教学材料《自动检测》-第八章

第8章自动检测与转换技术的综合应用

在实际应用中，往往不是单独地使用一种传感器，而是需要各种不同类型的传感器共同作用于一个系统。在我们常用的家用电器中，如洗衣机、冰箱、空调、微波炉、电饭煲等，大多都配备厂多个不同类型的传感器，并与微机控制电路以及机械传动部件组成一个自动检测控制系统，来达到某一设定的要求；再比如在一部小型汽车系统中，用于测量行进速度、距离、发动机转速、燃料余量、润沿油温度、水温等信号的传感器就有几十个；还有，在一个现代化的大型设备或工厂的自动控制系统中，往往需要数百个不同的传感器检测不同的信号，并将这些信号转换成电量送给自动控制系统，以便完成复杂的控制要求。本章主要介绍传感器的选择原则以及传感技术在不同检测控制系统中的综合应用。返回8.1传感器的选用

由于传感器精度的高低、性能的好坏直接影响到检测的结果，影响到自动检测系统的品质和整个系统的运行状态，因此，选择合适的传感器是一个很重要环节。8.1.1传感器的选择要求传感器的选择要求是全面的、严格的，是选用传感器的依据。具体要求主要有以下几点：1)技术指标要求。主要包括静态特性要求、动态特性要求、信息传递要求和过载能力要求。下一页返回8.1传感器的选用2）使用环境要求如温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附近有无大功率用电设备、加速度、防火、防爆、防化学腐蚀及有害于周围材料的寿命及操作人员的身体健康等。3）电源的要求如电源电压的形式、等级、功率、波动范围、频率及高频干扰等。4）基本安全要求如绝缘电阻、耐压等级及接地保护等。上一页下一页返回8.1传感器的选用5）可靠性要求如抗干扰、使用寿命、无故障工作时间等。6）维修及管理要求如结构简单、模块化、有自诊断能力、有故障显示等。上述要求又可分为两大类：一类是共同的要求，如线性度及测量范围、精确度、工作温度等；另一类是特殊要求，如过载能力、放火及防化学腐蚀要求等。上一页下一页返回8.1传感器的选用8.1.2传感器选择的一般步骤选择传感器总的原则是：在满足对传感器所有要求的情况下，力求成本低、工作可靠且便于维修的原则，即性能价格比要高的原则。一般可按下列步骤进行：1．借助于传感器分类表。即按被测量的性质，从典型应用中可以初步确定几种可供选用的传感器的类别。2．借助于常用传感器比较表。即按测量的范围、测量精度及环境要求等进一步确定传感器的类别。3．借助于传感器的产品目录。根据所选的传感器的类别，借助产品目录，选出传感器的规格、型号、性能和尺寸。上一页下一页返回8.1传感器的选用8.1.3传感器的选择方法传感器的种类有很多，一旦选不好，就会带来很严重的后果。一般情况下，考虑到了以下几点，就可以选择到合适传感器了。1．测量对象与测量环境确定传感器类型要进行一个具体测量工作，首先要考虑采用何种原理传感器，这需要分析多方面因索之后才能确定。就是测量同一物理量，也有多种原理传感器可供选用，哪一种原理传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器使用条件考虑。上一页下一页返回8.1传感器的选用2．灵敏度选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。灵敏度高时，与被测量变化相对应的输出信号值才比较大，有利于信号处理。但要注意是，传感器灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。3．频率响应特性传感器频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器频率响应高，可测信号的频率范围就宽。传感器频率响应低，可测信号频率范围较窄。上一页下一页返回8.1传感器的选用4．线性范围传感器线性范围是指输出与输入成正比范围。以理论上讲，此范围内，灵敏度保持定值。传感器线性范围越宽，则其量程越大，能保证一定测量精度。选择传感器时，当传感器种类确定以后，首先要看其量程是否满足要求。5．稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，还有传感器的使用环境。要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。上一页下一页返回8.1传感器的选用6．精度精度是传感器一个重要性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器精度越高，其价格越昂贵，只要传感器精度满足整个测量系统精度要求就可以，不必选择过高精度的。这样就可以从满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。测量目的是定性分析，只要选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高；测量目的是定量分析，必须获精确测量值，就需选用精度等级能满足要求传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适传感器的，则需自行设计制造传感器，但自制传感器的性能应满足使用要求。上一页返回8.2传感技术在家用电器中的应用

