1、自動生產線中的傳感器一、傳感器的概念與分類根據國家標準傳感器通用術語（GB/T7665-2005）,傳感器的定義為：能感受被 測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件 組成”。傳感器的敏感元件用來直接感受被測量，并輸出與被測量成某一關系的物理量的元 件，其轉換元件則把敏感元件的輸出信號轉換為電信號，如電流、電壓。傳感器的組成 如圖1所示。圖1電量輸出的傳感器的基本組成傳感器常用的分類方法主要有如下幾種:1）按被測量性質分類，可分為位移、力、速度、溫度等傳感器。2）按工作原理分類，可分為電阻式、電容式、電感式、霍爾式、光電式、熱電偶 等傳感器。3）按傳感器輸出

2、信號的性質分類，可分為數字量（包括開關量輸出）傳感器和模 擬量傳感器。在傳感器中，能以非接觸方式檢測到物體的接近和附近檢測對象有無的產品總稱為 接近傳感器或接近開關，接近開關是開關量輸出的傳感器。其工作原理包括有利用電磁 感應引起的檢測對象的金屬體中產生的渦流的方式、捕捉檢測體的接近引起的電容量變 化的方式、利用永磁體引導開關的方式等。此處將不涉及模擬量輸出傳感器，僅介紹常用接近開關和旋轉編碼器等數字量傳感 器。二、接近傳感器1、磁性開關磁性開關用舌簧開關作磁場檢測元件，即當舌簧開關處于磁場之中時，舌簧開關的 兩根簧片被磁化而相互吸引，觸點閉合；當磁場移開開關后，簧片失磁，觸點斷開。在氣動系統

3、中，常用磁性開關來檢測氣缸活塞位置，即檢測活塞的運動行程。只是這些氣缸的缸筒要求采用導磁性弱、隔磁性強的材料，如硬鋁、不銹鋼等。在非磁性體的活塞上安裝一個永久磁鐵的磁環，這樣就提供了一個反映氣缸活塞位置的磁場，在氣缸外側某一位置安裝上磁性開關，則可用來檢測氣缸活塞是否在該位置上，從 而實現活塞運動行程的檢測。圖 2給出兩個安裝在直線氣缸上磁性開關。氣缸縮回到位檢測氣缸伸出到位檢測圖2 安裝在直線氣缸上的磁性開關圖3是帶磁性開關氣缸的工作原理圖。當氣缸中隨活塞移動的磁環靠近開關時，舌 簧開關的兩根簧片被磁化而相互吸引，觸點閉合；當磁環移開開關后，簧片失磁，觸點 斷開。觸點閉合或斷開時發出電控信號

4、，在 PLC的自動控制中，可以利用該信號判斷推 料及頂料缸的運動狀態或所處的位置，以確定工件是否被推出或氣缸是否返回。圖3帶磁性開關的氣缸工作原理圖6、磁環（永久磁鐵）8、舌簧開關在磁性開關上設置的LED顯示用于顯示其信號狀態，供調試時使用。磁性開關動作 時，輸出信號“1, LED亮；磁性開關不動作時，輸出信號 “Q” LED不亮。磁性開關的安裝位置可以調整，調整方法是松開它的緊定螺栓，讓磁性開關順著氣 缸滑動，到達指定位置后，再旋緊緊定螺栓。磁性開關有藍色和棕色2根引出線，使用時藍色引出線應連接到 PLC輸入公共端, 棕色引出線應連接到PLC輸入端。磁性開關的內部電路如圖 4中虛線框內所示。

5、圖4磁性開關內部電路2、電容式與電渦流式接近開關2.1 電容式接近傳感器及應用電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關，它由高頻振蕩電 路、和具有檢波、放大、整形及輸出開關量等功能的調理電路組成。平時檢測電極與大 地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個組成部分。當被檢測物體接近檢測電 極時，檢測電極電容C發生變化，使振蕩電路停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種 狀態被調理電路轉換為開關信號后向外輸出。電容式接近傳感器工作原理框圖以及電氣 符號圖如圖5所示。橫測對象振蕩電路調理電路圖5電容式接近傳感器工作原理框圖電容式接近開關理論上可以檢測任何物體，即既能檢測金屬物體，也能

