工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器

1、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器CQJTU 機(jī)電與汽車(chē)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(jiǎn)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(gè)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(xiàn)被物體擋住，通過(guò)內(nèi)部控制線(xiàn)路，受光器電路馬上作出反應(yīng)，即在輸出部分輸出一個(gè)信號(hào)用于機(jī)床如沖床，壓力機(jī)等緊急剎車(chē)。 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(mén)，則需要操作人員頻繁地開(kāi)關(guān)防護(hù)門(mén)，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

2、取料時(shí)，只要有身體的任何一部分遮斷光線(xiàn)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器進(jìn)入安全狀態(tài)而不會(huì)給操作人員帶來(lái)傷害。二.基本工作原理及分類(lèi) 光電保護(hù)裝置一般由光幕裝置、信號(hào)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(cè)光幕的通光、遮光狀態(tài)，通過(guò)信號(hào)電纜傳送通光、遮光狀態(tài)信號(hào)；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(guò)來(lái)的通光、遮光狀態(tài)信號(hào)，利用繼電器輸出接通、斷開(kāi)信號(hào)，通過(guò)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(duì)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

3、端，K為受光器的繼電器端安全光幕實(shí)物圖反射式光電保護(hù)裝置對(duì)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(jì)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(duì)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(xiǎn)點(diǎn)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(jì)算得出。對(duì)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(jì)算SDSV21TT =（ ）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(guò)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

4、工作。 如果用戶(hù)要求輸入電源為DC24V，供貨時(shí)按訂單要求提供相應(yīng)產(chǎn)品。 2.信號(hào)處理 通過(guò)信號(hào)電纜與光幕傳感器連接，并將光幕傳感器傳輸過(guò)來(lái)的通光、遮光狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器。 3.輸出控制接點(diǎn)信號(hào) 通過(guò)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(diǎn)信號(hào)，當(dāng)光幕處于通光狀態(tài)時(shí)，繼電器接點(diǎn)接通，當(dāng)光幕處于遮光狀態(tài)時(shí)，繼電器接點(diǎn)斷開(kāi)。 4.提供接地點(diǎn) 為整個(gè)裝置提供接地點(diǎn)，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(xiàn)圈電感式傳感器是利用線(xiàn)圈自感自感或或互感互感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置?？梢詼y(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、比重等參數(shù)。一種裝置。可以測(cè)量位移、振動(dòng)

5、、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(cè)電感式傳感器的核心部分是可變的自感或互感，在將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介量轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類(lèi)傳感器的主要特征是具有電感或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類(lèi)傳感器的主要特征是具有電感繞組。繞組。 習(xí)慣上講的電感式傳感器通常指習(xí)慣上講的電感式傳感器通常指自感式傳感器自感式傳感器，而互感式，而互感式傳感器由于它利用變壓器原理，又往往做成差動(dòng)式，故稱(chēng)作傳感器由于它利用變壓器原理，又往往做成差動(dòng)式，故稱(chēng)作差差動(dòng)變壓器。動(dòng)變壓器。 此外，利用渦

6、流原理的電渦流式傳感器此外，利用渦流原理的電渦流式傳感器，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中常常使用電渦流傳感器（電磁式接近開(kāi)關(guān)）。常常使用電渦流傳感器（電磁式接近開(kāi)關(guān)）。電容式傳感器（接近開(kāi)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(chǎng)或在磁場(chǎng)中作切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中作切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動(dòng)的感應(yīng)電流，稱(chēng)之為呈漩渦狀流動(dòng)的感應(yīng)電流，稱(chēng)之為電渦流電渦流，這種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為稱(chēng)為電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)。 渦流的大小與金屬的電阻率渦流的大小與金屬的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何、幾何尺寸、產(chǎn)生磁場(chǎng)的線(xiàn)圈與金屬的距

