常用传感器在工业自动控制系统中的应用

1.光电传感器

光电传感器又称为光电开关,一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。

光电传感器可以分为反射式光电传感器、对射式光电传感器和光纤式光电传感器3种,如图5-14所示。

光电传感器采用光电器件作为检测元件,利用被检测量对光束的遮挡或者反射,首先把被测量的变化转变为信号的变化,然后借助光电器件进一步将光信号转换成电信号,从而检测检测量的有无。光电传感器已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外,利用红外线的隐蔽性,还可在银行、仓库、商店、办公室以及其他需要的场合作为防盗警戒之用。

图5-14 光电传感器

a)反射式 b)对射式 c)光纤式

友情提示

光电传感器具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积小。

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光电传感器应用五例

(1)光电式烟尘监测仪

防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染,首先要知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少,因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

(2)条码扫描笔

当扫描笔头在条码上移动时,若遇到黑色线条,发光二极管的光线将被黑线吸收,光敏晶体管接收不到反射光,呈高阻抗,处于截止状态。当遇到白色间隔时,发光二极管所发出的光线,被反射到光敏晶体管的基极,光敏晶体管产生光电流而导通。整个条码被扫描过之后,光敏晶体管将条码转换成一个个电脉冲信号,该信号经放大、整形后便形成脉冲列,再经计算机处理,完成对条码信息的识别。

(3)产品计数器

产品在传送带上运行时,不断地遮挡光源到光电传感器的光路,使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次,光电传感器电路便产生一个脉冲信号,因此,输出的脉冲数即代表产品的数目,该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。

(4)光电式烟雾报警器

没有烟雾时,发光二极管发出的光线直线传播,光敏晶体管没有接收信号。没有输出,有烟雾时,发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射,使光敏晶体管接受到光线,有信号输出,发出警报。

(5)测量转速

在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色,转动时,反射光与不反射光交替出现,光电传感器相应地间断接收光的反射信号,并输出间断的电信号,再经放大器及整形电路放大整形输出方波信号,最后由电子数字显示器输出电动机的转速。

2.接近式传感器

接近传感器又称无触点接近传感器,是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近传感器的感应区域,开关就能无接触、无压力、无火花、迅速发出电气指令,准确反映出运动机构的位置和行程,即使用于一般的行程控制,其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力,是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。

常用的接近式传感器有电感式和电容式两种。此外,超声波和漫射式接近传感器的应用也比较广泛,常用接近式传感器如图5-15所示。

图5-15 常用接近式传感器

a)电感式 b)电容式 c)超声波式 d)漫射式

电感式接近传感器可以很容易并有效地检测出任何金属类型的物体,但相应的传感距离要近一些。

如果使用电容式接近传感器,那么被检测物体的体积不能太小,要满足传感器最小检测物体体积的要求。

超声波和漫射式接近传感器可以检测的材料范围也很广,而且检测距离比较长。但是,在检测表面不平整的物体时可能会出现问题。

友情提示

对于不同的材质的检测体和不同的检测距离,应选用不同类型的接近传感器,以使其在系统中具有高的性价比,在选型中应遵循以下原则:

1)当检测体为金属材料时,应选用高频振荡型接近传感器,该类型接近传感器对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体,其检测灵敏度就低。

2)当检测体为非金属材料时,如木材、纸张、塑料、玻璃和水等,应选用电容型接近传感器。

3)金属体和非金属要进行远距离检测和控制时,应选用光电型接近传感器或超声波型接近传感器。

4)对于检测体为金属时,若检测灵敏度要求不高时,可选用价格低廉的磁性接近传感器或霍尔式接近传感器。

应用技巧

接近传感器的技术指标检测要领(见表5-5)

表5-5 接近传感器的技术指标检测

(续)

3.磁感应传感器

磁感应传感器是一种能将磁信号转换成为电信号的器件或装置,它利用磁学量与其他物理量的关系,以磁场为媒介,可以将其他非电物理量转换为电信号。磁感应传感器的常见形式如图5-16所示。

图5-16 磁感应传感器

磁感应传感器的主要构成材料是干簧管。干簧管是一种磁敏的特殊开关。它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点,封装在充有惰性气体(如氮、氦等)或真空的玻璃管里,玻璃管内平行封装的簧片端部重叠,并留有一定间隙或相互接触以构成开关的动断或动合接点。

当永久磁铁靠近干簧管时,或由绕在干簧管上面的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时,簧片的触点就会感应出极性相反的磁极。由于磁极极性相反而相互吸引,当吸引的磁力超过簧片的抗力时,分开的触点便会吸合;当磁力减小到一定值时,在簧片抗力的作用下触点又恢复到初始状态。这样便完成了一个开关的作用,如图5-17所示。

图5-17 磁感应传感器原理示意图

磁感应传感器的种类很多,一般可分为物性型和结构型两种类型。物性型磁传感器,如霍尔器件、霍尔集成电路、磁敏二极管和晶体管、半导体磁敏电阻与传感器、强性金属磁敏器件与传感器等。

