应用PLC的恒温箱控制系统设计

毕业设计（论文）中文摘要应用 PLC 的恒温箱控制系统设计摘 要：P LC 的 恒 温 箱 控 制 系 统 应 用 了 温 度 传 感 器 ， 流 量 传 感 器 ， 液 位 传 感器 。 通 过 拨 码 开 关 输 入 设 定 温 度 。 设 定 温 度 与 所 测 温 度 进 行 比 较 ， 通 过PLC 的 控 制 使 恒 温 箱 温 度 恒 定 。 恒 温 控 制 系 统 要 求 控 制 恒 温 箱 水 温 在 2080 之 间 的 某 设 定 数 值 。 当 水 温 低 于 设 定 值 时 ， 采 用 电 加 热 升 温 。 当 水 温 高于 设 定 值 时 ， 放 出 部 分 热 水 ， 启 动 冷 却 风 扇 使 水 流 经 冷 却 器 向 恒 温 箱 供 水 。本 系 统 以 PLC 控 制 器 为 核 心 ， 设 计 控 制 系 统 的 硬 件 电 路 和 软 件 程 序 ， 完 成 要求 的 控 制 任 务 。 本 系 统 设 计 还 对 PLC 特 殊 功 能 扩 展 模 块 和 BCD 译 码 器 做 了简 单 介 绍 。关键词：PLC ；恒温箱；传感器淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 40 页毕业设计（论文）外文摘要Using PLC thermostat control system designAbstract: The PLC thermostat control system has applied the temperature sensor, the flow sensor, the fluid position sensor. Through dials the code switching input hypothesis temperature. The hypothesis temperature with measured that the temperature carries on the comparison,causes the thermostat temperature through the PLC control to be constant. Constant temperature control system request control thermostat water temperature in 20-80 between some hypothesis value. When the water temperature is lower than the setting value, uses the electric heating elevation of temperature. When the water temperature is higher than the setting value, emits the partial hot water, the start cooling fan causes the current of water after the chiller to the thermostat water supply. This system take the PLC controller as the core, designing control systems hardware circuit and the software routine, completes the request the control duty. This system design also has made the simple introduction to the PLC special function expansion module and the BCD decoder.Keywords: PLC；Thermostat；Sensor 淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 40 页目 录1 绪论12 FX2N 系列 PLC33 FX2N-4AD 模块介绍 43.1 通道选择43.2 程序实例64 传感器简介74.1 热电偶传感器应用94.2 叶轮式流量传感器104.3 光电开关115 BCD 译码器 156 搅拌部分166.1 搅拌过程分类166.2 搅拌桨叶分类176.3 流体搅拌基本原理及参数187 冷却器简介188 程序设计198.1 恒温箱的工艺过程及控制要求198.2 控制方案分析208.3 系统的配置208.4 主要控制程序说明218.5 恒温箱控制总梯形图258.6 恒温箱控制语句表32结论 38致谢 39参考文献40淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 4 页 共 40 页1 绪论可 编 程 控 制 器 简 称 PC（ 英 文 全 称 ： Programmable Controller） ， 它 经 历了 可 编 程 序 矩 阵 控 制 器 PMC、 可 编 程 序 顺 序 控 制 器 PSC、 可 编 程 序 逻 辑 控 制器 PLC（ 英 文 全 称 ： Programmable Logic Controller） 和 可 编 程 序 控 制 器PC 几 个 不 同 时 期 。 