傳感器及其檢測技術-開關量檢測

工業(yè)中大量出現(xiàn)使用開關量檢測的情況，如檢查工件有無、物體移動是否到位等，這些信號均可以認為是開關量。事實上，工業(yè)中很多控制并不是復雜的模擬量或者數(shù)字量信號，而是簡單的開關量，指示工作系統(tǒng)如何進行運轉。開關量檢測通過對接近開關電路的分析與制作，理解和掌握接近開關的基本工作原理，了解各種接近開關的環(huán)境特性和使用方法，并能識別接近開關的基本參數(shù)，能使用簡單的工具判斷接近開關工作是否正常。任務一認識接近開關知識目標通過試驗光電型接近開關的檢測和通斷特性，了解接近開關的使用方法。技能目標任務一認識接近開關接近開關又稱為無觸點行程開關，它的任務是檢查特定環(huán)境下的特定工件有無狀態(tài)，輸入信號一般為工件與傳感器之間的距離，輸出信號一般為電壓。知識鏈接任務一認識接近開關霍爾效應型接近開關是將檢測磁性物體的霍爾效應元器件集成至一個傳感器繼電器中。霍爾效應型接近開關只能檢測磁性物體?；魻栃徒咏_關具有無觸點、無磨損、無火花、低功耗、壽命長、靈敏度高、工作頻率高等特點，能在各種惡劣環(huán)境下可靠穩(wěn)定地工作。任務一認識接近開關一、霍爾效應型接近開關1.霍爾效應霍爾效應（HallEffects，1879）：運動電荷在磁場作用下受到洛倫茨力，如圖把N型半導體薄片放在垂直磁場中并沿ab方向通電，在cd方向上產(chǎn)生電場，其電動勢大小為：Vh=KhiBsinα任務一認識接近開關任務一認識接近開關霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應強，則希望有較大的霍爾系數(shù)，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低，故只有半導體材料才適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。2.霍爾元件霍爾元件是根據(jù)霍爾效應，使用半導體材料制成的元件。一般具有對磁場敏感、結構簡單、輸出電壓變化較大及壽命長等優(yōu)點。其可分為線性霍爾元件和開關型霍爾元件兩種。線性霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，輸出為模擬量；開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器和施密特觸發(fā)器等組成，輸出為開關量。任務一認識接近開關任務一認識接近開關霍爾元件的結構簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極(或控制電極)；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示。任務一認識接近開關霍爾元件任務一認識接近開關通常，霍爾電勢的轉換效率比較低，為了獲得更大的霍爾電勢輸出，可以將若干個霍爾元件串聯(lián)起來使用。而在霍爾元件輸出信號不夠大的情況下，可以采用運算放大器對霍爾電勢進行放大，如圖所示。當然，最好還是采用集成霍爾傳感器。霍爾電動勢的放大任務一認識接近開關3.霍爾元件的性能參數(shù)1)額定激勵電流使霍爾元件溫升10℃時所施加的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流以獲得較高的霍爾電勢輸出，但是由于受到最大允許溫升的限制，可以通過改善霍爾元件的散熱條件，使激勵電流增加。任務一認識接近開關2)靈敏度KH霍爾元件在單位磁感應強度和單位激勵電流作用下的空載霍爾電勢值，稱為霍爾元件的靈敏度。任務一認識接近開關3)輸入電阻和輸出電阻霍爾元件激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對電路外部來說相當于一個電壓源，其電源內阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零，且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。任務一認識接近開關5)寄生直流電動勢在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因有：①激勵電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆接觸，造成整流效果；②兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。任務一認識接近開關6)霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應強度和激勵電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。它與霍爾元件的材料有關，一般約為0.1％/℃左右。4.