的運(yùn)動(dòng)速度，也可用于轉(zhuǎn)動(dòng)物體為背景的角速度測(cè)量。它的檢測(cè)范圍為1.5～250km/h，測(cè)量精度可達(dá)0.5%。

2.多普勒效應(yīng)測(cè)速

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一地點(diǎn)，兩者無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而被測(cè)物體以速度v向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度v可以用式所示的多普勒頻率來(lái)描述。

1）多普勒雷達(dá)測(cè)速多普勒雷達(dá)的電路原理框圖，如圖所示。多普勒雷達(dá)電原理框圖

它由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收到的回波信號(hào)經(jīng)混頻器混頻后，兩者產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，差頻的頻率正好為多普勒頻率。

利用多普勒雷達(dá)可以對(duì)物體的線速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。

式中，v為被測(cè)物體的線速度；θ為電磁波方向與速度方向的夾角；λ0為電磁波的波長(zhǎng)；vcosθ為電磁波方向上被測(cè)物體的速度分量。

如圖是檢測(cè)線速度的工作原理圖。多普勒雷達(dá)產(chǎn)生的多普勒頻率為:多普勒雷達(dá)檢測(cè)線速度工作原理圖

2）激光多普勒測(cè)速原理根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)激光作為光源照射運(yùn)動(dòng)物體或流體時(shí)，

其反射或散射光的頻率將隨物體或流體的速度變化。所示為激光多普勒測(cè)速示意圖。將激光器發(fā)出的光作為參考光束，與散射光束在分光鏡上產(chǎn)生差頻，經(jīng)光電器件將頻率差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該電信號(hào)與物體或流體運(yùn)動(dòng)速度成比例。由于激光頻率高，而頻率的測(cè)量又可達(dá)到極高的精度，因此激光多普勒測(cè)速可用于高精度、寬范圍（1cm/h的超低速～超音速的高速）非接觸性的測(cè)量中。

7.3接近傳感器與轉(zhuǎn)速測(cè)量一、接近傳感器的類型與選擇

1.接近傳感器的特點(diǎn)

與機(jī)械開關(guān)相比，接近傳感器具有以下特點(diǎn)：（1）非接觸測(cè)量，無(wú)機(jī)械力影響，測(cè)量精度高。（2）無(wú)機(jī)械磨損和疲勞破壞，使用壽命長(zhǎng)。（3）反應(yīng)快，轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)100次/s。（4）可采用封閉式結(jié)構(gòu)，有防塵、防濕的功能。（5）無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)噪音，輸出信號(hào)靈活，能適應(yīng)各種后置處理的需要。

（6）體積小，能適應(yīng)各種使用場(chǎng)合，也便于設(shè)計(jì)造型。

2.接近傳感器的分類

1）按原理分類因?yàn)槲灰苽鞲衅骺梢愿鶕?jù)不同的工作原理制作，

而不同的位移傳感器對(duì)物體接近的感知方法也不同，

所以常見的接近傳感器的形式有電感式、

電渦流式、

電容式、

霍爾式、

干簧式、

光電式、

熱釋電式、

多普勒式、

電磁感應(yīng)式、

微波式、

超聲波式等。

電感式和電渦流式只能感應(yīng)金屬體；

電容式可感應(yīng)非金屬體；

光電式對(duì)金屬體和非金屬體都能感應(yīng)；

霍爾式和干簧式可感應(yīng)磁性體。

2）按結(jié)構(gòu)分類（1）一體式：感應(yīng)頭和信號(hào)處理電路置于一體中，又分螺紋式和基地式兩種。（2）分離式：感應(yīng)頭和信號(hào)處理電路分開安裝。（3）組合式：有多個(gè)感應(yīng)頭組合在一體中。

3）按工作電壓分類（1）直流型：工作電壓為5～30V。（2）交流型：工作電壓為AC220V或AC110V。

4）按輸出信號(hào)分類（1）正邏輯輸出：當(dāng)傳感器感應(yīng)到信號(hào)時(shí)，輸出從0跳變成1。（2）負(fù)邏輯輸出：當(dāng)傳感器感應(yīng)到信號(hào)時(shí)，輸出從1跳變成0。

5）按輸出引線分類（1）四線制：兩根電源線，兩根正、負(fù)邏輯輸出的信號(hào)線。（2）三線制：兩根電源線，一根正或負(fù)邏輯輸出的信號(hào)線。（3）二線制：兩根電源線與信號(hào)線合二為一。

6）按輸出電信號(hào)性質(zhì)分類（1）電流輸出：能輸出50～500mA的電流，能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。（2）電壓輸出：用以和各種數(shù)字電路相配合。（3）觸點(diǎn)輸出：用微型繼電器的觸點(diǎn)輸出。（4）光耦輸出：感應(yīng)信號(hào)與輸出信號(hào)隔離，用于計(jì)算機(jī)控制。