为 与 个 人 计 算 机 （ PC） 相 区 别 ， 现 在 仍 然 沿 用 可 编 程 逻辑 控 制 器 这 个 老 名 字 。1987 年 国 际 电 工 委 员 会 （ International Electrical Committee） 颁 布 的PLC 标 准 草 案 中 对 PLC 做 了 如 下 定 义 ： “PLC 是 一 种 专 门 为 在 工 业 环 境 下应 用 而 设 计 的 数 字 运 算 操 作 的 电 子 装 置 。 它 采 用 可 以 编 制 程 序 的 存 储 器 ， 用来 在 其 内 部 存 储 执 行 逻 辑 运 算 、 顺 序 运 算 、 计 时 、 计 数 和 算 术 运 算 等 操 作 的指 令 ， 并 能 通 过 数 字 式 或 模 拟 式 的 输 入 和 输 出 ， 控 制 各 种 类 型 的 机 械 或 生 产过 程 。 PLC 及 其 有 关 的 外 围 设 备 都 应 该 按 易 于 与 工 业 控 制 系 统 形 成 一 个 整 体 ，易 于 扩 展 其 功 能 的 原 则 而 设 计 。 ”目 前 ， PLC 在 国 内 外 已 广 泛 应 用 于 钢 铁 、 石 油 、 化 工 、 电 力 、 建 材 、 机械 制 造 、 汽 车 、 轻 纺 、 交 通 运 输 、 环 保 及 文 化 娱 乐 等 各 个 行 业 ， 使 用 情 况 大致 可 归 纳 为 如 下 几 类 。开 关 量 的 逻 辑 控 制这 是 PLC 最 基 本 、 最 广 泛 的 应 用 领 域 ， 它 取 代 传 统 的 继 电 器 电 路 ， 实 现逻 辑 控 制 、 顺 序 控 制 ， 既 可 用 于 单 台 设 备 的 控 制 ， 也 可 用 于 多 机 群 控 及 自 动化 流 水 线 。 如 注 塑 机 、 印 刷 机 、 订 书 机 械 、 组 合 机 床 、 磨 床 、 包 装 生 产 线 、电 镀 流 水 线 等 。模 拟 量 控 制在 工 业 生 产 过 程 当 中 ， 有 许 多 连 续 变 化 的 量 ， 如 温 度 、 压 力 、 流 量 、 液位 和 速 度 等 都 是 模 拟 量 。 为 了 使 可 编 程 控 制 器 处 理 模 拟 量 ， 必 须 实 现 模 拟 量（ Analog） 和 数 字 量 （ Digital） 之 间 的 A/D 转 换 及 D/A 转 换 。 PLC 厂 家 都生 产 配 套 的 A/D 和 D/A 转 换 模 块 ， 使 可 编 程 控 制 器 用 于 模 拟 量 控 制 。运 动 控 制PLC 可 以 用 于 圆 周 运 动 或 直 线 运 动 的 控 制 。 从 控 制 机 构 配 置 来 说 ， 早 期直 接 用 于 开 关 量 I/O 模 块 连 接 位 置 传 感 器 和 执 行 机 构 ， 现 在 一 般 使 用 专 用 的运 动 控 制 模 块 。 如 可 驱 动 步 进 电 机 或 伺 服 电 机 的 单 轴 或 多 轴 位 置 控 制 模 块 。世 界 上 各 主 要 PLC 厂 家 的 产 品 几 乎 都 有 运 动 控 制 功 能 ， 广 泛 用 于 各 种 机 械 、机 床 、 机 器 人 、 电 梯 等 场 合 。过 程 控 制过 程 控 制 是 指 对 温 度 、 压 力 、 流 量 等 模 拟 量 的 闭 环 控 制 。 作 为 工 业 控 制计 算 机 ， PLC 能 编 制 各 种 各 样 的 控 制 算 法 程 序 ， 完 成 闭 环 控 制 。 PID 调 节淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 5 页 共 40 页是 一 般 闭 环 控 制 系 统 中 用 得 较 多 的 调 节 方 法 。 大 中 型 PLC 都 有 PID 模 块 ，目 前 许 多 小 型 PLC 也 具 有 此 功 能 模 块 。 PID 处 理 一 般 是 运 行 专 用 的 PID 子程 序 。 过 程 控 制 在 冶 金 、 化 工 、 热 处 理 、 锅 炉 控 制 等 场 合 有 非 常 广 泛 的 应 用 。数 据 处 理现 代 PLC 具 有 数 学 运 算 （ 含 矩 阵 运 算 、 函 数 运 算 、 逻 辑 运 算 ） 、 数 据传 送 、 数 据 转 换 、 排 序 、 查 表 、 位 操 作 等 功 能 ， 可 以 完 成 数 据 的 采 集 、 分 析及 处 理 。 这 些 数 据 可 以 与 存 储 在 存 储 器 中 的 参 考 值 比 较 ， 完 成 一 定 的 控 制 操作 ， 也 可 以 利 用 通 信 功 能 传 送 到 别 的 智 能 装 置 ， 或 将 它 们 打 印 制 表 。 