随着家用电器的发展和普及，家用电器的电子控制器件已经发展到集成电路和大规模集成电路，微机的应用越来越广泛，因此对传感器的需求量越来越大。8.2.1模糊洗衣机的模糊推理如图8-1所示是模糊控制洗衣机的模糊推理示意图。所谓模糊控制系统是模拟人类智能的一种控制系统，它将人的经验、知识和判断力作为控制原则，根据各种复杂因素与条件作出逻辑推理去影响控制对象。下一页返回8.2传感技术在家用电器中的应用8.2.2模糊洗衣机的洗涤过程及传感器在此过程中的作用如图8-2所示是模糊洗衣机的结构示意图，传感器在洗涤过程的应用简单介绍如下。1．衣物的重量与布料质地的判断在洗涤之前，先注入一定的水，然后启动电动机，使衣物与洗涤桶一起旋转，然后断电，让电动机依靠惯性继续运转直到停止。由于不同的布量和布质所产生的“阻抗”大小、性质都不同，所以导致电动机启动和停转的过程、时间也不相同。微处理器根据预先输入的经验公式来判断出布量和布质，从而决定搅拌方式和洗涤时间。上一页下一页返回8.2传感技术在家用电器中的应用2．水位判断不同的布量需要不同的水位高度，水位传感器采用压力原理，水位越高，对水位传感器中膜盒的压力就越大，微处理器根据其输出判断水位是否达到预设值。3．水温的判断洗涤过程中，提高水温可以提高洗涤效果，减少洗涤时间。水温可由半导体集成温度传感器来检测，由微处理器根据不同的布料质地决定洗涤水温的高低。4．水浑浊度的测定洗涤过程中，浑浊度的检测采用红外光电管来实现，他们安装在排水阀的上方。上一页下一页返回8.2传感技术在家用电器中的应用

随着洗涤的开始，衣物中的污物溶解于水，使透光度下降。洗涤液加入后，透明度更进一步下降。当透明度恒定时，则认为衣物的污物已基本溶解于水，洗涤程序可以结束，打开排水阀，脱水缸高速运转。由于排水口在脱水时混杂着大量的紊流气泡，使光线散射，当光的透过率为恒定值时，则脱水过程完毕，然后再加清水漂洗，直至水质变清、无泡沫、透明度达到设定值时，认为衣物已经漂洗干净，经脱水程序后整个洗涤过程结束。上一页返回8.3传感技术在数控机床中的应用

数控机床是机电一体化的典型产品，是多学科的综合性组合，技术范围覆盖了机械制造、自动控制、伺服驭动、传感器及信息处理等领域，具有高精度、高效率、高柔性的特点。以数控机床为核心的先进制造技术已经成为加速经济发展、提高综合国力的重要途径。而传感器在数控机床中占据重要地位，它监视和测量着数控机床的每一步工作过程。以数控车床为例来介绍传感器在数控机床中的应用，如图8-3为数控车床的内部结构简图。下一页返回8.3传感技术在数控机床中的应用8.3.1位置检测装置在数控车床进给控制中的应用以传感器为中心的位置检测装置，在保证数控机床高精度方面起了很重要的作用。数控机床很重要的一个指标就是进给运动的位置定位误差和重复定位误差，要提高位置控制精度就必须采用高精度的位置检测装置。

表8-2为高精度接触式位置传感器技术参数，主要安装在数控机床上，如加工中心机、铣床、唐铣床、钻床等等、能够做钻头、铣刀、盘铣刀等，用于刀刃精密位置检测及磨损检查等。上一页下一页返回8.3传感技术在数控机床中的应用