霍爾開關利用霍爾效應集成封裝和組裝工藝制作而成，可把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，具備工業(yè)實際應用易操作和可靠性?；魻栭_關輸入端以磁感應強度B來表征，當磁場達到一定值后，霍爾開關內部的觸發(fā)器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉。任務一認識接近開關任務一認識接近開關5.霍爾傳感器的應用1)霍爾式位移傳感器霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應強度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應用。任務一認識接近開關這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測的位移量較小，適合于微位移量及振動的測量?；魻柺揭莆粋鞲衅鞯墓ぷ髟砣蝿找徽J識接近開關2)霍爾式轉速傳感器轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，轉盤隨之轉動，固定在轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉速。根據(jù)磁性轉盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測量轉速的分辨率。任務一認識接近開關任務一認識接近開關3)霍爾計數(shù)裝置霍爾集成元件是將霍爾元件和放大器等集成在一塊芯片上。它由霍爾元件、放大器、電壓調整電路、電流放大輸出電路、失調調整及線性度調整電路等幾部分組成，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結構。它的特點是輸出電壓在一定范圍內與磁感應強度成線性關系?；魻栭_關傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進行計數(shù)檢測。任務一認識接近開關霍爾計數(shù)裝置任務一認識接近開關二、光電效應型接近開關光電效應制作的器件稱為光電器件，也稱光敏器件。光電器件的種類很多，但其工作原理都是建立在光電效應這一物理基礎上的。光電器件的種類主要有:光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電耦合器件。1.光電效應光電效應：光照射到某些物質上，引起物質的電性質發(fā)生變化，這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應。任務一認識接近開關任務一認識接近開關光電效應光電子發(fā)射光電導效應光生伏打效應任務一認識接近開關外光電效應金屬表面在光輻射作用下發(fā)射電子的效應，發(fā)射出來的電子叫做光電子內光電效應光電阻效應和光生伏打（電池）效應。任務一認識接近開關光電效應制作的器件稱為光電器件，也稱光敏器件。光電器件的種類很多，但其工作原理都是建立在光電效應這一物理基礎上的。光電器件的種類主要有:光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電耦合器件。任務一認識接近開關2.光電管光電管由玻璃殼、兩個電極(光電陰極K和陽極A)、引出插腳等組成。是將球形玻璃殼抽成真空，在內半球面上涂上一層光電材料作為陰極K，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極A。當陰極K受到光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極A吸引，朝陽極A方向移動，這樣就在光電管內產(chǎn)生了電子流，從而在外電路中便產(chǎn)生了電流。光電管的典型結構任務一認識接近開關光電管的結構與真空光電管的結構基本相同，所不同的是充氣光電管球內充了低壓惰性氣體。當光電極被光線照射時，光電子在飛向陽極的過程中與氣體分子碰撞而使氣體電離，從而使陽極電流急速增加，因此增加了光電管的靈敏度。任務一認識接近開關光電管的伏安特性曲線：是指當光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關系曲線。如圖1-12所示為真空光電管的伏安特性曲線；而圖1-13所示為充氣光電管的伏安特性曲線。通過觀察這兩種伏安特性曲線圖，在陽極電壓的一段范圍內，陽極電流不隨陽極電壓的變化而變化，達到了比較穩(wěn)定的飽和區(qū)。這就是光電管的工作靜態(tài)點。選擇光電管的工作參數(shù)點時，就應選在光電流與陽極電壓無關的區(qū)域內。任務一認識接近開關真空光電管伏安特性充氣光電管伏安特性任務一認識接近開關3.光電倍增管光電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測器，顧名思義是把微弱光信號轉變成電信號且進行放大的器件。