工业互联网技术与应用 课件 项目4 传感器的部署与应用

工业互联网技术与应用安徽省十四五职业教育规划教材项目4

传感器的部署与应用4.1

初识传感器4.1.2传感器的基本特性4.1.1传感器技术简介4.1.3传感器在工业互联网中的应用4.1.4传感器技术的发展4.1.1传感器技术简介工业互联网通过使用传感器网络和机器到机器（M2M）通信实现工业环境的自动化，工业互联网的普及使传感器无处不在。在当今的高科技工厂中，传感器对加工系统的精度和可靠性起着关键作用。因此，要求传感器必须坚固耐用，能够在工业复杂的环境中工作，而且必须小巧简易，这些要素对传感器提出了更高的要求。与此同时，传感器的部署与管理较之其他领域的使用也有自己的特色和不同。

4.1.1传感器技术简介1．传感器的定义及组成4.1.1传感器技术简介按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。按传感器的工作原理划分的传感器，常见的有：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、电化学式传感器等。2．传感器的分类4.1.2传感器的基本特性在检测控制系统中，需要对各种参数进行检测和控制。然而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化，并且不失真地将其转换为相应的电量，这种性能主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性分为静态特性和动态特性。静态特性：是指传感器在静态工作状态下的输入输出特性，即是指传感器的输入量恒定或缓慢变化且输出量也达到相对稳定时的工作状态。动态特性：是指传感器在动态工作状态下的输入输出特性，即传感器对随时间变化的输入信号的响应特性。4.1.2传感器的基本特性灵敏度灵敏度（静态灵敏度）是指传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量

y与输入量的变化量x之比，用K表示，有1．传感器的静态特性图4-2线性系统灵敏度图4-3非线性系统灵敏度4.1.2传感器的基本特性分辨率分辨率是指引起输出量产生可观测的微小变化所需的最小输入量的变化量。当被测信号小于分辨率时，传感器对输入量的变化无任何反应。1．传感器的静态特性4.1.2传感器的基本特性线性度线性度是用来评价传感器的实际输入输出特性对理论拟合的线性输入输出特性的接近程度的一个性能指标，即传感器特性的非线性程度的参数，如图4-4所示。线性度即为传感器的实测输入输出特性曲线与理论拟合直线（理想输入输出特性曲线）的最大偏差与传感器满量程输出之比。线性度又称为“非线性误差”或“非线性度”。1．传感器的静态特性图4-4输入输出特性图4.1.2传感器的基本特性迟滞迟滞是指在相同工作条件下，传感器正行程特性和反行程特性的不一致性程度，如图4-5所示。即对应同一大小的输入量，因采用的行程方向不同，传感器的输出量值不相等，这就是迟滞现象。产生迟滞现象的原因主要是传感器机械部分存在不可避免的缺陷。1．传感器的静态特性图4-5迟滞特性4.1.2传感器的基本特性重复性重复性是指传感器的被测输入信号在同一方向（增加或减少）变化时，在全量程内连续进行重复测量所得到的输入-输出特性曲线不一致的程度，如图4-6所示。多次重复测试的输入-输出特性曲线越重合，说明该传感器重复性越好，使用误差越小。1．传感器的静态特性图4-6重复性4.1.2传感器的基本特性时域单位阶跃响应

当输入信号为阶跃函数时，因为它是时间的函数，故传感器的响应是在时域里发生的，因此称它为时域单位阶跃响应，如图4-7所示。2．传感器的动态特性图4-7时域响应性能指标4.1.2传感器的基本特性频域频率特性当输入信号是正弦函数时，因为它是频率的函数，故传感器的响应是在频域内发生的，因此称它为频率响应，如图4-8所示。2．传感器的动态特性图4-8频域响应性能指标4.1.2传感器的基本特性3．传感器在工业互联网中的应用4.1.2传感器的基本特性3．传感器在工业互联网中的应用4.1.2传感器的基本特性向高精度发展向微型化发展向微功耗和无源化发展向智能化发展向高可靠性发展发展生物传感器4．传感器技术的发展4.1.2传感器的基本特性需求分析：用于二足机器人的脚底，主要研究行走或受外力干扰时，通过动态平衡控制使行走更趋于稳定，并增强站立时的稳定性。二足机器人站立高为320mm，宽为230mm，重量约为1.5kg，如何选型？拓展提升4.2

