1、 自動(dòng)生產(chǎn)線中的傳感器一、傳感器的概念與分類根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)傳感器通用術(shù)語（GB/T7665-2005），傳感器的定義為：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)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(guān)系的物理量的元件，其轉(zhuǎn)換元件則把敏感元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(zhì)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）按傳感器輸出信號(hào)

2、的性質(zhì)分類，可分為數(shù)字量（包括開關(guān)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(duì)象有無的產(chǎn)品總稱為接近傳感器或接近開關(guān)，接近開關(guān)是開關(guān)量輸出的傳感器。其工作原理包括有利用電磁感應(yīng)引起的檢測對(duì)象的金屬體中產(chǎn)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(dǎo)開關(guān)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(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器等數(shù)字量傳感器。二、接近傳感器1、磁性開關(guān)磁性開關(guān)用舌簧開關(guān)作磁場檢測元件，即當(dāng)舌簧開關(guān)處于磁場之中時(shí)，舌簧開關(guān)的兩根簧片被磁化而相互吸引，觸點(diǎn)閉合；當(dāng)磁場移開開關(guān)后，簧片失磁，觸點(diǎn)斷開。在氣動(dòng)系統(tǒng)中，常用磁性開關(guān)

3、來檢測氣缸活塞位置，即檢測活塞的運(yùn)動(dòng)行程。只是這些氣缸的缸筒要求采用導(dǎo)磁性弱、隔磁性強(qiáng)的材料，如硬鋁、不銹鋼等。在非磁性體的活塞上安裝一個(gè)永久磁鐵的磁環(huán)，這樣就提供了一個(gè)反映氣缸活塞位置的磁1 場，在氣缸外側(cè)某一位置安裝上磁性開關(guān)，則可用來檢測氣缸活塞是否在該位置上，從而實(shí)現(xiàn)活塞運(yùn)動(dòng)行程的檢測。圖2給出兩個(gè)安裝在直線氣缸上磁性開關(guān)。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(guān)圖3是帶磁性開關(guān)氣缸的工作原理圖。當(dāng)氣缸中隨活塞移動(dòng)的磁環(huán)靠近開關(guān)時(shí)，舌簧開關(guān)的兩根簧片被磁化而相互吸引，觸點(diǎn)閉合；當(dāng)磁環(huán)移開開關(guān)后，簧片失磁，觸點(diǎn)斷開。觸點(diǎn)閉合或斷開時(shí)發(fā)出電控信號(hào)，在PLC的自動(dòng)控制

4、中，可以利用該信號(hào)判斷推料及頂料缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或所處的位置，以確定工件是否被推出或氣缸是否返回。5、活塞；7、缸筒；6、磁環(huán)（永久磁鐵）8、舌簧開關(guān)圖3 帶磁性開關(guān)的氣缸工作原理圖在磁性開關(guān)上設(shè)置的LED顯示用于顯示其信號(hào)狀態(tài)，供調(diào)試時(shí)使用。磁性開關(guān)動(dòng)作時(shí)，輸出信號(hào)“1”，LED亮；磁性開關(guān)不動(dòng)作時(shí)，輸出信號(hào)“0”，LED不亮。磁性開關(guān)的安裝位置可以調(diào)整，調(diào)整方法是松開它的緊定螺栓，讓磁性開關(guān)順著氣缸滑動(dòng)，到達(dá)指定位置后，再旋緊緊定螺栓。磁性開關(guān)有藍(lán)色和棕色2根引出線，使用時(shí)藍(lán)色引出線應(yīng)連接到PLC輸入公共端，棕色引出線應(yīng)連接到PLC輸入端。磁性開關(guān)的內(nèi)部電路如圖4中虛線框內(nèi)所示。2 電氣符號(hào)圖

5、圖4 磁性開關(guān)內(nèi)部電路2、電容式與電渦流式接近開關(guān)2.1 電容式接近傳感器及應(yīng)用電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān)，它由高頻振蕩電路、和具有檢波、放大、整形及輸出開關(guān)量等功能的調(diào)理電路組成。平時(shí)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(gè)組成部分。當(dāng)被檢測物體接近檢測電極時(shí)，檢測電極電容C發(fā)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(tài)被調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)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(hào)圖如圖5所示。圖5 電容式接近傳感器工作原理框圖電容式接近開關(guān)理論上可以檢測任何物體，即既能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物體。但當(dāng)檢測過高介

