機械電子學第五章 常用檢測元件

1、第五章第五章 常用檢測元件常用檢測元件5.1 接近開關（無觸點行程開關）接近開關（無觸點行程開關） 接近開關是一種無需與運動部件進行機械接觸接近開關是一種無需與運動部件進行機械接觸而可以操作的位置開關，當物體接近開關的感應面而可以操作的位置開關，當物體接近開關的感應面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關動作，從而控制裝置提供信號?？墒归_關動作，從而控制裝置提供信號。 接近開關是種開關型傳感器（即無無觸點開接近開關是種開關型傳感器（即無無觸點開關），它即有行程開關、微動開關的特性，同時具關），它即有行程開關、微動開關的特性，同時具有傳感

2、性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應快，有傳感性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應快，應用壽命長，抗干擾能力強等、并具有防水、防震、應用壽命長，抗干擾能力強等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點。耐腐蝕等特點。 一、接近開關性能特點一、接近開關性能特點v 當有物體移向接近開關，并接近到一定距離時，當有物體移向接近開關，并接近到一定距離時，位移傳感器才有位移傳感器才有“感知感知”，開關才會動作。通常把，開關才會動作。通常把這個距離叫這個距離叫“檢出距離檢出距離”。不同的接近開關檢出距。不同的接近開關檢出距離也不同。離也不同。v 有時被檢測驗物體是按一定的時間間隔，一個有時被檢測驗物體是按一定的時間間

3、隔，一個接一個地移向接近開關，又一個一個地離開，這樣接一個地移向接近開關，又一個一個地離開，這樣不斷地重復。不同的接近開關，對檢測對象的響應不斷地重復。不同的接近開關，對檢測對象的響應能力是不同的。這種響應特性被稱為能力是不同的。這種響應特性被稱為“響應頻率響應頻率”。二、接近開關的種類1 1、電感式接近開關、電感式接近開關 這種開關有時也叫渦流式接近開關。這種開關有時也叫渦流式接近開關。 電感式接近開關是由電感式接近開關是由LCLC振蕩器、開關電路振蕩器、開關電路及放大輸出電路三大部分組成。振蕩器產(chǎn)生一及放大輸出電路三大部分組成。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場。當外界的金屬性導電物體接近這個交變磁場

4、。當外界的金屬性導電物體接近這一磁場，并達到感應區(qū)時，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生一磁場，并達到感應區(qū)時，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩衰減，以致停振。振蕩器渦流，從而導致振蕩衰減，以致停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非成開關信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式之檢測目的。接觸式之檢測目的。 這種接近開關所能檢測的物體必須是導電這種接近開關所能檢測的物體必須是導電體。體。2 2、電容式接近開關、電容式接近開關- -實質(zhì)是介電常數(shù)變化實質(zhì)是介電常數(shù)變化 電容式傳感器的感應由兩個同軸金屬電極構(gòu)成，很象電容

5、式傳感器的感應由兩個同軸金屬電極構(gòu)成，很象“打開的打開的”電容器電極，該兩個電極構(gòu)成一個電容，串聯(lián)在電容器電極，該兩個電極構(gòu)成一個電容，串聯(lián)在RCRC振蕩回路內(nèi)。振蕩回路內(nèi)。 電源接通時，電源接通時，RCRC振蕩器不振蕩，當一個目振蕩器不振蕩，當一個目標朝著電容器的電極靠近時，電容器的容量增加，使振蕩器標朝著電容器的電極靠近時，電容器的容量增加，使振蕩器開始振蕩，通過后級電路的處理，將停振和振蕩兩種信號轉(zhuǎn)開始振蕩，通過后級電路的處理，將停振和振蕩兩種信號轉(zhuǎn)換成開關信號，從而起到了檢測有無物體存在的目的。該傳換成開關信號，從而起到了檢測有無物體存在的目的。該傳感器能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物

6、體，對金屬物體可感器能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物體，對金屬物體可以獲得最大的動作距離，對非金屬物體動作距離決定于材料以獲得最大的動作距離，對非金屬物體動作距離決定于材料的介電系數(shù)越大，可獲得的動作距離越大。的介電系數(shù)越大，可獲得的動作距離越大。 3 3、霍爾接近開關、霍爾接近開關 霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關，叫做霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關的開關，叫做霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關時，開關檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應而使時，開關檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應而使開關內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性開關內(nèi)部電路狀

7、態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關物體存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。的檢測對象必須是磁性物體。4、光電接近開關、光電接近開關v是光電傳感器的一種，是光電開關的簡稱。它是利是光電傳感器的一種，是光電開關的簡稱。它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，從而檢測物體有用被檢測物對光束的遮擋或反射，從而檢測物體有無的。無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測?？杀粰z測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或光

