第5章 常用检测元件

第5章常用检测元件2023/2/51要点概述本章第一节介绍了能够在磁性材料作用下导通的干簧管及霍尔元件等磁性传感器组成的检测开关。第二节介绍了电感式接近开关是利用电磁线圈的电感量对铁磁物质敏感的原理，实现的金属感应传感器；电容式接近开关是利用介电常数对金属和非金属物质都敏感的原理，实现的多种介质感应传感器。第三节介绍了利用光反射和光敏效应形成的光电式及旋转编码器等检测器件的结构、特点及使用方法；第四节介绍了压力开关及超声波开关以及单一型传感器的形式。第五节主要介绍了模拟量与数字量之间等信号传递与转换电路的结构原理。通过本章的学习，要求学生能够掌握自动控制检测元件的种类及各个器件的工作原理和方法，进而组成自动控制系统。2023/2/525.1磁性传感器一般直线运动的行程检测主要通过气液缸带动掷子或磁块运动进而触压行程开关、感应接近开关、遮挡或反射光电开关、或磁块磁化干簧管开关及霍尔开关等方式，达到利用传感器实现对定位点的检测目的。目前应用广泛的传感器包括压力传感器、光电传感器、位移传感器、超声波传感器、温度传感器、湿度传感器、光纤传感器等。磁性传感器是指能对磁性元件进行检查的器件。2023/2/535.1.1磁性开关电子舌簧式磁性开关是将舌簧片、保护电路和指示灯等用合成树脂封装在一个模块内（盒子）。当行程开关进入磁场时，由于磁场对触点的磁化作用，使得触点快速闭合，行程开关接通并能输出一个电控信号。2023/2/545.1.2霍尔式传感器以霍尔接近开关为例说明霍尔式传感器的工作原理。1.霍尔效应是指金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U，这种现象称为霍尔效应(HallEffect)。2.霍尔开关2023/2/555.1.2霍尔式传感器霍尔开关具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化结构，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等的控制中，作为一种新型的磁控电器配件，具有寿命长、响应快、无磨损的特点。但安装时要注意磁铁的极性，如果磁铁极性装反，开关将无法工作。2023/2/565.2接近传感器是指检测元件对物体的检测采用非接触的形式，利用被检测物在一定的距离范围内，对检测物形成的原有环境进行了改变，从而影响了检测物的输出状态，实现了对该类被检测物的有无检测。2023/2/575.2.1电感式传感器以电感式接近开关工作过程说明电感式传感器的工作原理。电感式接近开关属于一种开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体与磁性感应头接近时，造成传感器内部电路感应头线圈的电感量参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而用参数变化产生的电信号控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。被检测金属物的位移变化→转变为电感量变化→形成电路的电压或电流变化→实现开关通或断。2023/2/585.2.1电感式传感器1.结构特点①传感器的感应头能检测所有穿过或停留在高频磁场中的金属物体。②传感器的感应头与被测金属物体是非接触式的，即感应头与被测物体不直接接触。③传感器的感应头无需配专门的机械装置如滚轮、机械手柄等做接触媒介。④传感器靠感应头与内部电子电路装置接收检测信号，便于信号处理。2023/2/595.2.1电感式传感器2.电感式接近开关的基本工作原理外界的金属性物体对传感器的高频一振荡器产生非接触式感应作用。振荡器是由缠绕在铁氧体磁心上的线圈构成的LC振荡电路。它对不同金属材料额定检测距离是不同的，使用时必须进行检测距离修正。2023/2/5105.2.2电容式传感器以电容式接近开关为例说明电容式传感器的工作原理。它和电感式接近开关的工作原理基本相同，也由LC高频振荡器和放大处理电路组成，只不过是利用电容量参数发生变化，由此识别出有无被检测物体接近，进而用参数变化产生的电信号控制开关的通或断。1.结构形式电容式接近开关的感应面有两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器的两个电极。电容器的两个电极连接在高频振荡的回路中。当无测试目标时电路维持稳态。当测试目标接近传感器表面时，它就进入了由这两个电极构成的电场，引起两个电极之间的耦合电容增加，电路开始振荡。每一振荡的振幅均由数据分析电路进行检测，当要检测的物体达到设定的距离时就形成开关信号。2023/2/5115.2.2电容式传感器2.原理分析电容式接近开关既能被导体目标感应，也能被非导体目标感应。以导体为材料的检测目标对传感器的感应面形成一个反电极，使电容量增加，电容量的增加取决于被测物体在电场中的介电常数，所以金属测试目标可获得最大开关的检测距离。在使用电容式传感器时不必像使用电感式传感器那样，对不同金属采用不同的校正系数。在检测较低介电常数ε的物体时，可以通过调节回路中的多圈电位器来增加感应灵敏度。2023/2/5125.3光电式传感器5.3.1工作原理光电检测的原理是根据发射器发出的光束，被检测的物体可对其阻断或部分反射,而接收器是光敏元件，可通过光照反应产生输出控制信号，最终根据被检测物阻断或反射光照结果来控制开关的通断状态。当接受器接收到光线时，光电开关有输出，被称为“亮态操作”；当光线被阻断或低于一定数值时，光电开关有输出，被称为“暗态操作”。光电开关动作的光强值是由许多因素决定的，包括检测目标的反射能力及光电开关的灵敏度。