傳感器原理及應(yīng)用

1、傳感器原理及應(yīng)用三級(jí)項(xiàng)目報(bào)告書基于PLC的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院 班 級(jí)：13-1機(jī)械電子工程（卓越） 組 員：李響 夏中巖 張軒赫 貢 獻(xiàn) 率：李 響 程序設(shè)計(jì)，優(yōu)化 40% 夏中巖 資料整理，編輯 30% 張軒赫 PPT設(shè)計(jì)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(jiǎn)述- 3 -2 物料分揀系統(tǒng)中的傳感器- 3 -2.1 電機(jī)起?？刂苽鞲衅? 3 -2.2 物料計(jì)數(shù)用傳感器- 4 -2.3 定位及速度控制傳感器- 5 -2.3.1 增量編碼器- 5 -2.3.2 固態(tài)繼電器- 6 -2.4 物料分類用傳感器- 6 -色標(biāo)傳感器-

2、 6 -2.4.2 電渦流式傳感器- 7 -2.4.3 磁簧管- 7 -3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 7 -3.1 硬件連接- 7 -3.2 程序編譯- 8 -4 傳感器前景展望- 12 -4.1 傳感器在科技發(fā)展中的重要性- 12 -4.2 先進(jìn)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)- 12 -5 反思與收獲- 12 -參考文獻(xiàn)- 13 -摘要在圓柱物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，涉及到了多種物理量的測(cè)量，基于各個(gè)物理量的特性，分析其所應(yīng)用的傳感器，并且對(duì)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(duì)射型紅外傳感器對(duì)圓柱物料計(jì)數(shù)，顏色傳感器對(duì)物料進(jìn)行分類，編碼器控制物料位置與測(cè)量速度，電渦流傳感器以區(qū)分金屬物

3、料與非金屬物料以及區(qū)分不同高度的物料。在項(xiàng)目中采用PLC接受各傳感器的信號(hào)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)物料分揀的目的。1 物料分揀系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)易的模擬，并通過對(duì)各項(xiàng)物理量的測(cè)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(jī)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(duì)電機(jī)的起停進(jìn)行控制；對(duì)射型紅外傳感器對(duì)物料進(jìn)行計(jì)數(shù)與啟動(dòng)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，各傳感器采集到的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋到PLC控制系

4、統(tǒng)中，以實(shí)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(shí)際的生產(chǎn)中可使用多種傳感器進(jìn)行測(cè)量與檢測(cè)，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(huì)具體的介紹系統(tǒng)中物理量所相應(yīng)的傳感器。2.1 電機(jī)起?？刂苽鞲衅髟趯?duì)電機(jī)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(hào)。接近開關(guān)是一種無需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)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(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)直流電器或給計(jì)算機(jī)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(diǎn)開關(guān)），它既有行程開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)的特性，同時(shí)具有傳感性能，

5、且動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)。在本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用的是E3F-DS10P1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(shí)，目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值可達(dá)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(gè)元件組成時(shí)，通常是可以達(dá)到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測(cè)量距離，對(duì)目標(biāo)上的灰塵敏感和對(duì)目標(biāo)變化了的反射性能敏感。接近開關(guān)除項(xiàng)目中所使用的漫反射接近開關(guān)外，還有基于其他傳感器檢測(cè)性質(zhì)

6、的接近開關(guān)，例如電感式、電容式、霍爾式等接近開關(guān)。其對(duì)比如下表：表2-1-1 接近開關(guān)對(duì)比種類功能原理檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)光電式目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，當(dāng)有足夠強(qiáng)的組合光返回接收器時(shí)，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，任意物體適用于各種工作條件，對(duì)目標(biāo)上的灰塵敏感和對(duì)目標(biāo)變化了的反射性能敏感，工作距離一般較遠(yuǎn)。電感式金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，其內(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(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件。金屬物體只能檢測(cè)到金屬物體的接近，應(yīng)用不廣泛。電容式物體移向接近開關(guān)時(shí)，使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，改變電容值，使得檢測(cè)電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的通斷。任意物體