8、信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。多數(shù)光電開關選用的是有無對目標物體進行探測。多數(shù)光電開關選用的是波長接近可見光的紅外線光波型波長接近可見光的紅外線光波型。 光電開關分類光電開關分類1 1、漫反射式光電開關、漫反射式光電開關：它是一種集發(fā)射器和接收器：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，物體于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產(chǎn)生了開關信號。當被檢收器，于是光電開關就產(chǎn)生了開關信號。當被檢測物體的測物體的表面光亮或其反光率極高表

9、面光亮或其反光率極高時，漫反射式時，漫反射式的光電開關是首選的檢測模式。的光電開關是首選的檢測模式。 2 2、對射式光電開關對射式光電開關：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器，當被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器光線直接進入接收器，當被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產(chǎn)生了和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產(chǎn)生了開關信號。開關信號。當檢測物體為不透明時，對射式光電當檢測物體為不透明時，對射式光電開關是最可靠的檢測裝置。開關是最可靠的檢測裝置。 5 5、熱釋電式接近

10、開關、熱釋電式接近開關 用能感知溫度變化用能感知溫度變化的元件做成的開關叫熱的元件做成的開關叫熱釋電式接近開關。這種釋電式接近開關。這種開關是將熱釋電器件安開關是將熱釋電器件安裝在開關的檢測面上，裝在開關的檢測面上，當有與環(huán)境溫度不同的當有與環(huán)境溫度不同的物體接近時，熱釋電器物體接近時，熱釋電器件的輸出便變化，由此件的輸出便變化，由此便可檢測出有物體接近。便可檢測出有物體接近。v6 6、其它型式的接近開關、其它型式的接近開關v當觀察者或系統(tǒng)對波源當觀察者或系統(tǒng)對波源的距離發(fā)生改變時，接近到的距離發(fā)生改變時，接近到的波的頻率會發(fā)生偏移，這的波的頻率會發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。聲種現(xiàn)象稱為

11、多普勒效應。聲納和雷達就是利用這個效應納和雷達就是利用這個效應的原理制成的。利用多普勒的原理制成的。利用多普勒效應可制成超聲波接近開關、效應可制成超聲波接近開關、微波接近開關等。當有物體微波接近開關等。當有物體移近時，接近開關接收到的移近時，接近開關接收到的反射信號會產(chǎn)生多普勒頻移，反射信號會產(chǎn)生多普勒頻移，由此可以識別出有無物體接由此可以識別出有無物體接近。近。三、接近開關的選用三、接近開關的選用v 在一般的工業(yè)生產(chǎn)場所，通常都選用渦流式接近開關和電在一般的工業(yè)生產(chǎn)場所，通常都選用渦流式接近開關和電容式接近開關。因為這兩種接近開關對環(huán)境的要求條件較低。當容式接近開關。因為這兩種接近開關對環(huán)境

12、的要求條件較低。當被測對象是導電物體或可以固定在一塊金屬物上的物體時，一般被測對象是導電物體或可以固定在一塊金屬物上的物體時，一般都選用都選用電感式接近開關電感式接近開關，因為它的響應頻率高、抗環(huán)境干擾性能，因為它的響應頻率高、抗環(huán)境干擾性能好、應用范圍廣、價格較低。若所測對象是非金屬（或金屬）、好、應用范圍廣、價格較低。若所測對象是非金屬（或金屬）、液位高度、粉狀物高度、塑料、煙草等。則應選用液位高度、粉狀物高度、塑料、煙草等。則應選用電容式接近開電容式接近開關關。這種開關的響應頻率低，但穩(wěn)定性好。若被測物為導磁材料。這種開關的響應頻率低，但穩(wěn)定性好。若被測物為導磁材料或者為了區(qū)別和它在一同

13、運動的物體而把磁鋼埋在被測物體內(nèi)時，或者為了區(qū)別和它在一同運動的物體而把磁鋼埋在被測物體內(nèi)時，應選用應選用霍爾接近開關霍爾接近開關，它的價格最低。，它的價格最低。v在環(huán)境條件比較好、無粉塵污染的場合，可采用在環(huán)境條件比較好、無粉塵污染的場合，可采用光電接近開光電接近開關關。光電接近開關工作時對被測對象幾乎無任何影。因此，在要。光電接近開關工作時對被測對象幾乎無任何影。因此，在要求較高的傳真機上，在煙草機械上都被廣泛地使用。求較高的傳真機上，在煙草機械上都被廣泛地使用。v在防盜系統(tǒng)中，自動門通常使用在防盜系統(tǒng)中，自動門通常使用熱釋電接近開關、超聲波接熱釋電接近開關、超聲波接近開關、微波接近開關近