6、檢測非金屬 物體。但當檢測過高介電常數物體時，檢測距離要明顯減小，這時即使增加靈敏度也起 不到效果能；止匕外，電容式接近開關受環境影響較大，使用時應注意抗干擾措施。2.2 電渦流式接近傳感器及使用電感式接近開關是利用電渦流效應制造的傳感器。電渦流效應是指，當金屬物體處 于一個交變的磁場中，在金屬內部會產生交變的電渦流，該渦流又會反作用于產生它的 磁場這樣一種物理效應。如果這個交變的磁場是由一個電感線圈產生的，則這個電感線 圈中的電流就會發生變化，用于平衡渦流產生的磁場。利用這一原理，以高頻振蕩器（LC振蕩器）中的電感線圈作為檢測元件，當被測金屬物 體接近電感線圈時產生了渦流效應，引起振蕩器振幅

7、或頻率的變化，由傳感器的信號調 理電路（包括檢波、放大、整形、輸出等電路）將該變化轉換成開關量輸出，從而達到 檢測目的。電感式接近傳感器工作原理框圖以及電氣符號圖如圖6所示。被測物體檢測線圖振蕩電路調理電路圖6電感式接近傳感器工作原理框圖常見的電感式接近開關外形有圓柱型、長方體型和U型等，如圖7所示圖7 常見的電感式接近開關外形在接近開關的選用和安裝中，必須認真考慮檢測距離、設定距離，保證生產線上的傳感器可靠動作。安裝距離注意說明如圖 8所示。桂修近佳感器 測 面茄定梢測距島設定距離接近傳需器輸出檢測距離圖8安裝距離注意說明3、光電開關與光纖式接近開關3.1 光電開關的工作原理及使用光電開關的

8、基本原理和分類光電式接近傳感器（光電開關）是利用光電效應做成的，用以檢測物體的有無和表 面狀態的變化等的傳感器。其中輸出形式為開關量的傳感器為光電式接近開關。光電式接近開關主要由光發射器和光接收器構成。如果光發射器發射的光線因檢測 物體不同而被遮掩或反射，到達光接收器的量將會發生變化。光接收器的敏感元件將檢 測出這種變化，并轉換為電氣信號，進行輸出。大多使用可視光（主要為紅色，也用綠色、藍色來判斷顏色)和紅外光。按照接收器接收光的方式的不同，光電式接近開關可分為對射式、反射式和漫射式 3種,如圖9所示。a)對射型b)漫射型(漫反射型)c)回歸反射型圖9光電式接近開關的類型漫射式光電開關漫射式光

9、電開關是利用光照射到被測物體上后反射回來的光線而工作的，由于物體 反射的光線為漫射光，故稱為漫射式光電接近開關。它的光發射器與光接收器處于同一 側位置，且為一體化結構。在工作時，光發射器始終發射檢測光，若接近開關前方一定 距離內沒有物體，則沒有光被反射到接收器，接近開關處于常態而不動作；反之若接近 開關的前方一定距離內出現物體，只要反射回來的光強度足夠，則接收器接收到足夠的 漫射光就會使接近開關動作而改變輸出的狀態。圖 9(b)為漫射式光電接近開關的工作原 理示意圖。常見的漫射式光電接近開關有園柱形和方形如圖10所示。(a)園柱形漫射式接近開關(b)方形漫射式接近開關(c)方形漫射式接近開關圖

10、10漫射式光電接近開關外形3.2 光纖式傳感器及使用光纖傳感器也是光電傳感器的一種，它由光纖單元、放大器兩部分組成。其工作原 理示意圖如圖11所示。投光器和受光器均在放大器內，投光器發出的光線通過一條光 纖內部從端面(光纖頭)以約60的角度擴散，照射到檢測物體上；同樣，反射回來的光線通過另一條光纖的內部回送到受光器圖11光纖傳感器工作原理受光元件光纖傳感器由于檢測部（光纖）中完全沒有電氣部分，抗干擾等耐環境性良好，并 且具有光纖頭可安裝在很小空間的地方，傳輸距離遠，使用壽命長等優點。光纖傳感器是精密器件，使用時務須注意它的安裝和拆卸方法。下面以 YL239裝置 上使用的E3Z-NA11型光纖傳

