第5章 常用檢測元件

第5章常用檢測元件2023/2/51要點概述本章第一節(jié)介紹了能夠在磁性材料作用下導通的干簧管及霍爾元件等磁性傳感器組成的檢測開關。第二節(jié)介紹了電感式接近開關是利用電磁線圈的電感量對鐵磁物質(zhì)敏感的原理，實現(xiàn)的金屬感應傳感器；電容式接近開關是利用介電常數(shù)對金屬和非金屬物質(zhì)都敏感的原理，實現(xiàn)的多種介質(zhì)感應傳感器。第三節(jié)介紹了利用光反射和光敏效應形成的光電式及旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測器件的結構、特點及使用方法；第四節(jié)介紹了壓力開關及超聲波開關以及單一型傳感器的形式。第五節(jié)主要介紹了模擬量與數(shù)字量之間等信號傳遞與轉(zhuǎn)換電路的結構原理。通過本章的學習，要求學生能夠掌握自動控制檢測元件的種類及各個器件的工作原理和方法，進而組成自動控制系統(tǒng)。2023/2/525.1磁性傳感器一般直線運動的行程檢測主要通過氣液缸帶動擲子或磁塊運動進而觸壓行程開關、感應接近開關、遮擋或反射光電開關、或磁塊磁化干簧管開關及霍爾開關等方式，達到利用傳感器實現(xiàn)對定位點的檢測目的。目前應用廣泛的傳感器包括壓力傳感器、光電傳感器、位移傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光纖傳感器等。磁性傳感器是指能對磁性元件進行檢查的器件。2023/2/535.1.1磁性開關電子舌簧式磁性開關是將舌簧片、保護電路和指示燈等用合成樹脂封裝在一個模塊內(nèi)（盒子）。當行程開關進入磁場時，由于磁場對觸點的磁化作用，使得觸點快速閉合，行程開關接通并能輸出一個電控信號。2023/2/545.1.2霍爾式傳感器以霍爾接近開關為例說明霍爾式傳感器的工作原理。1.霍爾效應是指金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢U，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(HallEffect)。2.霍爾開關2023/2/555.1.2霍爾式傳感器霍爾開關具有無觸點、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化結構，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_關可應用于接近開關，壓力開關，里程表等的控制中，作為一種新型的磁控電器配件，具有壽命長、響應快、無磨損的特點。但安裝時要注意磁鐵的極性，如果磁鐵極性裝反，開關將無法工作。2023/2/565.2接近傳感器是指檢測元件對物體的檢測采用非接觸的形式，利用被檢測物在一定的距離范圍內(nèi)，對檢測物形成的原有環(huán)境進行了改變，從而影響了檢測物的輸出狀態(tài)，實現(xiàn)了對該類被檢測物的有無檢測。2023/2/575.2.1電感式傳感器以電感式接近開關工作過程說明電感式傳感器的工作原理。電感式接近開關屬于一種開關量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體與磁性感應頭接近時，造成傳感器內(nèi)部電路感應頭線圈的電感量參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而用參數(shù)變化產(chǎn)生的電信號控制開關的通或斷。這種接近開關所能檢測的物體必須是金屬物體。被檢測金屬物的位移變化→轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛孔兓纬呻娐返碾妷夯螂娏髯兓鷮崿F(xiàn)開關通或斷。2023/2/585.2.1電感式傳感器1.結構特點①傳感器的感應頭能檢測所有穿過或停留在高頻磁場中的金屬物體。②傳感器的感應頭與被測金屬物體是非接觸式的，即感應頭與被測物體不直接接觸。③傳感器的感應頭無需配專門的機械裝置如滾輪、機械手柄等做接觸媒介。④傳感器靠感應頭與內(nèi)部電子電路裝置接收檢測信號，便于信號處理。2023/2/595.2.1電感式傳感器2.電感式接近開關的基本工作原理外界的金屬性物體對傳感器的高頻一振蕩器產(chǎn)生非接觸式感應作用。