7）按信號(hào)傳送方式分類（1）有線傳送：感應(yīng)頭信號(hào)與后置處理電子線路直接相連。（2）無(wú)線傳送：用于運(yùn)動(dòng)中的物體測(cè)試，或不能靠近、不能連線的場(chǎng)合。

3.接近傳感器的應(yīng)用（1）定位控制：在定位控制中應(yīng)用最廣的是電感式接近開關(guān)。距離5mm可輸出信號(hào)，精度可達(dá)±2mm。（2）限位控制：它是指對(duì)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備中運(yùn)動(dòng)件的控制，如龍門刨的工作行程，沖床、摩擦壓力機(jī)的沖程，搖臂擺動(dòng)角度的行程等。（3）

計(jì)數(shù)及計(jì)數(shù)控制：

它是工業(yè)自動(dòng)化中的重要內(nèi)容之一，

如沖床的沖件計(jì)數(shù)，

飲料生產(chǎn)線的瓶罐計(jì)數(shù)，

彩電、

冰箱生產(chǎn)線的產(chǎn)品計(jì)數(shù)，

電線、

塑料、

紙張的長(zhǎng)度計(jì)數(shù)以及轉(zhuǎn)速測(cè)量等等。

（4）物位控制：在各種生產(chǎn)線中經(jīng)常需要自動(dòng)加料，如在面粉、塑料、水泥、飲料、藥品等生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)這些非金屬材料料位的檢測(cè)和控制，一般都采用電容式接近開關(guān)，對(duì)液位的控制常采用光電開關(guān)。其它超聲波、微波、激光等傳感器也可以用來(lái)檢測(cè)料位。（5）邏輯控制：在機(jī)械設(shè)備的啟動(dòng)或運(yùn)動(dòng)中，需要若干個(gè)動(dòng)作按一定的時(shí)序進(jìn)行，利用接近傳感器和相應(yīng)的電路即可實(shí)現(xiàn)。（6）

安全保護(hù)控制：

在工業(yè)生產(chǎn)中，高溫、高壓、有毒等場(chǎng)所，人不易靠近，

可用光電開關(guān)報(bào)警；

儲(chǔ)存貴重材料或成品，

需要大面積的保護(hù)區(qū)，可用光電開關(guān)防盜報(bào)警；

對(duì)于沖床及壓力機(jī)等設(shè)備，用組合式光電感應(yīng)頭形成光簾，

在人手伸進(jìn)時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

4.接近傳感器的選用原則

1）按使用要求選擇（1）定位限位計(jì)數(shù)及邏輯控制：可選用JCK系列電感式接近開關(guān)，JCL系列霍爾式接近開關(guān)，JCH系列干簧式接近開關(guān)。（2）粉料、粒料及液位控制、塑料定位及計(jì)數(shù)：可選用JCE系列電容式接近開關(guān)、JCG系列光電開關(guān)。（3）