磁感应传感器可用于计数,限位等。

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磁感应传感器的典型应用

(1)转速检测

如图5-18所示为利用磁感应传感器检测转子运动速度的示意图。假设转子上有40个磁性齿,那么传感器每检测到40个输入信号就表示转子转了一圈。也就是说,只要统计在1min内,传感器检测到多少个信号,就可以推算出转子的转速。假设1min内,传感器检测到40000个信号;那么,转子的转速为40000/40=1000r/min。

图5-18 转速检测(www.xing528.com)

(2)位置控制装置

如图5-19所示,为了知道气缸活塞的两个绝对位置(最内端和最外端),就可以用两个磁感应传感器来检测。在气缸活塞环上,包有一层“永磁铁”。当活塞往外运动到最外端时,传感器A就发出信号(一般传感器上有指示灯);当活塞往内运动到最内端时,传感器B就发出信号。这样就可以检测气缸活塞的位置。

图5-19 位置控制检测

4.温度传感器

温度传感器是工业中使用较广泛的传感器之一,常用于对液体、气体、固体或热辐射进行温度测量。

典型的温度传感器类型有热电阻、热电偶、半导体、双金属片、压力、玻璃液体(如体温计)、光学(红外)、辐射、比色温度计等。其中,热电阻、热电偶、半导体、双金属片、压力、玻璃液体类型的温度传感器为接触被测物质的测量方法;光学、辐射、比色类型的温度传感器为非接触式温度传感器。

热电阻和热电偶温度传感器是工业上使用最多的温度传感器。

温度传感器因使用场合不同而千差万别,测量室温和空气温度的传感器可能就是在一个比导线还细的小金属珠(或小玻璃珠)上有两根引出线,而测量管道中的温度时,就必须要有防护外壳,以及便于拆卸维护的油杯等附件,所以有时很难根据外形来判断是否为温度传感器。

温度传感器能输出标准信号0～10mA、4～20mA,0～5V、1～5V。

温度变送器的主要参数为测量范围、输出信号类型、信号精度、线性度、二线制还是四线制、防护方式及防爆与否等。

温度传感器如图5-20所示。

图5-20 温度传感器

友情提示

选择温度传感器比选择其他类型的传感器所需要考虑的内容更多。首先,必须选择传感器的结构,使敏感元件的规定的测量时间之内达到所测流体或被测表面的温度。温度传感器的输出仅仅是敏感元件的温度。实际上,要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度,常常是很困难的。在大多数情况下,对温度传感器的选用,需考虑以下几个方面的问题:

1)被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制,是否需要远距离测量和传送。

2)测温范围的大小和精度要求。

3)测温元件大小是否适当。

4)在被测对象温度随时间变化的场合,测温元件的滞后能否适应测温要求。

5)被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。

6)价格如何,使用是否方便。

5.压力传感器

压力传感器是工业中使用较为广泛的传感器之一。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压力,但这种结构尺寸大、质量轻,不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展,半导体传感器向着微型化发展,而且其功耗小、可靠性高。

压力传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

压阻式压力传感器的结构如图5-21所示,它是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度)的测量和控制。

图5-21 压阻式压力传感器的结构

压力传感器具有以下特点:

1)传感器的量程和功能都得到了进一步扩展,能实现对基本参数和特殊参数的测量,满足不同场合的需要。

2)传感器的灵敏度和测量精度也同时得到了提高,对于微弱信号测量,各种信号的校正和补偿都可以实现,测量数据可以根据需要进行存储。

3)数据测量的稳定性和可能性得到提升,减小外界环境对压力传感器输出干扰,可以有选择性地进行测量。

4)能够实现自我诊断功能,对发生故障的部位能及时且准确地进行锁定,故障状态迅速识别,解决一些通过硬件不能实现的问题。

5)信号输出形式和接口选择更为多样,通信距离得到更大提。

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压力传感器的螺纹有很多种,常见的有NPT、PT、G、M,都是管螺纹。

1)NPT属于美国压力传感器标准的60°锥管螺纹,用于北美地区。

2)PT是55°密封圆锥管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族,多用于欧洲及英联邦国家。常用于水及煤气管行业,锥度规定为1∶16。

3)G是55°非螺纹密封管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族。标记为G代表圆柱螺纹。

4)M是米制普通螺纹,如M20表示直径为20mm。

另外,螺纹中的1/4、1/2、1/8标记是指螺纹尺寸的直径,单位是英寸(in,1in=2.54cm)。行内人通常用分来称呼螺纹尺寸,1in等于8分,1/4in就是2分,如此类推。

螺纹主要用来进行压力管道的连接,压力传感器管螺纹有直管与锥管两种。公称直径是指所连接的压力管道直径,显然螺纹大径比公称直径大。

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传感器主要有三种接线方式,分别为两线制、三线制和四线制。

(1)两线制接线

两根线既传输电源又传输信号,即传感器输出的负载和电源是串联在一起的。电源从外部引入,与负载串联在一起来驱动负载。两线制传感器的接线如图5-22所示。

图5-22 两线制接线

(2)三线制接线

三线制传感器就是电源正端和信号输出的正端分离,但它们共用一个COM端。三线制传感器的接线如图5-23所示。

图5-23 三线制接线

(3)四线制接线

四线制接线有电源线两根,信号线两根,电源和信号是分开工作的。四线制传感器的接线如图5-24所示。

图5-24 四线制接线