数控车床的传动链简图如图8-4所示。拖板的横向运动为Z

轴，由Z

轴进给伺服电动机通过Z

轴滚珠丝杠来实现。伺服电动机端部配有光电编码器，用于角位移测量和数字测速，角位移通过丝杠螺距能间接反映拖板或刀架的直线位移。以Z

轴为例，该轴的伺服控制框图如图8-5所示。由此可见，光电编码器的分辨力决定了工作台实际位移值的精度，从而影响到数控机床位置控制的精度。数控机床中的角编码器多采用光电编码器。上一页下一页返回8.3传感技术在数控机床中的应用8.3.2接近开关在数控车床刀架选刀控制中的应用在图8-3中，回转刀架根据数控系统发出的刀位指令控制刀架回转，将选定的刀具定位在加工位置。刀架在回转过程中，每转过一个刀位，就发出一个信号，该信号与数控系统的刀位指令进行比较，当刀架的刀位信号与指令刀位信号相符时，表示选刀完成。选刀控制流程图如图8-6所示。刀架回转由刀架回转电机或回转油缸通过传动机构来实现，刀架回转时，与刀架同轴的感应凸轮也随之旋转。接近开关在回转刀架中的配置如图8-7所示。上一页下一页返回8.3传感技术在数控机床中的应用8.3.3传感器在数控车床自适应控制及保护中的应用数控机床的自适应控制是指在切削过程中，数控系统根据切削环境的变化适时进行补偿、监控及调整切削参数，使切削处于最佳状态，以满足数控机床的高精度和高效率的要求。1．温度补偿在切削过程中，主轴电动机和进给电动机的旋转会产生热量，移动部件的移动摩擦会产生热量，刀具切削工件会产生切削热等，这些热量在数控机床内进行传导，从而造成温度分布不均匀，产生温差，使数控机床产生热变形，影响加工精度。为了补偿热变形，可在数控机床的关键部位放置温度传感器，数控系统接收到这些热信息后进行运算、判断，并输出补偿控制信号。上一页下一页返回8.3传感技术在数控机床中的应用2．刀具的磨损监控刀具在切削工件的过程中，由于摩擦和热效应等作用会产生磨损，当刀具磨损到一定程度时，将影响加工工件的尺寸精度和表面的光洁度。因此，实现刀具磨损的自动监控是数控机床自适应控制的重要组成部分。对刀具磨损的自动监控有多种方式，功率检测是其中的方法之一。电流、电压信息可由电流、电压传感器来获得，也可以由体积更小的霍尔功率传感器来获得。随着刀具的磨损，机床主轴电机的负荷增大，电动机的电流、电压将发生变化，导致功率改变，利用这一变化规律可实现对刀具磨损的自动监控。上一页下一页返回8.3传感技术在数控机床中的应用3．数控机床的自动保护主要有以下几方面的保护：1）过热保护。数控机床中的过热保护主要是监视一些轴温、压力油温、润滑油温、冷却空气温度、各电机绕组温度等。2）工件夹紧保护。数控机床加工前，自动将毛坯送到主轴卡盘中并自动夹紧，夹紧力由压力传感器检测，当夹紧力小于设定值时，控制系统会发出报警信号，并停止走刀。3）辅助系统状态检测。在润滑、液压、气动等系统中，均安装有压力传感器、液位传感器、流量传感器等，以实现实时监控。上一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用

智能楼宇具有五大主要特征：楼宇自动化（BA）、防火自动化（FA）、通信自动化(CA）、办公自动化（OA）和信息管理自动化（MA）。人们对智能楼宇的要求主要包括以下几个方面：1）高度安全性的要求，主要包括防火、防盗、防爆、防泄露等；2）舒适的物质环境和物理环境；3）先进的通信设施和完备的信息处理终端设备；4）电器与设备的自动化及智能化控制。下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用8.4.1传感器在空调监控系统中的应用空调系统监控的目的是：提供温湿度适宜的环境，并节约能源。监控的范围为制冷机、热力站、空气处理设备、送气排气系统等，其原理框图如图8-11所示。现代空调系统均具有完整的制冷、制热、通风功能，并在传感器与计算机的监控下工作。在制冷机和热力站的进出口管道上，均安装温度、压力传感器，系统根据外界气温的变化来控制制冷机和热力站的工作；在新风口和回风口处，安装差压传感器，当过滤网堵塞，差压传感器工作，给系统发出报警信号；上一页下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用