光電倍增管的典型結構和工作原理任務一認識接近開關標準光源發(fā)出的光經(jīng)過聚光系統(tǒng)被聚焦在單色儀的入射狹縫S1上，通過單色儀的色散作用，在其出射狹縫處可以獲得單色光。此單色光功率被光電倍增管所接收放大后，在陽極A上產(chǎn)生相應的電信號，可以由數(shù)字電壓表直接讀出。調整單色儀的色散系統(tǒng)(鼓輪)，可以改變單色儀輸出光的波長，就可以得到光電倍增管在不同波長的光照射下產(chǎn)生的陽極電信號。任務一認識接近開關光電倍增管的測量原理任務一認識接近開關4.光敏電阻光敏電阻是一種基于光電效應制成的光電器件，光敏電阻沒有極性，相當于一個電阻器件。光敏電阻的測量原理任務一認識接近開關光敏電阻的外形與結構5.光電二極管和光電三極管光電二極管：光電二極管具有單向導電性質，當光線照射時，二極管處于導通狀態(tài)，否則近于斷路狀態(tài)。沒有光照時反向電流極其微弱，稱暗電流；有光照時反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。任務一認識接近開關光電三極管：二極管電流很小，通過三極管形式將電流放大形成光電三極管。任務一認識接近開關任務一認識接近開關光敏二極管的結構與一般的二極管相似，其PN結對光敏感。將其PN結裝在管的頂部，上面有一個透鏡制成的窗口，以便使光線集中在PN結上。光敏二極管是基于半導體光生伏特效應的原理制成的光電器件。光敏二極管的工作原理和結構任務一認識接近開關光敏三極管的工作原理和結構任務一認識接近開關6.光電耦合器光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光敏復合管等。根據(jù)其結構和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關。任務一認識接近開關1)光電耦合器

光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。光電耦合器常見的組合形式任務一認識接近開關光電耦合器實際上是一個電量隔離轉換器，它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能，廣泛應用在電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關及固態(tài)繼電器等場合。2）光電開關光電開關：利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無。任務一認識接近開關任務一認識接近開關優(yōu)點適合于不完全透明的任何物體，包括非金屬。缺點對環(huán)境要求高任務一認識接近開關用光電開關檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低電平”(1-0)之分即可。光電開關的基本電路任務一認識接近開關三、感應型接近開關置于變化磁場中的塊狀金屬導體或在磁場中作切割磁力線的塊狀金屬導體，則在此塊狀金屬導體內將會產(chǎn)生旋渦狀的感應電流的現(xiàn)象稱為電渦流效應，該旋渦狀的感應電流稱為電渦流，簡稱渦流。感應式傳感器也稱為渦流式傳感器，由振蕩器、開關電路及放大輸出電路三部分組成。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產(chǎn)生渦流，渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的電磁感應參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通斷。任務一認識接近開關任務一認識接近開關感應接近開關原理實訓目標探索和熟悉接近開關的性能特征，包括檢測敏感距離和回程誤差，了解光電型接近開關的一般使用方法，掌握普通三線制接近開關的接線規(guī)則。實訓一接近開關的特性檢測實訓一接近開關的特性檢測實訓一接近開關的特性檢測注意事項（1）安裝接線時，需要注意電源正負極不能接反，接線時應避免與滑臺產(chǎn)生干涉。（2）接近開關敏感面應正對木塊，應選擇木塊較為光滑的面作為檢測面，檢測面應垂直于位移方向。（3）試驗中滑臺應盡可能緩慢移動，否則會產(chǎn)生慣性誤差，影響檢測結果的準確性。實訓一接近開關的特性檢測通過了解不同材料對接近開關的敏感特性，熟悉在特定場合中應用接近開關的特點，從而掌握應用接近開關進行工業(yè)檢測的一般規(guī)律。任務二接近開關的應用（一）知識目標通過鐵質材料、鋁材料、銅材料、木塊、小磁體等對不同接近開關的敏感性檢測，試驗各種材料對接近開關的通斷性能的影響。從不同材料的敏感距離測定中得出選擇合適接近開關傳感器的規(guī)律。技能目標任務二接近開關的應用（一）開關電源作用就是把一個高電壓等級的工頻交流電變換成一個低電壓等級的直流電，將電能質量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉換成質量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。