7、離尺寸、產(chǎn)生磁場(chǎng)的線(xiàn)圈與金屬的距離x，線(xiàn)圈的激磁，線(xiàn)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)，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(cè)量出另外某一參數(shù)。就能按渦流的大小測(cè)量出另外某一參數(shù)。 特點(diǎn)特點(diǎn)（1 1）工作可靠、壽命長(zhǎng)；）工作可靠、壽命長(zhǎng)；（2 2）靈敏度高、分辨率高）靈敏度高、分辨率高; ; 位移位移:0.01m;:0.01m;角度角度0.1”;0.1”;輸出信號(hào)強(qiáng)，電輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm mV/mm 。（3 3）精度高、線(xiàn)性好）精度高、線(xiàn)性好; ; 在幾十在幾十mm到數(shù)百到數(shù)百mmmm的位移范圍內(nèi)，輸出特的位移范

8、圍內(nèi)，輸出特性的線(xiàn)性度較好，且比較穩(wěn)定。非線(xiàn)性誤差：性的線(xiàn)性度較好，且比較穩(wěn)定。非線(xiàn)性誤差：0.05%0.1%；（4 4）性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。）性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。高頻反射式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理1234561- 線(xiàn)圈線(xiàn)圈 2 -框架框架 3- 襯套襯套4 -支架支架 5 -電纜電纜 6 -插頭插頭222222221222222221LLRMLjRLRMRZ測(cè)量時(shí)線(xiàn)圈的等效阻抗為： 測(cè)量時(shí)線(xiàn)圈阻抗隨金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、線(xiàn)圈激勵(lì)電流的角頻率以及線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體的距離x等參數(shù)變化，即： ),(xfZ 若能控制式中其它參數(shù)不變，只改變其中若能控制式

9、中其它參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個(gè)參數(shù)的一個(gè)參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)該參數(shù)的測(cè)量單值函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)該參數(shù)的測(cè)量。工作原理工作原理示意圖 電感式接近開(kāi)關(guān)由三大部分組成：振蕩器、開(kāi)關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)變交磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，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(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式之檢測(cè)目的。標(biāo)離傳感器越近，線(xiàn)圈內(nèi)的阻尼就越大，阻尼越大，傳感器振蕩器的電流越小。NDL/00LML電容式傳感器（接近開(kāi)關(guān)） 電容式傳感器是以各種類(lèi)型的電容器作為傳感元件

10、，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。特點(diǎn)：（1）小功率、高阻抗。（2）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性。（3）本身發(fā)熱影響小。（4）可進(jìn)行非接觸測(cè)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(cè)量之中。工作原理及類(lèi)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(cè)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(shí)，對(duì)圖示平行極板電容器，電容量為0rSSCdd +Srd_ 可見(jiàn)：在S、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量C改變。也就是說(shuō)，如果被檢測(cè)參數(shù)(如位移、壓力、液位等)的變化引起S、d、三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，就

11、可利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類(lèi)：(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(xiàn)電纜的電感和電容式傳感器本身的電感；r包括引線(xiàn)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(xiàn)電纜、所接測(cè)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：11CeZj Lj Cj

12、C式中，C=CP+C021eCCLC則等效電容為211eeCCCCLC實(shí)際電容相對(duì)變化為22/111eeeCCC CKKddLCLC因此實(shí)際的靈敏度為可見(jiàn)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)，且隨變化而變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用前必須要進(jìn)行標(biāo)定，否則將會(huì)引入測(cè)量誤差。調(diào)頻測(cè)量電路 調(diào)頻測(cè)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(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。01012()ifL CCC當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí),C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，即:01012()ifffL CCCC 調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01m級(jí)位移變化量，易于用數(shù)字儀

13、器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)電容發(fā)生變化時(shí)，頻率變?yōu)?如圖,C1、C2為傳感器的差動(dòng)電容，當(dāng)電源接通時(shí)，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(diǎn)通過(guò)R1對(duì)Cl充電，直至F點(diǎn)上的電位等于參考電壓Ur時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一個(gè)脈沖，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)成低電位，B點(diǎn)成高電位。此時(shí)F點(diǎn)電位經(jīng)二極管VD1迅速放電至零，而同時(shí)B點(diǎn)的高電位經(jīng)R2向C2充電。當(dāng)G點(diǎn)的電位充至Ur時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次，使A點(diǎn)成高電位，B點(diǎn)成低電位，又重復(fù)上述過(guò)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。 C1C2 時(shí) C1C2 時(shí) 1電容式接近開(kāi)關(guān)齊平式 非齊平式電容式接