数 据 处理 一 般 用 于 大 型 控 制 系 统 ， 如 无 人 控 制 的 柔 性 制 造 系 统 ； 也 可 用 于 过 程 控 制系 统 ， 如 造 纸 、 冶 金 、 食 品 工 业 中 的 一 些 大 型 控 制 系 统 。通 信 及 联 网PLC 通 信 含 PLC 间 的 通 信 及 PLC 与 其 它 智 能 设 备 间 的 通 信 。 随 着 计 算机 控 制 的 发 展 ， 工 厂 自 动 化 网 络 发 展 得 很 快 ， 各 PLC 厂 商 都 十 分 重 视 PLC的 通 信 功 能 ， 纷 纷 推 出 各 自 的 网 络 系 统 。 新 近 生 产 的 PLC 都 具 有 通 信 接 口 ，通 信 非 常 方 便 。淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 6 页 共 40 页2 FX2N 系列 PLCFX2N 系 列 是 FX 家 族 中 功 能 最 强 、 速 度 最 高 的 微 型 PLC 。 它 的 基 本指 令 执 行 时 间 高 达 0.08s。 内 置 的 用 户 存 储 器 为 8K 步 ， 最 大 可 以 扩 展 到256 个 I/O 点 ， 有 多 种 特 殊 功 能 模 块 和 功 能 扩 展 板 ， 可 以 实 现 多 轴 定 位 控 制 。机 内 有 时 钟 ， PID 指 令 用 于 模 拟 量 闭 环 控 制 。 有 功 能 很 强 的 数 学 指 令 集 ， 例如 浮 点 数 运 算 、 开 平 方 和 三 角 函 数 等 。 每 个 FX2N 基 本 单 元 可 以 扩 展 8 个特 殊 单 元 。FX2N 系 列 PLC 具 有 丰 富 的 元 件 资 源 ， 有 3072 点 辅 助 继 电 器 。 提 供 了多 种 特 殊 功 能 模 块 ， 可 实 现 过 程 控 制 位 置 控 制 。 有 多 种 RS232C/RS422/RS485 串 行 通 信 模 块 或 功 能 扩 展 板 支 持 网 络 通 信 。 基 本 单 元 是 构 成PLC 系 统 的 核 心 部 件 ， 内 有 CPU、 存 储 器 、 I/O 模 块 、 通 信 接 口 和 扩 展 接 口等 。 FX2N 基 本 单 位 有 16/32/48/64/80/128 点 ， 六 个 基 本 FX2N 单 元 中 的 每一 个 单 元 都 可 以 通 过 I/O 扩 展 单 元 扩 充 为 256 I/O 点 ， 其 基 本 单 元 如 表 所 示 。表 2-1 FX2N 基 本 单 元 （继 电 器 输 出 ）继 电 器 输 出 输 入点 数输 出 点 数扩 展 模 块 可 用 点 数FX2n-16MR-001 8 8 24 32FX2n-32MR-001 16 16 24 32FX2n-48MR-001 24 24 48 64FX2n-64MR-001 32 32 48 64FX2n-80MR-001 40 40 48 64FX2n-128MR-001 64 64 48 64表 2-2 FX2N 基 本 单 元 （ 可 控 硅 输 出 ）可 控 硅 输 出 输 入点 数输 出 点 数 扩 展 模 块 可 用 点 数FX2n-16MS 8 8 24 32FX2n-32MS 16 16 24 32FX2n-48MS 24 24 48 64FX2n-64MS 32 32 48 64FX2n-80MS 40 40 48 64淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 7 页 共 40 页表 2-3 FX2N 基 本 单 元 （晶 体 管 输 出 ）晶 体 管 输 出 输 入 点 数 输 出 点 数 扩 展 模 块 可 用 点 数FX2n-16MT 8 8 24 32FX2n-32MT 16 16 24 32FX2n-48MT 24 24 48 64FX2n-64MT 32 32 48 64FX2n-80MT 40 40 48 64FX2n-128MT 64 64 48 64本 设 计 中 用 到 的 是 FX2N-60MT PLC 一 台 ,配 合 FX2N-4AD 一 台 及FX2N-2DA 一 台 构 成 控 制 系 统 。FX2N-60MTPLC 中 数 字 及 字 母 的 含 义 如 下 ：60： 60 个 输 入 输 出 触 点 。M： 单 元 类 型 为 基 本 单 元 。T： （ 输 出 形 式 ） 晶 体 管 输 出 （ 无 触 点 直 流 负 载 用 ） 。MT 后 面 没 有 符 号 表 示 电 源 和 输 入 输 出 类 型 等 特 性 为 AC100/200V 电 源 ，DC24V 输 入 （ 内 部 供 电 ） 。3 FX2N-4AD模块介绍本 系 统 使 用 了 FX2N-4AD 和 FX2N-2DA 特 殊 功 能 模 块 。 这 里 只 对FX2N-4AD 模 块 做 主 要 介 绍 。 