机械电子学第五章 常用检测元件

1、第五章第五章 常用检测元件常用检测元件5.1 接近开关（无触点行程开关）接近开关（无触点行程开关） 接近开关是一种无需与运动部件进行机械接触接近开关是一种无需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而控制装置提供信号。可使开关动作，从而控制装置提供信号。 接近开关是种开关型传感器（即无无触点开接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感

2、性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。耐腐蚀等特点。 一、接近开关性能特点一、接近开关性能特点v 当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有位移传感器才有“感知感知”，开关才会动作。通常把，开关才会动作。通常把这个距离叫这个距离叫“检出距离检出距离”。不同的接近开关检出距。不同的接近开关检出距离也不同。离也不同。v 有时被检测验物体是按一定的时间间隔，一个有时被检测验物体是按一定的时间间

3、隔，一个接一个地移向接近开关，又一个一个地离开，这样接一个地移向接近开关，又一个一个地离开，这样不断地重复。不同的接近开关，对检测对象的响应不断地重复。不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同的。这种响应特性被称为能力是不同的。这种响应特性被称为“响应频率响应频率”。二、接近开关的种类1 1、电感式接近开关、电感式接近开关 这种开关有时也叫涡流式接近开关。这种开关有时也叫涡流式接近开关。 电感式接近开关是由电感式接近开关是由LCLC振荡器、开关电路振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。振荡器产生一及放大输出电路三大部分组成。振荡器产生一个交变磁场。当外界的金属性导电物体接近这个交变磁场

4、。当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并达到感应区时，在金属物体内产生一磁场，并达到感应区时，在金属物体内产生涡流，从而导致振荡衰减，以致停振。振荡器涡流，从而导致振荡衰减，以致停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。接触式之检测目的。 这种接近开关所能检测的物体必须是导电这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。体。2 2、电容式接近开关、电容式接近开关- -实质是介电常数变化实质是介电常数变化 电容式传感器的感应由两个同轴金属电极构成，很象电容

5、式传感器的感应由两个同轴金属电极构成，很象“打开的打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串联在电容器电极，该两个电极构成一个电容，串联在RCRC振荡回路内。振荡回路内。 电源接通时，电源接通时，RCRC振荡器不振荡，当一个目振荡器不振荡，当一个目标朝着电容器的电极靠近时，电容器的容量增加，使振荡器标朝着电容器的电极靠近时，电容器的容量增加，使振荡器开始振荡，通过后级电路的处理，将停振和振荡两种信号转开始振荡，通过后级电路的处理，将停振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物

6、体，对金属物体可感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电系数越大，可获得的动作距离越大。的介电系数越大，可获得的动作距离越大。 3 3、霍尔接近开关、霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性开关内部电路状

7、态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。的检测对象必须是磁性物体。4、光电接近开关、光电接近开关v是光电传感器的一种，是光电开关的简称。它是利是光电传感器的一种，是光电开关的简称。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，从而检测物体有用被检测物对光束的遮挡或反射，从而检测物体有无的。无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或光

8、信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型波长接近可见光的红外线光波型。 光电开关分类光电开关分类1 1、漫反射式光电开关、漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的测物体的表面光亮或其反光率极高表

9、面光亮或其反光率极高时，漫反射式时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。的光电开关是首选的检测模式。 2 2、对射式光电开关对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。开关是最可靠的检测装置。 5 5、热释电式接近

10、开关、热释电式接近开关 用能感知温度变化用能感知温度变化的元件做成的开关叫热的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。便可检测出有物体接近。v6 6、其它型式的接近开关、其它型式的接近开关v当观察者或系统对波源当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声种现象称为

11、多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接由此可以识别出有无物体接近。近。三、接近开关的选用三、接近开关的选用v 在一般的工业生产场所，通常都选用涡流式接近开关和电在一般的工业生产场所，通常都选用涡流式接近开关和电容式接近开关。因为这两种接近开关对环境的要求条件较低。当容式接近开关。因为这两种接近开关对环境