判光標(biāo)、

判顏色運(yùn)動(dòng)邊線定位及計(jì)數(shù)控制、

定長(zhǎng)控制：

選用JCG系列光電開關(guān)。

2）按動(dòng)作距離選擇動(dòng)作距離是接近傳感器的首選參數(shù)。

選用動(dòng)作距離小，

調(diào)試?yán)щy；

選用動(dòng)作距離偏大，

動(dòng)作距離內(nèi)的其它物體也會(huì)起作用，

因此抗干擾能力差。

對(duì)于機(jī)床等以導(dǎo)軌形式運(yùn)動(dòng)的部件，

其平直度好，

可選用動(dòng)作距離小的電感式接近開關(guān)。

對(duì)于傳送帶、

送料車等，

應(yīng)選用動(dòng)作距離較大的接近開關(guān)，

同時(shí)應(yīng)使動(dòng)作距離大于最大晃動(dòng)差的2倍。

一般情況下，

應(yīng)選用動(dòng)作距離5～12mm為好。

3）按輸出信號(hào)要求選擇考慮到電源和不同輸出信號(hào)的要求，

接近開關(guān)形成了不同的引線制。

交流型接近開關(guān)一般均為二線制，

使用較為方便。

大部分直流接近開關(guān)均用三線制，

即兩根電源線，

一根信號(hào)線，

輸出正邏輯或負(fù)邏輯，

因此一定要判明是正邏輯還是負(fù)邏輯。

四線制增加了一根信號(hào)線，

一根輸出正邏輯，

另一根輸出負(fù)邏輯，

相當(dāng)于繼電器的動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)。

如果系統(tǒng)對(duì)接近開關(guān)狀態(tài)不確定的情況下，

應(yīng)選用四線制接近開關(guān)。

在輸出功能已確定為正輸出或負(fù)輸出的情況下，

可選用三線制接近開關(guān)。

如果還需要簡(jiǎn)化，

則選用二線制接近開關(guān)。

如果需要現(xiàn)場(chǎng)與計(jì)算機(jī)或PC機(jī)控制系統(tǒng)隔離，

則應(yīng)用帶光耦器件或繼電器的接近開關(guān)。

4）按工作電源選擇為了滿足不同的工作需要，

接近開關(guān)采用多種電源，

如工作電壓為直流5V、12V、24V等。JCK系列電感式接近開關(guān)工作電壓在直流5～30V范圍內(nèi)均可正常工作，

用戶可根據(jù)具體需要來(lái)選用。

如作為計(jì)算機(jī)開關(guān)量信號(hào)輸入，

可采用直流5V。

如與繼電器相連，

則可根據(jù)繼電器所需工作電壓來(lái)選用直流12V、

24V等等。

選用直流電源，

使用安全，

傳感器壽命長(zhǎng)。

若需要與強(qiáng)電直接相連，

則選用交流220V的電源，

可減少信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

若選用了直流型接近開關(guān)，

又想使用交流電源，

可選用JCM型電源功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在防爆場(chǎng)合，

可選用無(wú)源接近開關(guān)。

5）按信號(hào)感應(yīng)面的位置選擇接近開關(guān)的信號(hào)感應(yīng)面都在一定的位置上。

對(duì)螺紋式接近開關(guān)來(lái)說(shuō)，

其信號(hào)感應(yīng)面均在前端面，

而對(duì)于基座式電子開關(guān)來(lái)說(shuō)，

其信號(hào)感應(yīng)面可在前端面、

上側(cè)面、

左側(cè)面、

右側(cè)面等四個(gè)位置，

用戶可根據(jù)使用中的安裝方式來(lái)選擇感應(yīng)面的合適位置。

6）按工作環(huán)境選擇工作環(huán)境也是選擇的依據(jù)。對(duì)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線、有油污或近高溫的場(chǎng)合不宜采用塑料外殼的接近開關(guān)，因油污會(huì)加速塑料外殼的老化或過(guò)熱引起塑殼的變形，應(yīng)采用金屬外殼為好。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)有灰塵、有毒、有干擾的環(huán)境，應(yīng)采用分離式接近開關(guān)，而光電開關(guān)盡量避免在有灰塵的場(chǎng)合使用。

7）按價(jià)格選擇對(duì)接近開關(guān)來(lái)說(shuō)，如果體積愈小，則工藝要求愈高價(jià)格也愈貴。所以在實(shí)際情況許可的條件下，應(yīng)盡量選用體積較大的電子開關(guān)為好。為了適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要，往往一個(gè)接近開關(guān)有多種功能，所以對(duì)批量較大的產(chǎn)品，應(yīng)選用功能夠用、價(jià)格便宜的接近開關(guān)。多余的功能不但與價(jià)格有關(guān)，而且也增加了不可靠環(huán)節(jié)?？傊?/p>

對(duì)于接近開關(guān)的選用，必須綜合權(quán)衡利弊得失，

選擇一個(gè)最佳的組合，

得到最好的效果。

二、接近傳感器

1.電容式接近傳感器

1）電容式接近傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開關(guān)。

它由高頻振蕩電路、

檢波電路、

放大電路、

整形電路及輸出電路組成，如圖所示。電容式接近傳感器電路框圖

平時(shí)檢測(cè)電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測(cè)物體接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)物體就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象。被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的電荷就越多。由于檢測(cè)電極的靜電電容C＝Q/U，所以電荷的增多使電容C隨之增大，從而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)后向外輸出。

電容式接近傳感器的形狀及結(jié)構(gòu)隨用途的不同而各異。

應(yīng)用最多的是如圖所示的圓柱型接近傳感器.當(dāng)檢測(cè)物體和檢測(cè)電極之間隔有不靈敏的物體如紙帶、玻璃時(shí)，調(diào)節(jié)該電位器可使傳感器不檢測(cè)夾在中間的物體，此外，還可用此電位器調(diào)節(jié)工作距離。電路中還裝有指示傳感器工作狀態(tài)的工作指示燈，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，該指示燈點(diǎn)亮。

它主要由檢測(cè)電極、檢測(cè)電路、引線及外殼等組成。檢測(cè)電極設(shè)置在傳感器的最前端，檢測(cè)電路裝在外殼內(nèi)并由樹脂灌封。在傳感器的內(nèi)部還裝有靈敏度調(diào)節(jié)電位器。

2）電容式接近傳感器的特性（1）電容變化與響應(yīng)距離的關(guān)系：當(dāng)傳感器與被測(cè)物體距離超過(guò)數(shù)毫米時(shí)，靈敏度急劇下降，且響應(yīng)曲線的形狀與被測(cè)物體的材料有關(guān)。（2）

