工业现场传感器

1、工业现场传感器CQJTU 机电与汽车工程学院 伍岳 光电式传感器 电感式传感器 电容式传感器光电式传感器（安全光幕）一.安全光幕简介 安全光幕由投光器和受光器两部分组成。投光器发射出调制的红外光，由受光器接收，形成了一个保护网，当是有物体进入保护网，当从中有光线被物体挡住，通过内部控制线路，受光器电路马上作出反应，即在输出部分输出一个信号用于机床如冲床，压力机等紧急刹车。 光幕有着非常广泛的应用，比如在需要不断送取料的冲压设备上，如果安装接触式安全防护门，则需要操作人员频繁地开关防护门，这样不但增加了操作人员的工作量，而且降低了生产效率。在这种情况下，采用光栅和光幕就是最佳的选择。在操作人员送

2、取料时，只要有身体的任何一部分遮断光线，就会导致机器进入安全状态而不会给操作人员带来伤害。二.基本工作原理及分类 光电保护装置一般由光幕装置、信号电缆、控制器、控制电缆组成。 光幕装置能够产生红外光幕，并检测光幕的通光、遮光状态，通过信号电缆传送通光、遮光状态信号；控制器一方面为光幕传感器提供工作电源，一方面处理光幕传感器传送过来的通光、遮光状态信号，利用继电器输出接通、断开信号，通过控制电缆与压力机的行程控制回路连接，或与其他设备的安全保护电路连接，达到保护人身安全的目的。 光电保护装置根据光幕产生方式的不同，可分为反射式、对射式、多面保护三种形式，下面分别用示意图加以描述。T为发光器的控制

3、端，K为受光器的继电器端安全光幕实物图反射式光电保护装置对射式光电保护装置多面保护式光电保护装置2.相关设计参数 1.保护高度：根据不同的工业环境的保护需求，得到不同的光栅距离，从而对其进行不同的标定。2.安全距离： 安全距离是指为了保证安全，光电保护装置的光幕与危险点之间允许的最小距离，安全距离可参照下表确定，或依据公式计算得出。对于滑块能在行程的任意位置制停止的压力机，安全距离依公式计算SDSV21TT =（ ）控制器控制器的作用有如下四种： 1.为光幕传感器供电 输入电源一般为AC220V/AC110V，接入控制器后，经过变压、整流、稳压，产生DC12V电源，为光幕传感器供电，保证其正常

4、工作。 如果用户要求输入电源为DC24V，供货时按订单要求提供相应产品。 2.信号处理 通过信号电缆与光幕传感器连接，并将光幕传感器传输过来的通光、遮光状态信号进行处理，驱动输出继电器。 3.输出控制接点信号 通过控制电缆与机械设备的控制电路连接，输出继电器接点信号，当光幕处于通光状态时，继电器接点接通，当光幕处于遮光状态时，继电器接点断开。 4.提供接地点 为整个装置提供接地点，保证安全用电和有效防止电磁干扰。 电感式传感器是利用线圈电感式传感器是利用线圈自感自感或或互感互感的改变来实现测量的的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。一种装置。可以测量位移、振动

5、、压力、流量、比重等参数。 电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。绕组。 习惯上讲的电感式传感器通常指习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器自感式传感器，而互感式，而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作差差动变压器。动变压器。 此外，利用涡

6、流原理的电涡流式传感器此外，利用涡流原理的电涡流式传感器，而在工业现场中，而在工业现场中常常使用电涡流传感器（电磁式接近开关）。常常使用电涡流传感器（电磁式接近开关）。电容式传感器（接近开关） 根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生磁场或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流电涡流，这种现象，这种现象称为称为电涡流效应电涡流效应。 涡流的大小与金属的电阻率涡流的大小与金属的电阻率、磁导率、磁导率、几何、几何尺寸、产生磁场的线圈与金属的距

7、离尺寸、产生磁场的线圈与金属的距离x，线圈的激磁，线圈的激磁电流及其频率等参数有关。若固定其中的若干参数，电流及其频率等参数有关。若固定其中的若干参数，就能按涡流的大小测量出另外某一参数。就能按涡流的大小测量出另外某一参数。 特点特点（1 1）工作可靠、寿命长；）工作可靠、寿命长；（2 2）灵敏度高、分辨率高）灵敏度高、分辨率高; ; 位移位移:0.01m;:0.01m;角度角度0.1”;0.1”;输出信号强，电输出信号强，电压灵敏度可达数百压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm 。（3 3）精度高、线性好）精度高、线性好; ; 在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特的位移范

8、围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：0.05%0.1%；（4 4）性能稳定、重复性好。）性能稳定、重复性好。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。高频反射式电涡流传感器结构和工作原理1234561- 线圈线圈 2 -框架框架 3- 衬套衬套4 -支架支架 5 -电缆电缆 6 -插头插头222222221222222221LLRMLjRLRMRZ测量时线圈的等效阻抗为： 测量时线圈阻抗随金属导体的电阻率、磁导率、线圈激励电流的角频率以及线圈与金属导体的距离x等参数变化，即： ),(xfZ 若能控制式中其它参数不变，只改变其中若能控制式

9、中其它参数不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数，从而实现该参数的测量单值函数，从而实现该参数的测量。工作原理工作原理示意图 电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个变交磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。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。标离传感器越近，线圈内的阻尼就越大，阻尼越大，传感器振荡器的电流越小。NDL/00LML电容式传感器（接近开关） 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件

10、，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。特点：（1）小功率、高阻抗。（2）小的静电引力和良好的动态特性。（3）本身发热影响小。（4）可进行非接触测量。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。工作原理及类型 电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成， 其变量间的转换关系原理如图所示。由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为0rSSCdd +Srd_ 可见：在S、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、d、三个参量中之一发生变化，就

11、可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三大类：(1) 极距变化型电容传感器；(2) 面积变化型电容传感器；(3) 介质变化型电容传感器。 电容式传感器的全等效电路如图所示。图中，L为包括引线电缆的电感和电容式传感器本身的电感；r包括引线电阻、极板电阻和金属支架电阻；Rg是极间等效漏电阻，包含极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗；C0为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容。 电容式传感器电容量一般很小，容抗很大，而工作频率一般较高，故略去图中电阻的影响，电容式传感器的等效阻抗为：11CeZj Lj Cj

12、C式中，C=CP+C021eCCLC则等效电容为211eeCCCCLC实际电容相对变化为22/111eeeCCC CKKddLCLC因此实际的灵敏度为可见电容传感器的等效灵敏度Ke与传感器的固有电感L有关，且随变化而变化。因此，在实际应用前必须要进行标定，否则将会引入测量误差。调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。01012()ifL CCC当被测信号为零时,C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，即:01012()ifffL CCCC 调频测量电路具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量，易于用数字仪

13、器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。当电容发生变化时，频率变为 如图,C1、C2为传感器的差动电容，当电源接通时，设双稳态触发器的A端为高电位，B端为低电位，因此A点通过R1对Cl充电，直至F点上的电位等于参考电压Ur时，比较器A1产生一个脉冲，触发双稳态触发器翻转，A点成低电位，B点成高电位。此时F点电位经二极管VD1迅速放电至零，而同时B点的高电位经R2向C2充电。当G点的电位充至Ur时，比较器A2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使A点成高电位，B点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。 C1C2 时 C1C2 时 1电容式接近开关齐平式 非齐平式电容式接