传感器概述.doc

211 传感器2111 传感器概述传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位。随着计算机技术的不断发展，信息处理技术也在不断发展完善。但作为提供信息的传感器，它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。这使得自动检测技术受到影响，也直接影响到多种技术的进一步发展。基于上述原因，愈来愈多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。 传感器有电位计式、应变式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光敏式、霍尔式等，以及比较新型的传感器，如光纤式、气敏式、湿敏式和智能式等。 传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。112 传感器的组成 一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。但是由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器组成的一部分。 常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器相配合。2113 传感器技术的发展动向 传感器技术所涉及的知识非常广泛，但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。 传感器技术的发展动向有以下几方面：发现新现象开发新材料采用微细加工技术研究多多功能集成传感器智能化传感器新一代航天传感器研究仿生传感器研究2114 光电式传感器 光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。 用光电器件测量非电量时，首先要将非电量的变化转换为光量的变化，然后通过光电器件的作用，就可以将非电量的变化转换为电量的变化了。本设计中检测I0.6的传感器是对射式传感器，对射式传感器首先将接收器设置在所需的位置并加以固定，然后将发射器和接收器对齐，也加以固定。检测到的信号以光的形式通过光纤传送到变送器。光纤电缆由一束玻璃纤维或由一条或几条合成纤维组成。光纤能将光从一处传导到另一处,甚至绕过拐角处。其工作原理是通过内部反射介质传递光线。光线通过具有高折射率的光纤材料和低折射率护套内表面,由此形成的光纤在光纤内的反射式传递。光纤由芯部(高折射率)和护套(低折射率)组成。在光纤内,光被不断来回反射, 产生全内反射,因而光能通过曲线路径。光电式传感器不得相互干扰，它们之间必须保持最小距离。该最小距离主要由传感器灵敏度决定，对于采用光纤的传感器，此距离主要由使用的光纤类型决定，因此，一般情况不指定该值。工作范围工作范围是指发射器与接收器之间(对射式传感器)的最大允许距离。为获得最大值,传感器内的电位计必须设置为最大。本设计中所使用的对射式传感器内实际上是一个光敏二极管，光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，它的pn结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般中处于反向工作状态的。光敏二极管在电路处于反向偏置，在没有光照射，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。当光照射在pn结上，光子打在pn结附近，使pn结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过pn结的反向电流也随着增加。如果入射光照强度变化，光生电子-空穴对的浓度也相应变化，通过外电路的光电流强度也随之变化，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。2115 电感式传感器 电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的。根据原理的不同，可分为变阻磁式，变压器式和涡流式等种类。它可以把输入的物理量如位移、振动、压力、流量、比重等参数，转换为线圈的自感系数L和互感系数M的变化，面L和M的变化在电路中又转换为电压或电流的变化，即将非电量转换成电信号输出。 电感式传感器有以下特点：工作可靠，寿命长灵敏度高，分辨力高精度高，线性好性能稳定，重复性好11 S7-300可编程控制器的结构及功能特点 S7-300采用模块化结构设计，便于灵活组合，能满足中等性能的要求。SIMATIC S7-300在STEP7标准软件包支持下所提供功能强大的支持和帮助，为用户提供硬件组态、软件编程、在线仿真调试和故障诊断等。其主要功能和特点如下： 高速的指令处理 指令处理时间0.6us以下，最短可达0.1us，在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。浮点数运算运用此功能可以更有效地实现复杂的算术运算。方便用户的参数赋值软件工具带标准用户接口，可以给所有模块进行参数赋值。人机界面方便的人机界面服务集成在S7-300操作系统内。因此对人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300操作系统自动地处理数据的传送，按用户指定的刷新速度传送这些数据。诊断功能CPU的诊断系统智能化，可以连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（如超时、模块更换等）。口令保护多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。操作方式选择开关操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当拔出时，就不能改变操作方式，从而防止非法地删除或改写用户程序。12 S7-300系统的基本组成 S7300系统包括一个负载电源模块，一个S7-300CPU模块，一个信号模块，和一台PC机或编程器。