常见传感器介绍4.2.1光电式传感器4.2.2电容式传感器4.2.3磁性传感器4.2.4光纤传感器4.2.1光电式传感器1．模拟式光电传感器这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量变化而连续变化，因此输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式，如图4-9所示。图4-9模拟式光电传感器的常见形式a)被测量是光源b)被测量吸收光通量c)被测量是有反射能力的表面d)被测量遮蔽光通量1—被测物2—光电元件3—恒光源4.2.1光电式传感器1．脉冲式光电传感器在脉冲式光电传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，如图4-10所示，多用于光电计数、光电式转速测量、模拟开关和位置开关等场合。图4-10脉冲式光电传感器的工作原理4.2.2电容式传感器以电容器作为敏感元件，将被测量的变化转换为电容量的传感器称为电容式传感器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：δεdAA——极板相对覆盖面；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数；ε0＝8.854×10-12(F/m)ε——电容极板间介质的介电常数。ε=ε0εr

4.2.3磁性传感器压磁式传感器：具有输出功率大、抗干扰能力强，精度高，线性好、寿命长，维护方便，运行条件要求低（能在有灰尘、水和腐蚀性气体的环境中长期运行）等优点。很适合在重工业、化学工业部门运用，且已成功地运用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门，特别是在各种自动化系统中用来测量轧钢机的轧制力、钢带的张力，吊车提物的自动称重，配料斗的称重，金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等各方面。磁电式传感器：多用于测量速度、加速度、位移、振动、扭矩等参数。将被测的参数变换为感应电动势的变换器称为磁电式传感器或感应传感器。磁性传感器在工业应用中适用于气动、液动、气缸和活塞泵的位置测定，即作为限位开关使用，当磁性目标接近时，舌簧闭合经放大输出开关信号，其检测的距离随检测体磁场的强弱变化而变化。4.2.4光纤传感器光纤传感器是将被测信号的状态以光学的形式输出。光纤传感器可应用于传统传感器所不适用的远距离测量。其具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、体积小、质量轻等优点，可广泛应用于位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量的测量。图4-11光纤传感器外形4.2.4光纤传感器图4-12光纤传感器基本结构光纤传感器一般分为两大类：传光型：即非功能型光纤传感器，多数使用多模光纤，用来传输更多的光量。传感型：即功能型光纤传感器，利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。4.2.4光纤传感器拓展提升1.光纤传感器的连接方式（1）三线制传感器的连线方式

图4-14是三线制传感器的连线示意图，棕色线连接电源24V，蓝色线接地，黑色线连接PLC输入点。

图4-14三线制传感器的连线方式4.2.4光纤传感器（2）二线制传感器的接线方式

图4-15是二线制传感器的连线示意图，棕色线连接PLC输入点，蓝色线接地。

图4-15二线制传感器的连线方式4.2.4光纤传感器2.光纤传感器的调节方式一套对射光纤传感器由一对对射光纤头和一个光纤放大器组成。光纤传感器以光纤头型号为T610-TZ90°，对应放大器型号为BF4R为例。（1）光纤头安装

图4-16中1、2所示为一套90°对射光纤头的安装。

图4-16光纤头安装4.2.4光纤传感器（2）放大器安装

放大器安装如图4-17所示，步骤如下：放大器单元头部扣住DIN轨道。按住放大器的背面向DIN导轨方向压。拆卸时将放大器从尾部向③的方向推。放大器沿④的方向抬起。图4-17放大器安装4.2.4光纤传感器（3）光纤头与放大器连接