振蕩器是由纏繞在鐵氧體磁心上的線圈構成的LC振蕩電路。它對不同金屬材料額定檢測距離是不同的，使用時必須進行檢測距離修正。2023/2/5105.2.2電容式傳感器以電容式接近開關為例說明電容式傳感器的工作原理。它和電感式接近開關的工作原理基本相同，也由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，只不過是利用電容量參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無被檢測物體接近，進而用參數(shù)變化產(chǎn)生的電信號控制開關的通或斷。1.結構形式電容式接近開關的感應面有兩個同軸金屬電極構成，很象“打開的”電容器的兩個電極。電容器的兩個電極連接在高頻振蕩的回路中。當無測試目標時電路維持穩(wěn)態(tài)。當測試目標接近傳感器表面時，它就進入了由這兩個電極構成的電場，引起兩個電極之間的耦合電容增加，電路開始振蕩。每一振蕩的振幅均由數(shù)據(jù)分析電路進行檢測，當要檢測的物體達到設定的距離時就形成開關信號。2023/2/5115.2.2電容式傳感器2.原理分析電容式接近開關既能被導體目標感應，也能被非導體目標感應。以導體為材料的檢測目標對傳感器的感應面形成一個反電極，使電容量增加，電容量的增加取決于被測物體在電場中的介電常數(shù)，所以金屬測試目標可獲得最大開關的檢測距離。在使用電容式傳感器時不必像使用電感式傳感器那樣，對不同金屬采用不同的校正系數(shù)。在檢測較低介電常數(shù)ε的物體時，可以通過調(diào)節(jié)回路中的多圈電位器來增加感應靈敏度。2023/2/5125.3光電式傳感器5.3.1工作原理光電檢測的原理是根據(jù)發(fā)射器發(fā)出的光束，被檢測的物體可對其阻斷或部分反射,而接收器是光敏元件，可通過光照反應產(chǎn)生輸出控制信號，最終根據(jù)被檢測物阻斷或反射光照結果來控制開關的通斷狀態(tài)。當接受器接收到光線時，光電開關有輸出，被稱為“亮態(tài)操作”；當光線被阻斷或低于一定數(shù)值時，光電開關有輸出，被稱為“暗態(tài)操作”。光電開關動作的光強值是由許多因素決定的，包括檢測目標的反射能力及光電開關的靈敏度。所有光電開關都采用調(diào)制光，以便有效地消除環(huán)境光的影響。2023/2/5135.3光電式傳感器5.3.2光電開關的結構和分類如圖5-5所示為光電開關類型及應用，光電開關可分為遮斷型和反射型兩類。遮斷型的發(fā)射器和接收器相對安放，軸線嚴格對準。反射型分為反射鏡反射型及被測物體反射型(簡稱散射型)兩種結構。反射鏡反射型傳感器單側安裝，需要調(diào)整反射鏡的角度來取得最佳的反射效果，它的檢測距離不如遮斷型。2023/2/5145.3光電式傳感器5.3.3光電編碼器1.光電編碼器工作原理光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。電源的工作電壓一般為（+5～+24V）直流電源。光電編碼器是由光柵盤或碼盤和發(fā)收光原理構成的光電檢測裝置組成。2023/2/5155.3光電式傳感器脈沖形成過程如圖5-8所示為光電編碼器原理示意圖。當光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動時A、B脈沖兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出，A、B兩相脈沖相差90度相位角，由此利用邏輯變換電路，可測出光電編碼器轉(zhuǎn)動方向與電機轉(zhuǎn)速。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。A組用來測量脈沖個數(shù)，B組與A組配合可測量出轉(zhuǎn)動方向。2023/2/5165.3光電式傳感器2.編碼器的分類根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式，根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。①增量式編碼器②絕對式編碼器③混合式絕對編碼器3.光電編碼器的應用①角度測量②長度測量③速度測量④位置測量⑤同步控制2023/2/5175.3光電式傳感器4.