7、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(cè)距離與接近物體的介電常數(shù)相關(guān)，一般對(duì)金屬有較大的檢測(cè)距離?；魻柺酱判晕锛平魻栭_關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測(cè)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，進(jìn)而控制開關(guān)的通斷。磁性物體只能檢測(cè)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。2.2 物料計(jì)數(shù)用傳感器在物料分揀系統(tǒng)中，對(duì)物料的計(jì)數(shù)是其中重要的一環(huán)。對(duì)物料統(tǒng)一計(jì)數(shù)，由傳感器采集信號(hào)送入PLC系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)物料的計(jì)數(shù)與分揀程序觸發(fā)使用E3F-5DP1對(duì)射型紅外光電傳感器。對(duì)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

8、，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(hào)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(qiáng)，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(gè)單元都必須敷設(shè)電纜，所以設(shè)備的消耗比較高。由于對(duì)射型紅外光電開關(guān)接受光信號(hào)工作，所以使用時(shí)應(yīng)該注意避免強(qiáng)光源，以防止相互干擾；在安裝時(shí)需要考慮到物料表面情況，調(diào)整相對(duì)安裝位置，以避免鏡面角度影響；在使用某些反射擴(kuò)散式時(shí)，需注意排除高反射率背景物的影響。振動(dòng)噪音等會(huì)影響到投，收傳感器的穩(wěn)定性，在使用時(shí)需要注意不能超出傳感器自診斷作用的調(diào)節(jié)范圍。2.3 定位及速度控制傳感器在物料分揀系統(tǒng)中，傳送

9、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(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定。物料隨著傳送帶運(yùn)動(dòng)，到達(dá)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(yùn)動(dòng)。分揀位置的選擇與確定則需要傳感器對(duì)其進(jìn)行定位。在此系統(tǒng)中，測(cè)速及定位所選用的傳感器為增量編碼器，調(diào)速使用傳感器為固態(tài)繼電器。2.3.1 增量編碼器編碼器用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度、角度、加速度、長(zhǎng)度等，有體積小、質(zhì)量輕、安裝方便、性價(jià)比高的顯著特點(diǎn)。一般編碼器可分為增量編碼器和絕對(duì)值編碼器。增量編碼器價(jià)格相對(duì)便宜，一般用來測(cè)試速度與方向也可以用于角度測(cè)量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)位置信息丟失；絕對(duì)值編碼器傳送在一轉(zhuǎn)中每一

10、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(shí)一般用于角度測(cè)量、往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但其價(jià)格相對(duì)較高，物料分揀系統(tǒng)可用增量編碼器實(shí)現(xiàn)物料的定位，使物料在準(zhǔn)確的位置停下。不同型號(hào)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(jiǎn)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。系統(tǒng)使用的HN3806-400-AB-N增量編碼器可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號(hào)直接輸入給PLC，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對(duì)其脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測(cè)量結(jié)果。2.3.2 固態(tài)繼電器系統(tǒng)使用的固態(tài)繼電器是KS1-10DD，由光控晶閘管和發(fā)光二極管組合

11、構(gòu)成。其主要傳感器部分為光控晶閘管。光控晶閘管的特點(diǎn)是門極區(qū)集成了一個(gè)光電二極管，觸發(fā)信號(hào)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)電流由器件中光生載流子提供。光控晶閘管陽(yáng)極和陰極間加正壓,門極區(qū)若用一定波長(zhǎng)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(dòng)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(jī)起停，由接近開關(guān)提供控制信號(hào)。固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點(diǎn)電子開關(guān)，在

12、開關(guān)過程中無機(jī)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，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機(jī)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(diǎn)。2.4 物料分類用傳感器物料分揀系統(tǒng)中的重要的識(shí)別功能需要由傳感器來完成，通過讀物料的識(shí)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(yàn)臺(tái)中，采用色標(biāo)傳感器來區(qū)分深色與淺色物料，線位移傳感器（電渦流傳感器）用來區(qū)分金屬與非金屬物料以及區(qū)分金屬物料高度，此兩種傳感器將四種物料區(qū)分開來。氣缸作為分揀動(dòng)作

13、的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由磁簧管標(biāo)識(shí)與檢測(cè)氣缸狀態(tài)。色標(biāo)傳感器色標(biāo)傳感器常用于檢測(cè)特定色標(biāo)點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測(cè)，而不是直接測(cè)量顏色。色標(biāo)傳感器實(shí)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(cè)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(cè)顏色，它是通過檢測(cè)色標(biāo)對(duì)光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的。系統(tǒng)中所使用的BZJ-411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(cè)物體的發(fā)射光，并根據(jù)其信號(hào)的強(qiáng)弱來區(qū)分不同的顏色，識(shí)別物料是否在