一、開關電源的基礎知識任務二接近開關的應用（一）1.主電路任務二接近開關的應用（一）整流與濾波輸入濾波器逆變輸出整流與濾波沖擊電流限幅123452.控制電路控制電路一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。任務二接近開關的應用（一）3.檢測電路檢測電路提供保護電路中正在運行中的各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。4.輔助電源輔助電源實現(xiàn)電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。任務二接近開關的應用（一）使用上，開關電源工作效率一般可達到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確檢測或計算用電設備的最大吸收電流，并且按照此電流的1.5~1.8倍選擇開關電源的額定電流或者功率，以使被選用的開關電源具有高的性價比。二、開關電源的選擇與使用任務二接近開關的應用（一）開關電源一般均具有過流、過熱、短路等保護功能，使用時應注意保護電路的技術參數(shù)應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開關電源。一般開關電源的接線方法如下。L：接220V交流火線。N：接220V交流零線。FG：接地。G：直流輸出的地。任務二接近開關的應用（一）+5V（以5V為例，其他同理）：輸出+5V電壓的端口。ADJ：在一定范圍內調節(jié)輸出電壓，開關電源上輸出的額定電壓本來出廠時是固定的，也就是標稱額定輸出電壓，設置此電位器可以讓用戶根據(jù)實際使用情況在一個較小的范圍內調節(jié)輸出電壓，一般情況下不需要調整。任務二接近開關的應用（一）實訓目標探索多種接近開關對不同材料的敏感特性，檢測其敏感距離，了解不同接近開關的一般使用特點，掌握工業(yè)實踐中檢測系統(tǒng)組裝的初步方法。實訓二接近開關對不同材料的敏感性檢測實訓二接近開關對不同材料的敏感性檢測實訓二接近開關對不同材料的敏感性檢測實訓二接近開關對不同材料的敏感性檢測注意事項（1）接線時，需要注意開關電源中的動力線和輸出不能混接。（2）接近開關敏感面應正對檢測材料的對應面，檢測面應垂直于位移方向，否則會產(chǎn)生檢測誤差。更換檢測材料時，長方體和接近開關對應面應保持不變。（3）試驗中，滑臺應盡可能緩慢移動，否則會產(chǎn)生慣性誤差，影響檢測結果的準確性。實訓二接近開關對不同材料的敏感性檢測接近開關廣泛應用于工業(yè)領域，如使用接近開關聯(lián)合數(shù)顯表進行物料個數(shù)的統(tǒng)計，為控制系統(tǒng)提供信號是接近開關的基本作用，常應用于生產(chǎn)線的分袋包裝，如食品個數(shù)或重量達到一定值后進行分袋包裝，又如微小型原料準備個數(shù)統(tǒng)計等，均可利用接近開關傳感器系統(tǒng)進行統(tǒng)計。通過了解接近開關的應用規(guī)律，進一步掌握應用接近開關進行工業(yè)計數(shù)檢測的方法。任務三接近開關的應用（二）知識目標配合使用數(shù)顯表，使用霍爾接近開關完成轉動次數(shù)的測量，了解一般工業(yè)中使用接近開關的計數(shù)統(tǒng)計功能。技能目標任務三接近開關的應用（二）數(shù)字或字母顯示的儀表叫做數(shù)顯表。一般，輸入信號為開關量和模擬量，經(jīng)過計數(shù)電路或者模擬量轉換為數(shù)字量（A/D轉換），采用數(shù)碼發(fā)光二極管（LED）或液晶屏幕來完成顯示功能，作為檢測器件的顯示終端和人機界面。一、數(shù)顯表簡介任務三接近開關的應用（二）數(shù)顯表功能：任務三接近開關的應用（二）顯示數(shù)值控制器計數(shù)器網(wǎng)絡終端任務三接近開關的應用（二）1.東崎SV8智能傳感器和變送器控制專用數(shù)顯表（1）開關電源100~240VAC供電。（2）輸入多種標準信號，有0~50mV、0~10V、4~20mA、可變電阻、TC/RTD等，并能使用軟件自動進行調節(jié)。（3）具有小數(shù)點設定、比率、量程及零點自由調整功能。二、數(shù)顯表規(guī)格與應用任務三接近開關的應用（二）（4）帶隔離變送功能，隔離485通信功能。（5）帶24/12VDC輔助電源，兩路報警輸出。（6）精度等級為±0.3%FS。（7）應用范圍有二線制變送器、壓力傳感器、四線制稱重傳感器等，具有mA、mV和V輸出或者電阻類檢測的傳感器檢測設備。任務三接近開關的應用（二）任務三接近開關的應用（二）2.DTR-600系列智能光柱調節(jié)儀光柱調節(jié)儀（顯示表）使用光柱長短或高低替代數(shù)字，并且可以自行調節(jié)合格范圍。光柱顯示儀表可以很方便地應用