11、感器（歐姆龍公司產）的裝卸過程為例說明。位將1臺放大需、 本體安裝到 DIN 導軌上圖1 2拆卸時以相反的過程進行。注光纖的裝卸但滑動放大器本體，與，頂端的夾子對準后，粘緊推倒發出“咔”聲E3Z-NA11的放大器安裝過程在連接了光纖的狀態/、要從DIN導軌上拆卸。 放大器單元的安裝和拆卸。圖12給出一個放大器的安裝過程進行連接或拆下的時候，注意f要切斷電源。 裝部位見圖13。光纖插入位置記號占了二光纖圖1 3光纖的裝卸/、然后按卜間方法進行裝卸，有美安%固定解除狀態弋、/固定狀態/月、之9口口生W b./向意圖安裝光纖：抬高保護罩，提起固定按鈕，將光纖順著放大器單元側面的插入位置 記號進行插入

12、，然后放下固定按鈕。拆卸光纖：抬起保護罩，提升固定按鈕時可以將光纖取下來。光纖式光電接近開關的放大器的靈敏度調節范圍較大。當光纖傳感器靈敏度調得較 小時，反射性較差的黑色物體，光電探測器無法接收到反射信號；而反射性較好的白色 物體，光電探測器就可以接收到反射信號。反之，若調高光纖傳感器靈敏度，則即使對 反射性較差的黑色物體，光電探測器也可以接收到反射信號。圖14給出了放大器單元的俯視圖，調節其中部的 8旋轉靈敏度高速旋鈕就能進行放大 器靈敏度調節（順時針旋轉靈敏度增大）。調節時，會看到 入光量顯示燈”發光的變 化。當探測器檢測到物料時， 動作顯示燈 公亮，提示檢測到物料。定時功能切換開關靈敏度

13、旋鈕指示器鎖定撥桿8旋轉靈敏度高速旋鈕入光量顯示燈圖1 4光纖傳感器放大器單元的俯視圖動作顯示燈（橙色）動作模式切換開關E3Z-NA11型光纖傳感器電路框圖如圖15所示，接線時請注意根據導線顏色判斷電源極性和信號輸出線，切勿把信號輸出線直接連接到電源+24V端。圖1 5 E3X-NA11型光纖傳感器電路框圖路電關回先不主三、旋轉編碼器及應用旋轉編碼器是通過光電轉換，將輸出至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字 信號的傳感器，主要用于速度或位置（角度）的檢測。一般來說，根據旋轉編碼器產生 脈沖的方式的不同，可以分為增量式、絕對式以及混合式三大類。1、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器通過輸出唯一

14、的數字碼來表征絕對位置、角度或轉數信息。這唯一的數字碼被分配給每一個確定角度。一圈內這些數字碼的個數代表了單圈的分辨率。因為絕對的位置是用唯一的碼來表示的，所以無需初始參考點。絕對式光電編碼器的原理示意圖如圖16所示(a)二進制編碼盤光源(b)角位移檢測原理示意圖圖1 6 絕對式光電編碼器的原理示意圖圖16(a)所示的是一個二進制編碼的絕又t式光電編碼盤，圓盤分為 2等分(圖中為 n16等分)；并沿徑向分成n圈，各圈對應著編碼的位數，稱為碼道。故圖 3.4.9(a)所 示的編碼盤是一個4位二進制編碼盤，其中透明(白色)的部分為 “Q”不透明(黑 色)的部分為“1”由不同的黑、白區域的排列組合即

15、構成與角位移位置相對應的數碼, 如“0000對應“0F位，”0011對應“招位等。碼盤的材料大多為玻璃，也有 用金屬與塑料的。應用編碼盤進行角位移檢測的示意圖如圖 16(b)所示，對應碼盤每一碼道，有一個 光電檢測元件(圖中為4碼道光電碼盤)。當編碼盤處于不同角度時由透明和不透明區 域組成的數碼信號，由光電元件的受光與否，轉換成電信號送往數碼寄存器，由數碼寄 存器即可獲得角位移的位置數值。光電編碼盤檢測的優點是非接觸檢測，允許高轉速，精度也較高，單個碼盤可做到 18個碼道。具缺點是結構復雜、價格較貴、安裝較困難。但由于光電編碼盤允許高轉速， 高精度，且輸出為數字量，便于計算機控制，因此在高速、