檢測(cè)距離與被測(cè)物體的關(guān)系：

電容式接近傳感器的檢測(cè)距離與被測(cè)物體的大小和材料有關(guān)。

接地金屬和非接地金屬的檢測(cè)距離有較大的差別，

對(duì)非接地金屬的檢測(cè)距離要比接地金屬的距離小許多。（3）動(dòng)作頻率：電容式接近傳感器有直流型和交流型兩種。直流型電容式接近開關(guān)的動(dòng)作頻率為70～200Hz，而交流型電容式接近傳感器的動(dòng)作頻率為10Hz。（4）動(dòng)作距離偏差：在-25～70℃范圍內(nèi)，電容式接近傳感器檢測(cè)距離的偏差為±15%。（5）

動(dòng)作滯差：電容式接近傳感器的動(dòng)作滯差與檢測(cè)距離有關(guān)，檢測(cè)距離越大，

動(dòng)作滯差也越大，

在通常情況下為3%～15%。3）使用電容式接近傳感器時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題（1）檢測(cè)區(qū)不應(yīng)有金屬物體，傳感器與周圍金屬物體的距離應(yīng)大于80mm。同時(shí)，檢測(cè)區(qū)不應(yīng)安裝另外的接近傳感器。（2）在安裝使用時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離高頻電場(chǎng)。

2.電感式接近傳感器

1）電感式接近傳感器的工作原理電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、

檢波電路、

放大電路、

整形電路及輸出電路組成，如圖所示。檢測(cè)用敏感元件為檢測(cè)線圈，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分。在檢測(cè)線圈的工作面上存在一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近檢測(cè)線圈時(shí)，金屬物體就會(huì)產(chǎn)生渦流而吸收振蕩能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)輸出。

2）電感式接近傳感器的主要特性（1）被測(cè)體尺寸與檢測(cè)距離的關(guān)系：當(dāng)被測(cè)體的厚度一定，被測(cè)體的邊長(zhǎng)大于30mm時(shí)，檢測(cè)距離不再受被測(cè)體邊長(zhǎng)的影響，僅隨被測(cè)金屬材料的不同而不同。（2）被測(cè)體厚度與檢測(cè)距離的關(guān)系：檢測(cè)物體的厚度對(duì)檢測(cè)距離有著較大的影響。實(shí)驗(yàn)證明，不同的檢測(cè)體材料對(duì)檢測(cè)距離的影響也不一樣，銅、鋁等非磁性金屬材料的厚度在0.01mm左右時(shí)，檢測(cè)距離與磁性材料相同，但隨著材料厚度的增加，檢測(cè)距離急劇減小。對(duì)于磁性材料來(lái)說(shuō)，當(dāng)其厚度超過(guò)1mm時(shí)，檢測(cè)距離是穩(wěn)定的。（3）

金屬材料表面鍍層對(duì)檢測(cè)距離的影響：

不同材料的鍍層和不同厚度的鍍層對(duì)檢測(cè)距離都有影響。

4.光電開關(guān)

1）反射分離型主動(dòng)開關(guān)

如圖為分離型光電開關(guān)的工作原理框圖。它采用主動(dòng)式探測(cè)系統(tǒng)，由振蕩電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)發(fā)射電路調(diào)制二極管的發(fā)光，光敏元件將接收的反射光信號(hào)送入接收電路，經(jīng)放大電路放大、同步電路選通整形，再進(jìn)行檢波及積分濾波，然后延時(shí)，直接觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。F系列分離型都采用脈沖調(diào)制方式，具有穩(wěn)定可靠，抗光干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。工作電壓有AC110V、AC220V、DC12V三種，交流直流電源可自動(dòng)切換，保持工作不間斷。分離型光電開關(guān)可任意選配傳感器，可得到數(shù)百種不同要求的檢測(cè)控制功能，使用十分方便。

2）一體化光電開關(guān)把傳感器與控制器組合在一起稱為一體化光電開關(guān)。

適用于遠(yuǎn)距離及微小物體的檢測(cè)以及高速運(yùn)動(dòng)或高精度定位物體的檢測(cè)。

改變電源極性可實(shí)現(xiàn)亮動(dòng)、

暗動(dòng)的切換。

它設(shè)有靈敏度調(diào)整鈕，

有利于消除背景物干擾以及判別缺陷和選擇最佳工作區(qū)。

5.霍爾式接近開關(guān)

用霍爾開關(guān)集成電路構(gòu)成接近開關(guān)或無(wú)觸點(diǎn)行程開關(guān)，有外圍電路少、信號(hào)強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境條件要求不高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用作工位識(shí)別、停動(dòng)識(shí)別、極限位置識(shí)別、運(yùn)動(dòng)方向識(shí)別、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別傳感器及可逆計(jì)數(shù)傳感