FX2N-4AD 是 一 种 具 有 4 输 入 通 道 、 接 受 模拟 信 号 并 将 其 转 化 为 数 字 量 的 （ A/D） 模 块 ， 它 可 以 接 受 的 模 拟 量 范 围 为 电压 DC -10 - +10V（ 分 辨 率 为 5mV） 、 电 流 +4 - +20mA、 -20 - +20mA（ 分辨 率 为 20 A） 。 它 占 用 FX2N 扩 展 总 线 的 8 个 点 ， 这 8 个 点 可 以 分 配 成 输入 或 输 出 。 它 与 主 单 元 FX2N 之 间 是 通 过 缓 冲 存 储 器 交 换 数 据 的 。 FX2N-4AD 共 有 32 个 缓 冲 存 储 器 ， 每 个 16 位 。3.1 通 道 的 选 择FX2N-4AD 要 选 择 通 道 ， 对 通 道 进 行 初 始 化 。 初 始 化 由 缓 冲 器 BFM#0中 4 位 十 六 进 制 数 字 H 控 制 ， 从 右 到 左 第 1 位 字 符 控 制 通 道1（ CH1） ， 而 第 4 位 字 符 控 制 通 道 4 等 。 字 符 的 意 义 如 下 ： =0， 预 设 电 压 输 入 （ -10 - +10V） ； =1， 预 设 电 流 输 入 （ -20 - +20mA） ； =2， 预 设 电 流 输 入 （ +4 - +20mA） ； =3， 通 道 关 闭 ， OFF。淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 8 页 共 40 页例 如 H3310， 其 意 义 为 选 择 第 一 通 道 （ CH1） 做 电 压 输 入 （ -10 - +10V） ， 选 择 第 2 通 道 （ CH2） 为 电 流 输 入 （ +4 - +20mA） ， 选 择 第 3 通 道（ CH3） 及 选 择 第 4 通 道 （ CH4） 关 闭 。FX2N-4AD 的 输 入 电 流 、 电 压 与 输 出 数 字 之 间 的 关 系 如 下 图 所 示 。 图a 对 应 于 电 压 输 入 （ -10 - +10V） ， 其 数 字 输 出 为 （ -2000 - +2000） ； 图 b 对应 于 电 流 输 入 （ -20 - +20mA） ， 其 数 字 输 出 为 （ -1000 - +1000） ； 图 c 对 应于 电 流 输 入 （ +4 - +20mA） ， 其 数 字 输 出 为 （ 0 - +1000） 。a)预 设 0（-10 - + 10V） b）预 设 1（+4 - +20mA）c）预 设 2（-20 - +20mA）淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 9 页 共 40 页3.2 程 序 实 例如 将 FX2N-4AD 模 块 连 接 在 特 殊 功 能 模 块 的 0 号 （ K0） 位 置 ， 编 程 如下 图 3.2。图 中 第 1 行 是 读 出 FX2N-4AD 的 识 别 码 ， 它 的 识 别 码 为 K2010， 放 在BFM#30 中 。 执 TO 指 令 ， 将 放 在 0 号 位 置 的 特 殊 功 能 模 块 的 BFM#30 的内 容 写 到 D4 中 去 。 执 行 CMP 指 令 ； 当 K2010 与 FX2N-4AD 的 识 别 码 相同 时 ， M1 置 1.下 一 行 ， 执 行 第 一 个 TO 指 令 ， 对 通 道 进 行 初 始 化 ， 将H3300 写 入 到 得 BFM#0， 建 立 模 拟 通 道 CH1 及 CH2。 执 行 第 二 个 TO 指令 ， 将 K4 写 入 BFM#1 及 #2， 将 CH1 和 CH2 的 平 均 采 样 设 为 4。 执 行FROM 指 令 ， 将 FX2N-4AD 的 操 作 状 态 由 BFM#29 中 读 出 。 并 输 入 到FX2N-4AD 的 K4M10。 当 BFM#29 的 b0 为 OFF,表 示 无 错 ， 当 b10 为OFF， 表 示 数 字 输 入 值 正 常 。 如 果 FX2N-4AD 没 有 错 误 ， 将 BFM#5 和 #6采 样 内 容 的 平 均 值 读 入 到 FX2N 主 单 元 的 D0、 D1 中 去 。图 3.2 FX2N-4AD 使用实 例淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 10 页 共 40 页4 传感器简介在 本 设 计 中 用 到 了 温 度 传 感 器 、 液 位 传 感 器 、 流 量 传 感 器 ， 所 以 在 此 对传 感 器 做 简 要 介 绍 。国 家 标 准 GB7665-87 对 传 感 器 下 的 定 义 是 ： “能 感 受 规 定 的 被 测 量 并 按照 一 定 的 规 律 转 换 成 可 用 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 是 一 种 检 测 装 置 ， 能 感 受 到 被 测 量 的 信 息 ， 并 能 将 检 测 感 受 到的 信 息 ， 按 一 定 规 律 变 换 成 为 电 信 号 或 其 他 所 需 形 式 的 信 息 输 出 ， 以 满 足 信息 的 传 输 、 处 理 、 存 储 、 显 示 、 记 录 和 控 制 等 要 求 。 