16、高精度的數控機床中得到廣 泛應用。2、增量式光電編碼器增量式旋轉編碼器通過輸出 電脈沖”來表征位置和角度信息。一圈內的脈沖數代 表了分辨率。位置的確定則是依靠累加相對某一參考位置的輸出脈沖數得到的。當初始 上電時，需要找一個相對零位來確定絕對的位置信息增量式光電編碼器的結構是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的 圓板上等分地開通若干個長方形狹縫。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信 號，其原理示意圖如圖17所示；因此，根據脈沖信號數量，便可推知轉軸轉動的角位 移數值。光源透鏡 碼盤透鐮光敏元件放大整形

17、 前。口7圖1 7旋轉編碼器原理示意圖為了提供旋轉方向的信息，增量式編碼器通常利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差900。當A相脈沖超前B相時為正轉方向，而當 B相脈沖超前A相時則為反轉方向。Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。如圖18所示。3、增量式編碼器用于直線位移檢測的實例YL-335B分揀單元使用了這種具有A、B兩相900相位差的通用型旋轉編碼器，用 于計算工件在傳送帶上的位置。編碼器直接連接到傳送帶主動軸上。該旋轉編碼器的三 相脈沖采用NPN型集電極開路輸出，分辨率 500線，工作電源DC1224V。本工作單元 沒有使用Z相脈沖，A、B兩相輸出端直接連接

18、到PLC的高速計數器輸入端。為了檢測直線位移量，首先要確定每一個脈沖對應的位移量即脈沖當量，然后 PLC 才能根據從高速計數器輸入端所采集到的脈沖數計算總的位移量。分揀單元主動軸的直徑為 d=43 mm,則減速電機每旋轉一周，皮帶上工件移動距離 L= Tt?d =3.14 X 43=136.35 mm。故脈沖當量 防 仙二L/500 = 0.273im。按如圖 19 所示 的安裝尺寸，當工件從下料口中心線移至傳感器中心時，旋轉編碼器約發出430個脈沖;移至第一個推桿中心點時，約發出614個脈沖；移至第二個推桿中心點時，約發出 963 個脈沖；移至第二個推桿中心點時，約發出1284個脈沖。圖19

19、傳送帶位置計算用圖應該指出的是，上述脈沖當量的計算只是理論上的。實際上各種誤差因素不可避免， 例如傳送帶主動軸直徑（包括皮帶厚度）的測量誤差，傳送帶的安裝偏差、張緊度，分 揀單元整體在工作臺面上定位偏差等等，都將影響理論計算值。因此理論計算值只能作 為估算值。脈沖當量的誤差所引起的累積誤差會隨著工件在傳送帶上運動距離的增大而 迅速增加，甚至達到不可容忍的地步。因而在分揀單元安裝調試時，除了要仔細調整盡 量減少安裝偏差外，尚須現場測試脈沖當量值。一種測試方法的步驟如下：分揀單元安裝調試時，必須仔細調整電動機與主動軸聯軸的同心度和傳送皮帶 的張緊度。調節張緊度的兩個調節螺栓應平衡調節，避免皮帶運行時跑偏。傳送帶張緊 度以電動機在輸入頻率為1Hz時能順禾I啟動，低于1Hz時難以啟動為宜。測試時可把變 頻器設置為Pr.79 =1 , Pr.3 =0 Hz, Pr.161 =1 ;這樣就能在操作機板進行啟動/停止 操作，并且把M旋鈕作為電位器使用進行頻率調節。安裝調整結束后，變頻器參數設置為：Pr.79 = 2 （固定的外部運行模式），Pr.4=25Hz （高速段運行頻率設定值）編寫圖20所示的程序，編譯后傳送到 PLC 。ID14M80O0IIXO13IIMIOIIMIO