14、開關、微波接近開關。有時為了提高識別的可靠性，上述幾種。有時為了提高識別的可靠性，上述幾種接近開關往往被復合使用。接近開關往往被復合使用。v無論選用哪種接近開關，都應注意對工作電壓、負載電流、無論選用哪種接近開關，都應注意對工作電壓、負載電流、響應頻率、檢測距離等各項指標的要求。響應頻率、檢測距離等各項指標的要求。v 選用的接近開關與三菱選用的接近開關與三菱PLC連接時，請選擇連接時，請選擇NPN型型。1、檢驗距離、檢驗距離 檢測電梯、升降設備的停止、起動、通過位置；檢測車輛檢測電梯、升降設備的停止、起動、通過位置；檢測車輛的位置，防止兩物體相撞檢測；檢測工作機械的設定位置，移的位置，防止兩物

15、體相撞檢測；檢測工作機械的設定位置，移動機器或部件的極限位置；檢測回轉(zhuǎn)體的停止位置，閥門的開動機器或部件的極限位置；檢測回轉(zhuǎn)體的停止位置，閥門的開或關位置；檢測氣缸或液壓缸內(nèi)的活塞移動位置?；蜿P位置；檢測氣缸或液壓缸內(nèi)的活塞移動位置。 2、尺寸控制、尺寸控制 金屬板沖剪的尺寸控制裝置；自動選擇、鑒別金屬件長度；金屬板沖剪的尺寸控制裝置；自動選擇、鑒別金屬件長度；檢測自動裝卸時堆物高度；檢測物品的長、寬、高和體積。檢測自動裝卸時堆物高度；檢測物品的長、寬、高和體積。 3、檢測物體存在、檢測物體存在4、產(chǎn)品計數(shù)、產(chǎn)品計數(shù)5、檢測異常、檢測異常 檢測瓶蓋有無；產(chǎn)品合格與不合格判斷；檢測包裝盒內(nèi)的檢測

16、瓶蓋有無；產(chǎn)品合格與不合格判斷；檢測包裝盒內(nèi)的金屬制品缺乏與否；區(qū)分金屬與非金屬零件；產(chǎn)品有無標牌檢金屬制品缺乏與否；區(qū)分金屬與非金屬零件；產(chǎn)品有無標牌檢測；起重機危險區(qū)報警；安全扶梯自動啟停。測；起重機危險區(qū)報警；安全扶梯自動啟停。四、接近開關的主要功能一一.增量式編碼器工作原理增量式編碼器工作原理5.2 光電編碼器光電編碼器 分度柵與主柵（主碼盤）平行，并刻有分度柵與主柵（主碼盤）平行，并刻有a、b、z三組透三組透明檢測窄縫，明檢測窄縫，a、b彼此錯開彼此錯開1/4節(jié)距，以使節(jié)距，以使a、b兩個光電變兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差換器的輸出信號在相位上相差90。工作時，分度柵靜止。工

17、作時，分度柵靜止不動，主柵與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主柵與分不動，主柵與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主柵與分度柵上，感光元件接收到的光會時大時小，從而產(chǎn)生近似的度柵上，感光元件接收到的光會時大時小，從而產(chǎn)生近似的正弦信號，經(jīng)放大、整形電路變換后輸出方波信號。正弦信號，經(jīng)放大、整形電路變換后輸出方波信號。由于由于A、B兩相相差兩相相差90度，可通過比較度，可通過比較A相在前還是相在前還是B相在前，以判相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。每轉(zhuǎn)輸出一個別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖，以代表零相脈沖，以代表零位參考位。通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。位參考位。通過零位脈沖

18、，可獲得編碼器的零位參考位。 ZSP 3004-001E-200B/5-24C二、二、PLCPLC與編碼器接線與編碼器接線三、三、PLCPLC、變頻器與編碼器接線、變頻器與編碼器接線四、編碼器選擇問題四、編碼器選擇問題1、對三菱PLC選擇NPN型集電極輸出2、適應PLC接收的最高脈沖頻率例：電機最高轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)/分 ，編碼器分辨率是500p/r。本系統(tǒng)脈沖最高頻率25轉(zhuǎn)/秒500個/轉(zhuǎn)2（A/B兩相）25KHz三菱三菱FX2N的的PLC計數(shù)器最高脈沖響應頻率計數(shù)器最高脈沖響應頻率C235、C236、C246（單相）（單相）60kHzC251（雙相）（雙相）30kHz五、高速計數(shù)器（五、高速