它 是 实 现 自 动 检 测 和 自动 控 制 的 首 要 环 节 。传 感 器 的 分 类目 前 对 传 感 器 尚 无 一 个 统 一 的 分 类 方 法 ， 但 比 较 常 用 的 有 如 下 三 种 ：1、 按 传 感 器 的 物 理 量 分 类 ， 可 分 为 位 移 、 力 、 速 度 、 温 度 、 流 量 、 气 体成 份 等 传 感 器2、 按 传 感 器 工 作 原 理 分 类 ， 可 分 为 电 阻 、 电 容 、 电 感 、 电 压 、 霍 尔 、 光电 、 光 栅 、 热 电 偶 等 传 感 器 。3、 按 传 感 器 输 出 信 号 的 性 质 分 类 ， 可 分 为 ： 输 出 为 开 关 量 （ “1”和 0”或 “开 ”和 “关 ”） 的 开 关 型 传 感 器 ； 输 出 为 模 拟 型 传 感 器 ； 输 出 为 脉 冲 或 代 码的 数 字 型 传 感 器 。传 感 器 的 静 态 特 性传 感 器 的 静 态 特 性 是 指 对 静 态 的 输 入 信 号 ， 传 感 器 的 输 出 量 与 输 入 量 之间 所 具 有 相 互 关 系 。 因 为 这 时 输 入 量 和 输 出 量 都 和 时 间 无 关 ， 所 以 它 们 之 间的 关 系 ， 即 传 感 器 的 静 态 特 性 可 用 一 个 不 含 时 间 变 量 的 代 数 方 程 ， 或 以 输 入量 作 横 坐 标 ， 把 与 其 对 应 的 输 出 量 作 纵 坐 标 而 画 出 的 特 性 曲 线 来 描 述 。 表 征传 感 器 静 态 特 性 的 主 要 参 数 有 ： 线 性 度 、 灵 敏 度 、 分 辨 力 和 迟 滞 等 。传 感 器 的 动 态 特 性所 谓 动 态 特 性 ， 是 指 传 感 器 在 输 入 变 化 时 ， 它 的 输 出 的 特 性 。 在 实 际 工作 中 ， 传 感 器 的 动 态 特 性 常 用 它 对 某 些 标 准 输 入 信 号 的 响 应 来 表 示 。 这 是 因为 传 感 器 对 标 准 输 入 信 号 的 响 应 容 易 用 实 验 方 法 求 得 ， 并 且 它 对 标 准 输 入 信号 的 响 应 与 它 对 任 意 输 入 信 号 的 响 应 之 间 存 在 一 定 的 关 系 ， 往 往 知 道 了 前 者就 能 推 定 后 者 。 最 常 用 的 标 准 输 入 信 号 有 阶 跃 信 号 和 正 弦 信 号 两 种 ， 所 以 传感 器 的 动 态 特 性 也 常 用 阶 跃 响 应 和 频 率 响 应 来 表 示 。传 感 器 的 线 性 度通 常 情 况 下 ， 传 感 器 的 实 际 静 态 特 性 输 出 是 条 曲 线 而 非 直 线 。 在 实 际 工淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 11 页 共 40 页作 中 ， 为 使 仪 表 具 有 均 匀 刻 度 的 读 数 ， 常 用 一 条 拟 合 直 线 近 似 地 代 表 实 际 的特 性 曲 线 、 线 性 度 （ 非 线 性 误 差 ） 就 是 这 个 近 似 程 度 的 一 个 性 能 指 标 。拟 合 直 线 的 选 取 有 多 种 方 法 。 如 将 零 输 入 和 满 量 程 输 出 点 相 连 的 理 论 直线 作 为 拟 合 直 线 ； 或 将 与 特 性 曲 线 上 各 点 偏 差 的 平 方 和 为 最 小 的 理 论 直 线 作 为 拟 合 直 线 ， 此 拟 合 直 线 称 为 最 小 二 乘 法 拟 合 直 线 。传 感 器 的 灵 敏 度灵 敏 度 是 指 传 感 器 在 稳 态 工 作 情 况 下 输 出 量 变 化 y 对 输 入 量 变 化 x的 比 值 。它 是 输 出 一 输 入 特 性 曲 线 的 斜 率 。 如 果 传 感 器 的 输 出 和 输 入 之 间 显 线 性关 系 ， 则 灵 敏 度 S 是 一 个 常 数 。 否 则 ， 它 将 随 输 入 量 的 变 化 而 变 化 。灵 敏 度 的 量 纲 是 输 出 、 输 入 量 的 量 纲 之 比 。 例 如 ， 某 位 移 传 感 器 ， 在 位移 变 化 1mm 时 ， 输 出 电 压 变 化 为 200mV， 则 其 灵 敏 度 应 表 示 为200mV/mm。当 传 感 器 的 输 出 、 输 入 量 的 量 纲 相 同 时 ， 灵 敏 度 可 理 解 为 放 大 倍 数 。提 高 灵 敏 度 ， 可 得 到 较 高 的 测 量 精 度 。 但 灵 敏 度 愈 高 ， 测 量 范 围 愈 窄 ，稳 定 性 也 往 往 愈 差 。传 感 器 的 分 辨 力分 辨 力 是 指 传 感 器 可 能 感 受 到 的 被 测 量 的 最 小 变 化 的 能 力 。 也 就 是 说 ，如 果 输 入 量 从 某 一 非 零 值 缓 慢 地 变 化 。 