12、的要求条件较低。当被测对象是导电物体或可以固定在一块金属物上的物体时，一般被测对象是导电物体或可以固定在一块金属物上的物体时，一般都选用都选用电感式接近开关电感式接近开关，因为它的响应频率高、抗环境干扰性能，因为它的响应频率高、抗环境干扰性能好、应用范围广、价格较低。若所测对象是非金属（或金属）、好、应用范围广、价格较低。若所测对象是非金属（或金属）、液位高度、粉状物高度、塑料、烟草等。则应选用液位高度、粉状物高度、塑料、烟草等。则应选用电容式接近开电容式接近开关关。这种开关的响应频率低，但稳定性好。若被测物为导磁材料。这种开关的响应频率低，但稳定性好。若被测物为导磁材料或者为了区别和它在一同

13、运动的物体而把磁钢埋在被测物体内时，或者为了区别和它在一同运动的物体而把磁钢埋在被测物体内时，应选用应选用霍尔接近开关霍尔接近开关，它的价格最低。，它的价格最低。v在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开光电接近开关关。光电接近开关工作时对被测对象几乎无任何影。因此，在要。光电接近开关工作时对被测对象几乎无任何影。因此，在要求较高的传真机上，在烟草机械上都被广泛地使用。求较高的传真机上，在烟草机械上都被广泛地使用。v在防盗系统中，自动门通常使用在防盗系统中，自动门通常使用热释电接近开关、超声波接热释电接近开关、超声波接近开关、微波接近开关近

14、开关、微波接近开关。有时为了提高识别的可靠性，上述几种。有时为了提高识别的可靠性，上述几种接近开关往往被复合使用。接近开关往往被复合使用。v无论选用哪种接近开关，都应注意对工作电压、负载电流、无论选用哪种接近开关，都应注意对工作电压、负载电流、响应频率、检测距离等各项指标的要求。响应频率、检测距离等各项指标的要求。v 选用的接近开关与三菱选用的接近开关与三菱PLC连接时，请选择连接时，请选择NPN型型。1、检验距离、检验距离 检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移的位置，防止两物

15、体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。 2、尺寸控制、尺寸控制 金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。 3、检测物体存在、检测物体存在4、产品计数、产品计数5、检测异常、检测异常 检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的检测

16、瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。四、接近开关的主要功能一一.增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理5.2 光电编码器光电编码器 分度栅与主栅（主码盘）平行，并刻有分度栅与主栅（主码盘）平行，并刻有a、b、z三组透三组透明检测窄缝，明检测窄缝，a、b彼此错开彼此错开1/4节距，以使节距，以使a、b两个光电变两个光电变换器的输出信号在相位上相差换器的输出信号在相位上相差90。工作时，分度栅静止。工

17、作时，分度栅静止不动，主栅与转轴一起转动，光源发出的光投射到主栅与分不动，主栅与转轴一起转动，光源发出的光投射到主栅与分度栅上，感光元件接收到的光会时大时小，从而产生近似的度栅上，感光元件接收到的光会时大时小，从而产生近似的正弦信号，经放大、整形电路变换后输出方波信号。正弦信号，经放大、整形电路变换后输出方波信号。由于由于A、B两相相差两相相差90度，可通过比较度，可通过比较A相在前还是相在前还是B相在前，以判相在前，以判别编码器的正转与反转。每转输出一个别编码器的正转与反转。每转输出一个Z相脉冲，以代表零相脉冲，以代表零位参考位。通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。位参考位。通过零位脉冲

18、，可获得编码器的零位参考位。 ZSP 3004-001E-200B/5-24C二、二、PLCPLC与编码器接线与编码器接线三、三、PLCPLC、变频器与编码器接线、变频器与编码器接线四、编码器选择问题四、编码器选择问题1、对三菱PLC选择NPN型集电极输出2、适应PLC接收的最高脉冲频率例：电机最高转速是1500转/分 ，编码器分辨率是500p/r。本系统脉冲最高频率25转/秒500个/转2（A/B两相）25KHz三菱三菱FX2N的的PLC计数器最高脉冲响应频率计数器最高脉冲响应频率C235、C236、C246（单相）（单相）60kHzC251（双相）（双相）30kHz五、高速计数器（五、高速