光纤头与放大器连接如图4-18所示。将放大器的保护盖拔开，沿①方向松开光纤锁扣(解锁)。将光纤线沿②方向插入放大器,使放大器和光纤线紧密结合(插入深度为10mm)。沿③方向扣紧光纤锁扣(锁定)。图4-18光纤头与放大器连接4.2.4光纤传感器（4）放大器供电

光纤放大器共有4根线，分别为棕色、黑色、白色和蓝色。其中棕色连接电源正极（DC12~24V），蓝色连接负极，黑色连接PLC的输入端，白色不需要连接。图4-19放大器供电接线4.2.4光纤传感器（5）灵敏度调节

放大器的面板说明，如图4-20所示。图4-20放大器面板①为放大器上电。②选择模式开关设置，把模式选择开关打到SET。③确保一对对射光纤头之间无检测目标或阻挡，按下“ON”键。④检查ON状态稳定工作STAB指示灯(绿色)闪烁。⑤当对射光纤头之间有检测目标时，按下“OFF”键。温馨提示：将选择开关置于[LOCK]锁定模式，防止有意或无意触动设定按钮，造成已设定的灵敏度发生改变。4.3项目训练4.3.1传感器种类介绍4.3.2传感器部署4.3.3传感器的安装4.3.1传感器种类介绍为了实现工业生产的自动化运行和智能化管理，工业生产流程的各环节中设备之间的协作运行，以及货物的精细化管理都需要工业互联网技术协助完成。货物在分拣后电机是否继续运行、包装盒是否送至码垛平台、产品是否被安放到仓库等操作必须精准把握。那么如何快速采集这么多货物的信息呢？通过人力来是肯定不行的，这时候就需要一套基于传感器的智能检测系统。图4-21是工业互联网实训教学平台，该平台可用于对开心果进行分拣、称重、包装及码垛。项目实施图4-21工业互联网教学实训平台4.3.1传感器种类介绍表4-1传感器种类介绍4.3.2传感器部署（1）送料工位传感器部署

具体如图4-22~图4-24所示。图4-22送料工位落料光纤安装图图4-23送料工位分拣气缸磁性开关安装图4.3.2传感器部署（1）送料工位传感器部署

具体如图4-22~图4-24所示。图4-24送料工位输送线光纤安装图表4-2送料工位传感器说明序号名称类型型号定义11号位落料检测光纤90°对射光纤头T610-TZ90°落料检测22号位落料检测光纤90°对射光纤头T610-TZ90°落料检测31号送料气缸伸出位磁性传感器CSM-H送料气缸伸出位检测42号送料气缸伸出位磁性传感器CSM-H送料气缸伸出位检测51号分拣气缸伸出位磁性传感器CSM-H分拣气缸伸出位检测62号分拣气缸伸出位磁性传感器CSM-H分拣气缸伸出位检测7原点检测光纤漫射式光纤头FD-620-10传送带原点检测4.3.2传感器部署（2）包装工位传感器部署

具体如图4-25~图4-28所示。图4-25料盒输送线传感器安装图图4-26称重模块传感器安装图4.3.2传感器部署（2）包装工位传感器部署

具体如图4-25~图4-28所示。图4-27运料输送模块传感器安装图图4-28料盒输送气缸缩回位传感器安装图4.3.2传感器部署（2）包装工位传感器部署

具体如图4-25~图4-28所示。表4-3包装工位传感器说明4.3.2传感器部署（3）仓储工位传感器部署

具体如图4-29和图4-30所示。图4-29分拣气缸磁性开关安装图图4-30分拣气缸磁性开关安装图4.3.2传感器部署（3）仓储工位传感器部署

具体如图4-29和图4-30所示。表4-4仓储工位传感器说明4.3.3传感器的安装（1）E3Z-D62光电传感器的安装E3Z-D62光电传感器的安装示意图如图4-31所示。

将E3Z-D62光电传感器通过螺丝固定在安装孔内。图4-31