当 输 入 变 化 值 未 超 过 某 一 数 值 时 ， 传感 器 的 输 出 不 会 发 生 变 化 ， 即 传 感 器 对 此 输 入 量 的 变 化 是 分 辨 不 出 来 的 。 只有 当 输 入 量 的 变 化 超 过 分 辨 力 时 ， 其 输 出 才 会 发 生 变 化 。通 常 传 感 器 在 满 量 程 范 围 内 各 点 的 分 辨 力 并 不 相 同 ， 因 此 常 用 满 量 程 中能 使 输 出 量 产 生 阶 跃 变 化 的 输 入 量 中 的 最 大 变 化 值 作 为 衡 量 分 辨 力 的 指 标 。上 述 指 标 若 用 满 量 程 的 百 分 比 表 示 ， 则 称 为 分 辨 率 。电 阻 式 传 感 器电 阻 式 传 感 器 是 将 被 测 量 ， 如 位 移 、 形 变 、 力 、 加 速 度 、 湿 度 、 温 度 等这 些 物 理 量 转 换 式 成 电 阻 值 这 样 的 一 种 器 件 。 主 要 有 电 阻 应 变 式 、 压 阻 式 、热 电 阻 、 热 敏 、 气 敏 、 湿 敏 等 电 阻 式 传 感 器 件 。电 阻 应 变 式 传 感 器传 感 器 中 的 电 阻 应 变 片 具 有 金 属 的 应 变 效 应 ， 即 在 外 力 作 用 下 产 生 机 械形 变 ， 从 而 使 电 阻 值 随 之 发 生 相 应 的 变 化 。 电 阻 应 变 片 主 要 有 金 属 和 半 导 体两 类 ， 金 属 应 变 片 有 金 属 丝 式 、 箔 式 、 薄 膜 式 之 分 。 半 导 体 应 变 片 具 有 灵 敏度 高 （ 通 常 是 丝 式 、 箔 式 的 几 十 倍 ） 、 横 向 效 应 小 等 优 点 。压 阻 式 传 感 器压 阻 式 传 感 器 是 根 据 半 导 体 材 料 的 压 阻 效 应 在 半 导 体 材 料 的 基 片 上 经 扩散 电 阻 而 制 成 的 器 件 。 其 基 片 可 直 接 作 为 测 量 传 感 元 件 ， 扩 散 电 阻 在 基 片 内淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 12 页 共 40 页接 成 电 桥 形 式 。 当 基 片 受 到 外 力 作 用 而 产 生 形 变 时 ， 各 电 阻 值 将 发 生 变 化 ，电 桥 就 会 产 生 相 应 的 不 平 衡 输 出 。用 作 压 阻 式 传 感 器 的 基 片 （ 或 称 膜 片 ） 材 料 主 要 为 硅 片 和 锗 片 ， 硅 片 为敏 感 材 料 而 制 成 的 硅 压 阻 传 感 器 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 ， 尤 其 是 以 测 量 压力 和 速 度 的 固 态 压 阻 式 传 感 器 应 用 最 为 普 遍 。热 电 阻 传 感 器热 电 阻 传 感 器 主 要 是 利 用 电 阻 值 随 温 度 变 化 而 变 化 这 一 特 性 来 测 量 温 度及 与 温 度 有 关 的 参 数 。 在 温 度 检 测 精 度 要 求 比 较 高 的 场 合 ， 这 种 传 感 器 比 较适 用 。 目 前 较 为 广 泛 的 热 电 阻 材 料 为 铂 、 铜 、 镍 等 ， 它 们 具 有 电 阻 温 度 系 数大 、 线 性 好 、 性 能 稳 定 、 使 用 温 度 范 围 宽 、 加 工 容 易 等 特 点 。 用 于 测 量 -200 +500 范 围 内 的 温 度 。传 感 器 的 迟 滞 特 性迟 滞 特 性 表 征 传 感 器 在 正 向 （ 输 入 量 增 大 ） 和 反 向 （ 输 入 量 减 小 ） 行 程间 输 出 -一 输 入 特 性 曲 线 不 一 致 的 程 度 ， 通 常 用 这 两 条 曲 线 之 间 的 最 大 差 值 MAX 与 满 量 程 输 出 FS 的 百 分 比 表 示 。迟 滞 可 由 传 感 器 内 部 元 件 存 在 能 量 的 吸 收 造 成 。4.1 热 电 偶 传 感 器 应 用4.1.1 温 度 传 感 器 热 电 偶 测 温 基 本 原 理 将 两 种 不 同 材 料 的 导 体 或 半 导 体 A 和 B 焊 接 起 来 ， 构 成 一 个 闭 合 回 路， 当 导 体 A 和 B 的 两 个 执 着 点 1 和 2 之 间 存 在 温 差 时 ， 两 者 之 间 便 产 生 电动 势 ,因 而 在 回 路 中 形 成 一 个 大 小 的 电 流 ,这 种 现 象 称 为 热 电 效 应 。 温 度 传 感器 热 电 偶 就 是 利 用 这 一 效 应 来 工 作 的 。 4.1.2 温 度 传 感 器 热 电 偶 的 种 类 及 结 构 形 成 常 用 温 度 传 感 器 热 电 偶 可 分 为 标 准 温 度 传 感 器 热 电 偶 和 非 标 准 温 度 传 感器 热 电 偶 两 大 类 。 