6、電常數(shù)物體時(shí)，檢測距離要明顯減小，這時(shí)即使增加靈敏度也起不到效果能；此外，電容式接近開關(guān)受環(huán)境影響較大，使用時(shí)應(yīng)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(guān)是利用電渦流效應(yīng)制造的傳感器。電渦流效應(yīng)是指，當(dāng)金屬物體處于一個(gè)交變的磁場中，在金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變的電渦流，該渦流又會(huì)反作用于產(chǎn)生它的磁場這樣一種物理效應(yīng)。如果這個(gè)交變的磁場是由一個(gè)電感線圈產(chǎn)生的，則這個(gè)電感線圈中的電流就會(huì)發(fā)生變化，用于平衡渦流產(chǎn)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(dāng)被測金屬物體接近電感線圈時(shí)產(chǎn)生了渦流效應(yīng)，引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號(hào)調(diào)理電路（包括檢

7、波、放大、整形、輸出等電路）將該變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出，從而達(dá)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(hào)圖如圖6所示。3 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(guān)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(guān)外形在接近開關(guān)的選用和安裝中，必須認(rèn)真考慮檢測距離、設(shè)定距離，保證生產(chǎn)線上的傳感器可靠動(dòng)作。安裝距離注意說明如圖8所示。圖8 安裝距離注意說明3、光電開關(guān)與光纖式接近開關(guān)3.1 光電開關(guān)的工作原理及使用光電開關(guān)的基本原理和分類光電式接近傳感器（光電開關(guān)）是利用光電效應(yīng)做成的，用以檢測物體的有無和表面狀態(tài)的變化等的傳感器。其中輸出形式為開關(guān)量的傳

8、感器為光電式接近開關(guān)。光電式接近開關(guān)主要由光發(fā)射器和光接收器構(gòu)成。如果光發(fā)射器發(fā)射的光線因檢測物體不同而被遮掩或反射，到達(dá)光接收器的量將會(huì)發(fā)生變化。光接收器的敏感元件將檢測出這種變化，并轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，進(jìn)行輸出。大多使用可視光（主要為紅色，也用綠4 色、藍(lán)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(guān)可分為對(duì)射式、反射式和漫射式3種，如圖9所示。a) 對(duì)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(guān)的類型漫射式光電開關(guān)漫射式光電開關(guān)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(guān)。它的光發(fā)射器與光接收

9、器處于同一側(cè)位置，且為一體化結(jié)構(gòu)。在工作時(shí)，光發(fā)射器始終發(fā)射檢測光，若接近開關(guān)前方一定距離內(nèi)沒有物體，則沒有光被反射到接收器，接近開關(guān)處于常態(tài)而不動(dòng)作；反之若接近開關(guān)的前方一定距離內(nèi)出現(xiàn)物體，只要反射回來的光強(qiáng)度足夠，則接收器接收到足夠的漫射光就會(huì)使接近開關(guān)動(dòng)作而改變輸出的狀態(tài)。圖9(b)為漫射式光電接近開關(guān)的工作原理示意圖。常見的漫射式光電接近開關(guān)有園柱形和方形如圖10所示。(a) 園柱形漫射式接近開關(guān)(b) 方形漫射式接近開關(guān)(c) 方形漫射式接近開關(guān)圖10 漫射式光電接近開關(guān)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

10、 11 所示。投光器和受光器均在放大器內(nèi)，投光器發(fā)出的光線通過一條光纖內(nèi)部從端面（光纖頭）以約60的角度擴(kuò)散，照射到檢測物體上；同樣，反射回來的5 光線通過另一條光纖的內(nèi)部回送到受光器。受光元件光纖頭反射光檢測物體投光元件圖11 光纖傳感器工作原理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(huán)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(yuǎn)，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器是精密器件，使用時(shí)務(wù)須注意它的安裝和拆卸方法。下面以YL239裝置上使用的E3Z-NA11型光纖傳感器（歐姆龍公司產(chǎn)）的裝卸過程為例說明。 放大器單元的安裝和拆卸。圖12給出一個(gè)放大器的安裝過程。將 1

11、臺(tái)放大器本體安裝到 DIN導(dǎo)軌上滑動(dòng)放大器本體，與頂端的夾子對(duì)準(zhǔn)后，粘緊推倒發(fā)出“咔”聲圖12 E3Z-NA11的放大器安裝過程拆卸時(shí)以相反的過程進(jìn)行。注意，在連接了光纖的狀態(tài)下，不要從DIN導(dǎo)軌上拆卸。 光纖的裝卸進(jìn)行連接或拆下的時(shí)候，注意一定要切斷電源。然后按下面方法進(jìn)行裝卸，有關(guān)安裝部位見圖13。固定解除狀態(tài)固定狀態(tài)光纖插入位置記號(hào)光纖圖13 光纖的裝卸示意圖6 安裝光纖：抬高保護(hù)罩，提起固定按鈕，將光纖順著放大器單元側(cè)面的插入位置記號(hào)進(jìn)行插入，然后放下固定按鈕。拆卸光纖：抬起保護(hù)罩，提升固定按鈕時(shí)可以將光纖取下來。光纖式光電接近開關(guān)的放大器的靈敏度調(diào)節(jié)范圍較大。當(dāng)光纖傳感器靈敏度調(diào)得較