19、计数器（HSCHSC）3.2 PLC3.2 PLC的编程元件的编程元件工作原理：高速计数器的工作建立在中断的基础上，即计工作原理：高速计数器的工作建立在中断的基础上，即计数事件的触发与数事件的触发与PLCPLC的扫描时间无关。高速计数器与内部计的扫描时间无关。高速计数器与内部计数器相比除允许的计数频率大大提高外（一般为几数器相比除允许的计数频率大大提高外（一般为几KHzKHz几几十十KHzKHz，具体可参考实际型号），应用也更为灵活。，具体可参考实际型号），应用也更为灵活。类型：类型：一相高速计数器一相高速计数器两相双向计数器两相双向计数器A-BA-B相型双计数输入高速计数器相型双计数输入高速

20、计数器3.2 PLC3.2 PLC的编程元件的编程元件说明：说明：l高速计数器（高速计数器（C235C235C255C255）共用）共用PLCPLC的的8 8个高速计数器输入个高速计数器输入端端X0X0X7X7，某一输入端同时只能供一个高速计数器使用。，某一输入端同时只能供一个高速计数器使用。这这2121个计数器均为个计数器均为3232位加减计数器。不同类型的高速计位加减计数器。不同类型的高速计数器可以同时使用，但是它们的高速计数器输入端不能冲数器可以同时使用，但是它们的高速计数器输入端不能冲突。突。l在对外部高速脉冲计数时，梯形图中高速计数器的线圈应在对外部高速脉冲计数时，梯形图中高速计数器

21、的线圈应一直通电，以表示与它有关的输入点已被占用，其他高速一直通电，以表示与它有关的输入点已被占用，其他高速计数器的处理不能与其发生冲突。计数器的处理不能与其发生冲突。l高速计数器均有断电保持功能，通过参数设定还可变成非高速计数器均有断电保持功能，通过参数设定还可变成非断电保持。断电保持。l可以用运行时一直为可以用运行时一直为ONON的的M8000M8000的常开触点来驱动高速计的常开触点来驱动高速计数器的线圈。数器的线圈。FX2NFX2N高速计数器（高速计数器（HSCHSC）表）表a 单相单输入b 单相双输入c 双相双输入六、六、PLC、变频器与编码器控制实例、变频器与编码器控制实例控制要求

22、：编码器采用控制要求：编码器采用a、b双相计数，拨动开关，三双相计数，拨动开关，三相异步电机高速运行相异步电机高速运行5圈后低速运行圈后低速运行3圈，以后重复以圈，以后重复以上过程。已知：编码器分辨率是上过程。已知：编码器分辨率是200p/r。控制程序v七七.绝对式编码器原理绝对式编码器原理v 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。v 光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透光电式码盘是目前应用较多的一种，

23、它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码制黑白等间隔图案，形成一套编码 v 黑色不透光区和白黑色不透光区和白色透光区分别代表二色透光区分别代表二进制的进制的“0”和和“1”。在一个四位光电码盘在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进每一个码道表示二进制的一位，里侧是高制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在位，外侧是

24、低位，在360范围内可编数码范围内可编数码数为数为24=16个。个。1100001101010110011101001010100110001011111100010010000011101101v 工作时，码盘的一工作时，码盘的一侧放置电源，另一边侧放置电源，另一边放置光电接受装置，放置光电接受装置，每个码道都对应有一每个码道都对应有一个光电管及放大、整个光电管及放大、整形电路。码盘转到不形电路。码盘转到不同位置，光电元件接同位置，光电元件接受光信号，并转成相受光信号，并转成相应的电信号，经放大应的电信号，经放大整形后，成为相应数整形后，成为相应数码电信号。码电信号。 11000011010101100111010010101001100010111111000100100000111011014