所 调 用 标 准 温 度 传 感 器 热 电 偶 是 指 国 家 标 准 规 定 了 其 热 电势 与 温 度 的 关 系 、 允 许 误 差 、 并 有 统 一 的 标 准 分 度 表 的 温 度 传 感 器 热 电 偶 ，它 有 与 其 配 套 的 显 示 仪 表 可 供 选 用 。 非 标 准 化 温 度 传 感 器 热 电 偶 在 使 用 范 围或 数 量 级 上 均 不 及 标 准 化 温 度 传 感 器 热 电 偶 ， 一 般 也 没 有 统 一 的 分 度 表 ， 主要 用 于 某 些 特 殊 场 合 的 测 量 。 标 准 化 温 度 传 感 器 热 电 偶 我 国 从 1988 年 1月 1 日 起 ， 温 度 传 感 器 热 电 偶 和 温 度 传 感 器 热 电 阻 全 部 按 IEC 国 际 标 准 生产 ， 并 指 定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七 种 标 准 化 温 度 传 感 器 热 电 偶 为 我 国 统一 设 计 型 温 度 传 感 器 热 电 偶 。 温 度 传 感 器 热 电 偶 的 结 构 形 式 为 了 保 证 温 度 传 感 器 热 电 偶 可 靠 、 稳 定地 工 作 ， 对 它 的 结 构 要 求 如 下 ： 组 成 温 度 传 感 器 热 电 偶 的 两 个 热 电 极 的 焊 接 必 须 牢 固 ； 淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 13 页 共 40 页 两 个 热 电 极 彼 此 之 间 应 很 好 地 绝 缘 ， 以 防 短 路 ； 补 偿 导 线 与 温 度 传 感 器 热 电 偶 自 由 端 的 连 接 要 方 便 可 靠 ； 保 护 套 管 应 能 保 证 热 电 极 与 有 害 介 质 充 分 隔 离 。 4.1.3 温 度 传 感 器 热 电 偶 冷 端 的 温 度 补 偿 由 于 温 度 传 感 器 热 电 偶 的 材 料 一 般 都 比 较 贵 重 （ 特 别 是 采 用 贵 金 属时 ） ， 而 测 温 点 到 仪 表 的 距 离 都 很 远 ， 为 了 节 省 热 电 偶 材 料 ， 降 低 成 本 ，通 常 采 用 补 偿 导 线 把 温 度 传 感 器 热 电 偶 的 冷 端 （ 自 由 端 ） 延 伸 到 温 度 比 较稳 定 的 控 制 室 内 ， 连 接 到 仪 表 端 子 上 。 必 须 指 出 ， 温 度 传 感 器 热 电 偶 补 偿导 线 的 作 用 只 起 延 伸 热 电 极 ， 使 温 度 传 感 器 热 电 偶 的 冷 端 移 动 到 控 制 室 的 仪表 端 子 上 ， 它 本 身 并 不 能 消 除 冷 端 温 度 变 化 对 测 温 的 影 响 ， 不 起 补 偿 作 用 。因 此 ， 还 需 采 用 其 他 修 正 方 法 来 补 偿 冷 端 温 度 t00 时 对 测 温 的 影 响 。在 使 用 温 度 传 感 器 热 电 偶 补 偿 导 线 时 必 须 注 意 型 号 相 配 ， 极 性 不 能 接 错， 补 偿 导 线 与 温 度 传 感 器 热 电 偶 连 接 端 的 温 度 不 能 超 过 100 。4.2 叶 轮 式 流 量 传 感 器叶 轮 式 流 量 计 是 应 用 流 体 动 量 矩 原 理 测 量 流 量 的 装 置 。 叶 轮 的 旋 转 角 速度 与 流 量 成 线 形 关 系 ， 测 得 旋 转 角 速 度 就 可 测 得 流 量 值 。 常 用 水 表 、 煤 气 表均 是 按 照 这 种 原 理 工 作 的 流 量 计 。 我 国 目 前 市 场 上 供 应 的 水 表 ， 流 量 测 定范 围 3-1400m3/h， 最 大 累 计 流 量 指 示 值 达 108m3。 常 用 的 叶 轮 式 流 量 计 有切 线 叶 轮 式 流 量 计 ， 轴 流 叶 轮 式 流 量 计 ， 子 母 式 流 量 计 等 类 型 。在 恒 温 箱 控 制 系 统 中 用 到 的 流 量 传 感 器 为 叶 轮 式 流 量 传 感 器 。4.2 叶 轮 式 微 流 量 传 感 器 图该 叶 轮 式 流 量 传 感 器 是 利 用 电 容 的 变 化 来 进 行 流 量 检 测 的 非 热 式 微 流 量 传感 器 ， 其 工 艺 结 构 如 上 图 所 示 。 利 用 MEM 技 术 将 硅 片 制 成 可 围 绕 转 子 进 行转 动 的 叶 轮 ， 作 为 电 容 的 上 下 电 极 ， 在 玻 璃 板 上 蒸 发 的 金 属 作 为 电 容 的 下 电淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 14 页 共 40 页极 ， 形 状 与 叶 轮 相 对 应 。 其 工 作 原 理 是 利 用 流 体 造 成 叶 轮 转 动 ， 流 量 的 大 小直 接 影 响 到 叶 轮 的 转 动 速 度 ， 当 转 速 和 流 量 大 小 之 间 的 对 应 关 系 确 定 后 ， 如果 能 检 测 出 转 速 就 能 反 映 流 量 的 大 小 。 