一个完整的S7-300系统主要包括： 中央处理器单元（CPU） SIMATIC S7-300提供了多种性能不同的CPU模块，包括CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/CPU315-2DP、CPU316-2DP和CPU318-2DP等，以满足用户不同的要求。CPU模块除执行用户程序处，还为S7-300背板总线提供5V电源，在MPI（多点接口）网络中，通过MPI与其他PLC或编程设备进行通信。 信号模块（SM） SM使不同级的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配。用于数字量和模拟量输入/输出。对于每个模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外部的过程信号可以很方便地连在信号模块的前连接器上。 通信处理器（CP） 用于连接网络和点对点连接，减少CPU的通信任务。例如，CPU342-5DP与Profibus-DP的连接。 功能模块（FM） 用于实时性要求高、存储器容量要求大的过程信号处理任务，如高速记数、定位操作（开环和闭环定位）和闭环控制。 负载电源模块（PS） 用于将AC120V/230V转换为DC24V的工作电压，为S7-300和DC24V负载电路提供电源。 接口模块（IM） 用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。13 S7-300的系统配置 S7-300是模块化的组合结构。用户按照实际需求选取的各种模块可以直接安装在机架（导轨）上，通过背板总线的方式把这些模块连接起来。在机架上安装模块按顺序依次是：电源模块、CPU模块、功能模块/通信处理器、I/O信号模块。电源模块安装在0号机架的1号槽上，2号槽安装CPU，I/O接口模块安装在4号槽。 在一个机架上的配置应符合以下规定： 模块的数量。除电源模块、CPU模块、接口模块外，一个机架上最多安装模块不得超过8个。 背板总线电流值的限制。装在一个机架上的全部模块都要受到S7-300背板总线提供的总电流值的限制。所有S7-300模块从一个机架各槽板上获取的总电流不能够超过1.2A，除选用CPU312IFM，则不超过0.8A。 根据实际应用，一个机架如果不够用，最多可扩展4个机架（与CPU312IFM和CPU313配套的模块只能装在一个机架上）。多个机架上的配置应符合以下规定： a、需用接口模块（IM），它将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架。 b、和一个机架上的配置规定一样，模块数同样要受到最多8个的限制以及S7-300背板总线允许提供总电流的限制。14 S7-300的数字量模块 S7-300有多种型号的数字量I/O模块可供选择。 1、SM321数字量输入模块 S7-300数字量输入模块的输入过程包括电平转换，光隔离和滤波等。采样时，信号经背板总线进入输入映象区。 SM321数字量输入模块主要有4种模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流8点输入、交流16点输入模块。另外，还提供了直流16点输入带过程诊断和中断的模块、直流8点输入带源输入模块，交流32点输入模块。 2、SM322数字量输出模块 SM322数字量输出模块经过电平转换，信号可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机，灯和电动机起动器等。按负载回路使用电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关的种类不同又可分为：晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触点输出方式。 SM322数字量输出模块有7种型号输出模块可供选择，即16点晶体管输出、32点晶体管输出、16点晶闸管输出、8点晶体管输出、8点晶闸管输出、8点继电器输出和16点继电器输出模块。选择使用模块时，因每个模块的端子共地情况不同，应根据模块输出类型和现场输出信号负载回路的供电情况选择。 3、SM323数字量I/O模块 此模块有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种模块特性相同。I/O额定负载电压DC24V，输入电压“1”信号电平为1130V，“0”信号电平为-3+5V。I/O通过光耦合器与背板总线隔离。输出具有短路保护功能。 4、SM374仿真模块 SM374仿真模块可以仿真16点输入、16点输出、8点输入和8点输出的数字量模块。根据仿真所需的数字量模块，可以选择模块状态，使PLC应用系统调试变得简单而方便。 5、DM370占位模块 DM370占位模块的主要作用是给数字量模块留一个插槽，从而使PLC应用系统具有更大的灵活性和适用性。如果在一个应用系统中，用另一个S7-300模块代替占位模块，则整个配置的机械布局和地址设置保持不变。15 S7-300的模拟量模块 1、SM331模拟量输入模块 SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光隔离部件、逻辑电路组成。实际应用时可使用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道。 SM331的每两个通道构成一个通道输入组，可以按通道输入组任意选择测量方法和测量范围。模块上需接DC24V的负载电压，有反接性保护功能；对于变送器或热电偶的输入具有短路保护功能。 2、模拟量输出模块 SM332模拟量输出模块有4个通道，每个通道都可单独编程为电压输出或电流输出，输出精度为12位，模块对CPU背板总线和负载电压都有光隔离。 3、模拟量I/O模块 模拟量输入/输出模块有两种规格：一种是4输入/2输出的模拟量模块，其输入/输出量范围为010V或020mA。16 S7-300的电源模块 电源模块的输入电压AC120V/230V、50Hz/60Hz