14、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(jìn)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(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便等特點(diǎn)。2.4.2 電渦流式傳感器系統(tǒng)選用的是JCW-18SR線位移傳感器，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(hào)送入控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量被測(cè)量的目的。電渦流式傳感器是一種電感式傳感器，其只能檢測(cè)到金屬物料，該種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)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

15、、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(cè)量剩下的一個(gè)因素。所以在此系統(tǒng)中用作金屬物料與非金屬物料的區(qū)分以及作為線位移傳感器區(qū)分不同高度的金屬物料。金屬物料接近時(shí)，能夠檢測(cè)到傳感器與物料的間隙變化，即得到計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大，整形后便能獲得方波信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行甄別區(qū)分。2.4.3 磁簧管本物料分揀系統(tǒng)中使用磁簧管判斷氣缸狀態(tài)并將信號(hào)送入PLC。磁簧管通常由兩個(gè)軟磁性材料做成的、無磁時(shí)斷開的兩個(gè)金屬簧片觸點(diǎn)。該簧片觸點(diǎn)被封在充有惰性氣體或真空的玻璃管中，玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構(gòu)成常開或常閉觸點(diǎn)。其相對(duì)于機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，速度高，工作壽

16、命長(zhǎng)；與電子開關(guān)相比，具有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。工作可靠性很高。3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在三級(jí)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，分揀系統(tǒng)的工作有s7-300PLC控制，各輸入端口接受來自傳感器的信息，經(jīng)過系統(tǒng)處理后輸出信號(hào)，來控制氣缸和電機(jī)的工作。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程分為兩個(gè)部分，硬件連接和程序編譯。3.1 硬件連接ee99其輸入輸出接口對(duì)應(yīng)硬件如下表：表3-1-1 硬件I/O分配表硬件I/O接口色標(biāo)傳感器I1.1增量編碼器I1.2光電對(duì)射開關(guān)I0.0漫反射光電開關(guān)I0.1干簧管1I0.3干簧管2I0.2干簧管3I0.5干簧管4I0.4干簧管5I0.7干簧管6I0.6線位移傳感器PIW752氣缸Q0.0氣缸Q0.1氣缸

17、Q0.2繼電器Q0.3調(diào)速PQB 2按照I/O分配表連接電路，根據(jù)I/O地址，編寫程序。3.2 程序編譯程序所需要實(shí)現(xiàn)的功能有：控制電機(jī)的起停，自動(dòng)調(diào)節(jié)速度，色標(biāo)傳感器區(qū)分深色淺色物料。線位移傳感器甄別金屬物料與非金屬物料并區(qū)分金屬物料的高度。其具體程序如下。程序段6：線位移識(shí)別檢測(cè)鐵塊，高塊3缸推，低缸2缸推程序段7：定時(shí)推下程序段9 氣缸2動(dòng)作并調(diào)成低速4 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(cè)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(duì)其進(jìn)行分類介紹。但隨著科技的日益進(jìn)步，各式各樣的新型傳感器也越來越多，除了基礎(chǔ)的機(jī)械類傳感器，生物、化學(xué)等傳感器也漸漸出

18、現(xiàn)在生產(chǎn)生活實(shí)際中。其未來無可限量。4.1 傳感器在科技發(fā)展中的重要性人類進(jìn)入信息時(shí)代之后，社會(huì)活動(dòng)將主要依賴對(duì)信息資源的開發(fā)，獲取，傳輸與處理。而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口?！皼]有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已經(jīng)為全世界所公認(rèn)?？茖W(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)，自動(dòng)化程度越高，對(duì)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)。4.2 先進(jìn)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)先進(jìn)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(jìn)的科學(xué)技術(shù)研制開發(fā)出來的。在先進(jìn)傳感器的研制過程中，基礎(chǔ)是發(fā)現(xiàn)新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)來作為傳感器的基本原則，并開發(fā)出能夠承載其功能的新型材料。譬如應(yīng)用了超導(dǎo)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)的約瑟夫遜效應(yīng)傳感器和各種的氣體傳感器、有機(jī)傳感器等。開發(fā)新