19、計數(shù)器（HSCHSC）3.2 PLC3.2 PLC的編程元件的編程元件工作原理：高速計數(shù)器的工作建立在中斷的基礎上，即計工作原理：高速計數(shù)器的工作建立在中斷的基礎上，即計數(shù)事件的觸發(fā)與數(shù)事件的觸發(fā)與PLCPLC的掃描時間無關。高速計數(shù)器與內(nèi)部計的掃描時間無關。高速計數(shù)器與內(nèi)部計數(shù)器相比除允許的計數(shù)頻率大大提高外（一般為幾數(shù)器相比除允許的計數(shù)頻率大大提高外（一般為幾KHzKHz幾幾十十KHzKHz，具體可參考實際型號），應用也更為靈活。，具體可參考實際型號），應用也更為靈活。類型：類型：一相高速計數(shù)器一相高速計數(shù)器兩相雙向計數(shù)器兩相雙向計數(shù)器A-BA-B相型雙計數(shù)輸入高速計數(shù)器相型雙計數(shù)輸入高速

20、計數(shù)器3.2 PLC3.2 PLC的編程元件的編程元件說明：說明：l高速計數(shù)器（高速計數(shù)器（C235C235C255C255）共用）共用PLCPLC的的8 8個高速計數(shù)器輸入個高速計數(shù)器輸入端端X0X0X7X7，某一輸入端同時只能供一個高速計數(shù)器使用。，某一輸入端同時只能供一個高速計數(shù)器使用。這這2121個計數(shù)器均為個計數(shù)器均為3232位加減計數(shù)器。不同類型的高速計位加減計數(shù)器。不同類型的高速計數(shù)器可以同時使用，但是它們的高速計數(shù)器輸入端不能沖數(shù)器可以同時使用，但是它們的高速計數(shù)器輸入端不能沖突。突。l在對外部高速脈沖計數(shù)時，梯形圖中高速計數(shù)器的線圈應在對外部高速脈沖計數(shù)時，梯形圖中高速計數(shù)器

21、的線圈應一直通電，以表示與它有關的輸入點已被占用，其他高速一直通電，以表示與它有關的輸入點已被占用，其他高速計數(shù)器的處理不能與其發(fā)生沖突。計數(shù)器的處理不能與其發(fā)生沖突。l高速計數(shù)器均有斷電保持功能，通過參數(shù)設定還可變成非高速計數(shù)器均有斷電保持功能，通過參數(shù)設定還可變成非斷電保持。斷電保持。l可以用運行時一直為可以用運行時一直為ONON的的M8000M8000的常開觸點來驅(qū)動高速計的常開觸點來驅(qū)動高速計數(shù)器的線圈。數(shù)器的線圈。FX2NFX2N高速計數(shù)器（高速計數(shù)器（HSCHSC）表）表a 單相單輸入b 單相雙輸入c 雙相雙輸入六、六、PLC、變頻器與編碼器控制實例、變頻器與編碼器控制實例控制要求

22、：編碼器采用控制要求：編碼器采用a、b雙相計數(shù)，撥動開關，三雙相計數(shù)，撥動開關，三相異步電機高速運行相異步電機高速運行5圈后低速運行圈后低速運行3圈，以后重復以圈，以后重復以上過程。已知：編碼器分辨率是上過程。已知：編碼器分辨率是200p/r?？刂瞥绦騰七七.絕對式編碼器原理絕對式編碼器原理v 絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應代碼的檢測元件。編的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。v 光電式碼盤是目前應用較多的一種，它是在透光電式碼盤是目前應用較多的一種，

23、它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。如圖明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。如圖所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進制的數(shù)字碼道，在同一個碼道上印代表一位二進制的數(shù)字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼制黑白等間隔圖案，形成一套編碼 v 黑色不透光區(qū)和白黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二色透光區(qū)分別代表二進制的進制的“0”和和“1”。在一個四位光電碼盤在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在位，外側(cè)是

24、低位，在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為數(shù)為24=16個。個。1100001101010110011101001010100110001011111100010010000011101101v 工作時，碼盤的一工作時，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，放置光電接受裝置，每個碼道都對應有一每個碼道都對應有一個光電管及放大、整個光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相受光信號，并轉(zhuǎn)成相應的電信號，經(jīng)放大應的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應數(shù)整形后，成為相應數(shù)碼電信號。碼電信號。 11000011010101100111010010101001100010111111000100100000111011014