而 转 速 的 测 量 则 是 运 用 了 传 感 器 结 构中 电 容 的 变 化 。 作 为 上 电 极 的 叶 轮 转 动 时 ， 下 电 极 时 钟 不 动 ， 因 此 相 对 面 积发 生 改 变 ， 在 间 距 、 介 质 材 料 都 不 变 的 情 况 下 ， 电 容 跟 着 变 ， 转 的 越 快 ， 检测 电 容 变 化 越 快 。 因 此 转 速 与 电 容 的 变 化 率 之 间 有 了 一 定 得 对 应 关 系 。 检测 电 路 设 计 中 主 要 考 虑 电 容 的 变 化 引 起 电 路 相 应 频 率 的 变 化 ， 只 要 把 频 率 的变 化 检 测 出 来 ， 就 可 以 反 应 电 容 变 化 快 慢 ， 而 电 容 的 变 化 ， 反 应 了 叶 轮 转 速的 变 化 ， 从 而 反 应 了 流 量 的 大 小 。4.3 光 电 开 关光 电 液 位 传 感 器 是 利 用 光 在 两 种 不 同 介 质 界 面 发 生 反 射 折 射 原 理 测 控 液位 的 装 置 。 本 设 计 中 主 要 应 用 为 光 电 开 关 。光 电 开 关 的 定 义 ： 此 种 产 品 以 光 源 为 介 质 、 应 用 光 电 效 应 ， 当 光 源 受 物体 遮 蔽 或 发 生 反 射 、 辐 射 和 遮 光 导 致 受 光 量 变 化 来 检 测 对 象 的 有 无 、 大 小 和明 暗 ， 而 向 产 生 接 点 和 无 接 点 输 出 信 号 的 开 关 元 件 。 光 电 开 关 包 括 几 种 类 型， 自 身 不 具 备 光 源 ， 利 用 被 测 物 体 发 射 的 光 的 变 化 量 进 行 检 测 的 ； 利 用 自 然光 对 光 电 开 关 的 照 射 ， 物 体 遮 蔽 自 然 光 产 生 的 关 变 化 量 ； 光 电 开 关 自 身 具 备光 源 ， 发 射 的 光 源 对 被 检 测 物 体 反 射 、 吸 收 、 和 透 射 光 的 变 化 量 进 行 检 测 。常 用 的 光 源 为 紫 外 光 、 可 见 光 、 红 外 光 等 波 段 的 光 源 ， 光 源 的 类 型 有 灯 泡 、LED、 激 光 管 等 ； 输 出 信 号 有 开 关 量 或 模 拟 量 和 通 讯 数 据 信 息 等 。光 电 开 关 的 叫 法 ， 主 要 是 输 出 为 开 关 量 的 开 关 元 件 。光 电 传 感 器 的 叫 法 ， 涵 盖 了 输 出 开 关 量 、 模 拟 量 、 通 讯 数 据 等 。4.3.1 光 电 开 关 原 理 与 分 类（ 1） 按 检 测 形 式 的 分 类对 射 式 对 射 式 是 由 一 个 发 射 器 与 一 个 接 收 器 相 对 配 置 的 ， 发 射 器 发 射 出 的 光指 向 接 收 器 ， 发 射 器 与 接 收 器 之 间 组 成 一 个 闭 合 光 路 ， 通 过 对 光 路 的 光 被 遮断 或 光 衰 减 来 进 行 检 测 的 一 种 检 测 形 式 。 这 种 检 测 形 式 作 用 距 离 比 较 长 ， 但需 要 一 个 发 射 器 并 需 要 配 电 ； 在 某 些 应 用 场 合 比 如 空 间 狭 小 ， 不 合 适 配 电 的运 用 上 比 较 麻 烦 。 如 图 4.3淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 15 页 共 40 页图 4.3 对射式光电开关原理图 发 射 器 与 接 收 器 一 体 化 ， 光 传 输 为 直 流 方 式 的 非 调 制 信 号 ， 主 要 小 型缝 隙 光 电 开 关 ， 如 U 型 、 C 型 的 槽 型 光 电 开 关 。直接反射式：这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器发射的光直接照射到被检测物上，根据反射光的变化情况来进行检测的。可以说是近似人的眼睛的一种检测器。与对射式相比作用距离比较短，只需要单线配电即可，属于通用检测器。图 4.4 直接反射式光电开关原理图镜面反射式这种方式是把发射器与接收器构为一体，光电开关对置反角矩阵射镜，发射器的光被反射镜后反馈回接收器，光电开关与角矩阵反射镜（多棱镜）形成闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式，这种检测形式作用距离比对射式短，比直接反射式较长。只需要单线配电即可，由于采用反射镜光轴的调整比对射式容易；反射镜由多棱镜角矩阵板或微晶玻璃颗粒反射膜等。 具 有 M.S.R 功 能 的 反 射 器 式 光 电 开 关 ， 如 果 被 检 测 物 是 平 面 而 且 有 光泽 ， 则 会 产 生 误 动 作 ， 欲 解 决 此 问 题 ， 可 采 用 M.S.R 功 能 ， 它 的 主 要 工 作原 理 是 基 于 角 矩 阵 反 射 器 能 使 偏 振 光 方 向 改 变 90， 采 用 互 相 垂 直 的 偏 振光 膜 片 放 在 双 镜 头 前 ， 所