在送风管道上，安装空气流量传感器，当空气流量传感器在空气处理设备开动后仍未测得风量时，将给系统发出报警信号；在回风管道上，安装湿度传感器，当回风湿度低于设定值时，系统将开启加湿装置；同时，在各个房间内安装二氧化碳和一氧化碳传感器，当房间内的空气质量趋向恶劣时，系统将向智能楼宇的计算机中心发出报警信号，以防事故发生；在各个房间内还安装热释电人体检测传感器，当该房间内长时间没有人的活动迹象时，系统将自动关闭空调器。当然，也可以自动设定空调系统的开关时间，并可以人为的改变设定。上一页下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用8.4.2传感器在给排水系统中的应用给排水系统的监控和管理是由现场监控站和管理中心来实现的，其目的是实现管网的合理调度，也就是说，无论用户水量怎样变化，管网中各个水泵都能及时改变其运行方式，保持适当的水压，实现泵房的最佳运行。监控系统还实时监视大楼的排水系统，并自动排水，当系统出现异常情况或需要维护时，系统将产生报警信号，及时通知管理人员处理。给排水系统的监控主要包括：水泵的自动启停控制，水位、流量、压力的测量与调节，用水量与排水量的测量，污水处理设备运转的监视、控制及水质检测，故障及异常情况记录等。给排水系统的监控原理框图如图8-12。上一页下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用8.4.3传感器在防火、防盗及门禁系统中的应用1．防火监控、控制系统火情、火灾报警传感器主要有感烟传感器、感温传感器以及紫外线火焰传感器。在重点地区必须设置多种传感器，以便对现场火情加以监测，防止误报警，同时将现场数据经控制网络向控制系统汇总，系统获得火情后会采取必要的措施，经通信网络向有关职能部门报告火情，并对楼宇内的防火卷帘门、电梯、灭火器、喷水头、消防水泵、电动门等联动设备下达启动或关闭的命令，以使火灾得到及时控制，启动公共广播系统，引导人员迅速疏散。上一页下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用2．门禁、防盗系统出入口控制系统又叫门禁管理系统，是对楼宇内外的出入通道进行管理的系统，属公共安全管理系统的范畴。通常在楼宇内的主要管理区、出入口、电梯厅、主要设备控制中心机房、贵重物品的库房等重要部位的通道口安装门禁控制装置，由中心控制室监控。各门禁控制单元一般由门禁读卡模块、智能卡读卡器、指纹识别器、控制锁或电动闸门、开门按钮等系统部件组成。人员通过受控制的门或通道时，必须在门禁读卡器前出示代表合法身份的授权卡和密码后方可通行。上一页下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用8.4.4传感器在停车、监控系统中的应用在智能楼宇内都配有地下车库，停车、监控系统，主要管理车辆进出、指示停车位置、禁止无关人员闯入，甚至自动登记车牌号码。如图8-13为停车监控系统框图。8.4.5传感器在电梯运行、管理系统中的应用电梯是智能楼宇的重要设备，其使用对象是人，因此电梯的运行安全非常重要。而在电梯的运行管理中，传感器起到十分重要的作用，下面简单介绍传感器在电梯中的应用。

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在电梯中，有很多检测装置用于电梯控制，如电梯的平层控制、选层控制、开关门系统控制等。下面就传感器在电梯门入口处的安全保护和选层控制中的应用作简单的介绍。1．电梯入口的安全保护

1）光电保护装置。光电保护装置是在轿门边上安装两道水平光电装置，选用对射式红外光电开关对整个开门宽度进行检测，在轿门关闭的过程中，只要遮断任一道光路，轿门都会重新开启，待乘客进入或离开轿厢后才继续完成轿门关闭动作，如图8-15所示。上一页下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用

2）超声波保护装置。超声波保护装置一般安装在轿门的上方，如图8-16所示。在关门过程中，当检测到门前有乘客想进入轿厢时，则轿门会重新打开，待乘客进入后再关闭轿门。

3）防夹条。当发生乘客的手或脚还未完全进入轿厢，光电、超声波传感器末起作用时，手或脚就有被轿门夹住的危险，这时必须立即重新扫开轿门。为此，在两扇轿门的边沿各安装厂一根防夹条。防夹条内部有两根距离很近的金属条，其长度与轿门相等，外面用柔软的橡胶包裹。当乘客被夹时，两根金属条发生短路，向电梯的控制系统发出报警信号，轿门和层门立即微开一段距离，待报警消除后再重新关闭。上一页下一页返回8.4传感技术在智能楼宇中的应用2．选层的控制乘客进入轿箱后，就要在控制面板上键入所要到达楼层的数字，控制电梯的电脑必须知道电