所有光电开关都采用调制光，以便有效地消除环境光的影响。2023/2/5135.3光电式传感器5.3.2光电开关的结构和分类如图5-5所示为光电开关类型及应用，光电开关可分为遮断型和反射型两类。遮断型的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。反射型分为反射镜反射型及被测物体反射型(简称散射型)两种结构。反射镜反射型传感器单侧安装，需要调整反射镜的角度来取得最佳的反射效果，它的检测距离不如遮断型。2023/2/5145.3光电式传感器5.3.3光电编码器1.光电编码器工作原理光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。电源的工作电压一般为（+5～+24V）直流电源。光电编码器是由光栅盘或码盘和发收光原理构成的光电检测装置组成。2023/2/5155.3光电式传感器脉冲形成过程如图5-8所示为光电编码器原理示意图。当光电编码器的轴转动时A、B脉冲两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90度相位角，由此利用逻辑变换电路，可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。A组用来测量脉冲个数，B组与A组配合可测量出转动方向。2023/2/5165.3光电式传感器2.编码器的分类根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式，根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。①增量式编码器②绝对式编码器③混合式绝对编码器3.光电编码器的应用①角度测量②长度测量③速度测量④位置测量⑤同步控制2023/2/5175.3光电式传感器4.接近开关的应用接近开关的种类很多，前面讲过的也是最常用的传感器，在工业中主要用于产品计数、测速、确定物体位置并控制其运动状态以及自动安全保护等。（1）接近开关应用过程中应注意的问题：①自感式及差动变压器式接近开关只能检测导磁物体。②电涡流式接近开关只能检测导电良好的金属物体。③电容式接近开关对接地的金属及地电位的导电物体以及非金属等都能检测。④磁性干簧开关(也叫干簧管)属于磁性开关，只能检测磁性较强的物体。⑤霍尔式接近开关也属于磁性开关，只能检测磁性物体。2023/2/5185.3光电式传感器从广义上讲，大多数非接触式传感器均能用作接近开关。例如，光电传感器、微波和超声波传感器等，它们的检测距离一般可以做得较大，可达数米甚至数十米，是电子类开关器件。（2）接近开关与传统机械开关相比所具有的特点：①非接触检测，不影响被测物体的运行工况。②不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长。③响应快，一般响应时间可达几毫秒或几十毫秒。④采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强。⑤无触点、无火花、无噪声，适用于要求防爆的场合(防爆型)⑥输出信号大，可与计算机或PLC等接口连接。⑦体积小，安装、调整方便。2023/2/5195.4其他类型传感器件5.4.1压力开关压力开关是一种当输入压力达到某一给定值时，电气开关接通，并发出电信号的装置，常用于需要压力控制和保护的场合。压力开关由感受压力变化的压力敏感元件、调整给定压力大小的压力调整装置和电器开关三部分构成。压力敏感元件一般采用膜片、膜盒、波纹管和波登管（弹簧管）等弹性元件，也有用活塞的。敏感元件的作用是感受压力大小，将压力转换为位移量。常采用压敏元件、压阻元件，其体积小，精度高，能直接将压力转换成电信号输出。力传感器（荷重传感器、拉力传感器、扭矩传感器）、压力传感器（表压传感器、绝压传感器、密封压力传感器）、差压传感器、液位传感器等都是由敏感元件构成的传感器。2023/2/5205.4其他类型传感器件5.4.2超声波接近开关一个由发射器发射出来的超声波脉冲作用到一个声反射的物体上，同时经过一段时间后，由发射器发射出的超声波会被要检测物反射，当反射的声波(回声)回到发射器位置的反射器上时，这段发射波或反射波单程经过的时间周期与该超声波速的乘积就是由波源到要检测物的距离，因此可以利用计时产生的开关信号来检测被测物的距离或位置。当被检测物对波源的距离发生改变时，接收到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。2023/2/5215.4其他类型传感器件5.4.3单一性专用传感器件大部分传感器都属于敏感元件类传感器，敏感元件类传感器是由该类敏感材料构成的单一功能的检测元件。敏感元件是指能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。这种元件通常是利用材料的某种敏感效应制成的。敏感元件可以按输入的物理量来命名，如热敏（热敏电阻器）、光敏、（电）压敏、（压）力敏、磁敏、气敏、湿敏元件。在电子设备中采用敏感元件来感知外界的信息，可以达到或超过人类感觉器官的功能。敏感元件是传感器的核心元件。随着电子计算机和信息技术的迅速发展，敏感元件的重要性日益增大。敏感元件按输入与输出关系特性可归纳为两类，一类是缓变型，另一类是突变型。常用的敏感元件主要有：热敏电阻、压敏电阻、磁敏元件、光敏元件和湿敏元件等。2023/2/5225.5检测信号的传递与转换数字化的显示系统、数字化的控制系统、智能化仪表、智能化调节器等都是由数字化的集成电路构成的模块化逻辑功能控制系统。模拟信号的调