接近開關的應用接近開關的種類很多，前面講過的也是最常用的傳感器，在工業(yè)中主要用于產(chǎn)品計數(shù)、測速、確定物體位置并控制其運動狀態(tài)以及自動安全保護等。（1）接近開關應用過程中應注意的問題：①自感式及差動變壓器式接近開關只能檢測導磁物體。②電渦流式接近開關只能檢測導電良好的金屬物體。③電容式接近開關對接地的金屬及地電位的導電物體以及非金屬等都能檢測。④磁性干簧開關(也叫干簧管)屬于磁性開關，只能檢測磁性較強的物體。⑤霍爾式接近開關也屬于磁性開關，只能檢測磁性物體。2023/2/5185.3光電式傳感器從廣義上講，大多數(shù)非接觸式傳感器均能用作接近開關。例如，光電傳感器、微波和超聲波傳感器等，它們的檢測距離一般可以做得較大，可達數(shù)米甚至數(shù)十米，是電子類開關器件。（2）接近開關與傳統(tǒng)機械開關相比所具有的特點：①非接觸檢測，不影響被測物體的運行工況。②不產(chǎn)生機械磨損和疲勞損傷，工作壽命長。③響應快，一般響應時間可達幾毫秒或幾十毫秒。④采用全密封結構，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強。⑤無觸點、無火花、無噪聲，適用于要求防爆的場合(防爆型)⑥輸出信號大，可與計算機或PLC等接口連接。⑦體積小，安裝、調(diào)整方便。2023/2/5195.4其他類型傳感器件5.4.1壓力開關壓力開關是一種當輸入壓力達到某一給定值時，電氣開關接通，并發(fā)出電信號的裝置，常用于需要壓力控制和保護的場合。壓力開關由感受壓力變化的壓力敏感元件、調(diào)整給定壓力大小的壓力調(diào)整裝置和電器開關三部分構成。壓力敏感元件一般采用膜片、膜盒、波紋管和波登管（彈簧管）等彈性元件，也有用活塞的。敏感元件的作用是感受壓力大小，將壓力轉(zhuǎn)換為位移量。常采用壓敏元件、壓阻元件，其體積小，精度高，能直接將壓力轉(zhuǎn)換成電信號輸出。力傳感器（荷重傳感器、拉力傳感器、扭矩傳感器）、壓力傳感器（表壓傳感器、絕壓傳感器、密封壓力傳感器）、差壓傳感器、液位傳感器等都是由敏感元件構成的傳感器。2023/2/5205.4其他類型傳感器件5.4.2超聲波接近開關一個由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波脈沖作用到一個聲反射的物體上，同時經(jīng)過一段時間后，由發(fā)射器發(fā)射出的超聲波會被要檢測物反射，當反射的聲波(回聲)回到發(fā)射器位置的反射器上時，這段發(fā)射波或反射波單程經(jīng)過的時間周期與該超聲波速的乘積就是由波源到要檢測物的距離，因此可以利用計時產(chǎn)生的開關信號來檢測被測物的距離或位置。當被檢測物對波源的距離發(fā)生改變時，接收到的波的頻率會發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。聲納和雷達就是利用這個效應的原理制成的。利用多普勒效應可制成超聲波接近開關、微波接近開關等。當有物體移近時，接近開關接收到的反射信號會產(chǎn)生多普勒頻移，由此可以識別出有無物體接近。2023/2/5215.4其他類型傳感器件5.4.3單一性專用傳感器件大部分傳感器都屬于敏感元件類傳感器，敏感元件類傳感器是由該類敏感材料構成的單一功能的檢測元件。敏感元件是指能敏銳地感受某種物理、化學、生物的信息并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⒌奶胤N電子元件。這種元件通常是利用材料的某種敏感效應制成的。敏感元件可以按輸入的物理量來命名，如熱敏（熱敏電阻器）、光敏、（電）壓敏、（壓）力敏、磁敏、氣敏、濕敏元件。在電子設備中采用敏感元件來感知外界的信息，可以達到或超過人類感覺器官的功能。敏感元件是傳感器的核心元件。隨著電子計算機和信息技術的迅速發(fā)展，敏感元件的重要性日益增大。敏感元件按輸入與輸出關系特性可歸納為兩類，一類是緩變型，另一類是突變型。常用的敏感元件主要有：熱敏電阻、壓敏電阻、磁敏元件、光敏元件和濕敏元件等。2023/2/5225.5檢測信號的傳遞與轉(zhuǎn)換數(shù)字化的顯示系統(tǒng)、數(shù)字化的控制系統(tǒng)、智能化儀表、智能化調(diào)節(jié)器等都是由數(shù)字化的集成電路構成的模塊化邏輯功能控制系統(tǒng)。模擬信號的調(diào)