12、小時(shí)，反射性較差的黑色物體，光電探測器無法接收到反射信號(hào)；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(hào)。反之，若調(diào)高光纖傳感器靈敏度，則即使對(duì)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(hào)。圖 14 給出了放大器單元的俯視圖，調(diào)節(jié)其中部的 8 旋轉(zhuǎn)靈敏度高速旋鈕就能進(jìn)行放大器靈敏度調(diào)節(jié)（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)靈敏度增大）。調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)看到“入光量顯示燈”發(fā)光的變化。當(dāng)探測器檢測到物料時(shí)，“動(dòng)作顯示燈”會(huì)亮，提示檢測到物料。動(dòng)作顯示燈（橙色）靈敏度旋鈕指示器定時(shí)功能切換開關(guān)鎖定撥桿入光量顯示燈8旋轉(zhuǎn)靈敏度高速旋鈕動(dòng)作模式切換開關(guān)圖14 光纖傳感器放大器單元的俯視圖E3Z-NA11 型光纖傳感器

13、電路框圖如圖 15 所示，接線時(shí)請注意根據(jù)導(dǎo)線顏色判斷電源極性和信號(hào)輸出線，切勿把信號(hào)輸出線直接連接到電源+24V端。圖15 E3X-NA11型光纖傳感器電路框圖三、旋轉(zhuǎn)編碼器及應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器是通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字信號(hào)的傳感器，主要用于速度或位置（角度）的檢測。一般來說，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生脈沖的方式的不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三大類。1、絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器通過輸出唯一的數(shù)字碼來表征絕對(duì)位置、角度或轉(zhuǎn)數(shù)信息。這唯7 一的數(shù)字碼被分配給每一個(gè)確定角度。一圈內(nèi)這些數(shù)字碼的個(gè)數(shù)代表了單圈的分辨率。因?yàn)榻^對(duì)的位置是用唯一的碼來表示的，所以

14、無需初始參考點(diǎn)。絕對(duì)式光電編碼器的原理示意圖如圖16所示。(b)角位移檢測原理示意圖(a)二進(jìn)制編碼盤圖16 絕對(duì)式光電編碼器的原理示意圖圖 16(a)所示的是一個(gè)二進(jìn)制編碼的絕對(duì)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(duì)應(yīng)著編碼的位數(shù)，稱為碼道。故圖 3.4.9(a) 所示的編碼盤是一個(gè) 4 位二進(jìn)制編碼盤，其中透明（白色）的部分為“0”， 不透明（黑色）的部分為“1”。由不同的黑、白區(qū)域的排列組合即構(gòu)成與角位移位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)碼，如“0000”對(duì)應(yīng)“0”號(hào)位，“0011”對(duì)應(yīng)“3”號(hào)位等。碼盤的材料大多為玻璃，也有用金屬與塑料的。應(yīng)用編碼盤進(jìn)行角位移

15、檢測的示意圖如圖16(b) 所示，對(duì)應(yīng)碼盤每一碼道，有一個(gè)光電檢測元件（圖中為 4 碼道光電碼盤）。當(dāng)編碼盤處于不同角度時(shí)由透明和不透明區(qū)域組成的數(shù)碼信號(hào)，由光電元件的受光與否，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送往數(shù)碼寄存器，由數(shù)碼寄存器即可獲得角位移的位置數(shù)值。光電編碼盤檢測的優(yōu)點(diǎn)是非接觸檢測，允許高轉(zhuǎn)速，精度也較高，單個(gè)碼盤可做到18個(gè)碼道。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴、安裝較困難。但由于光電編碼盤允許高轉(zhuǎn)速，高精度，且輸出為數(shù)字量，便于計(jì)算機(jī)控制，因此在高速、高精度的數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。2、增量式光電編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過輸出“電脈沖”來表征位置和角度信息。一圈內(nèi)的脈沖數(shù)代表了分辨率。位置的確定則是依

16、靠累加相對(duì)某一參考位置的輸出脈沖數(shù)得到的。當(dāng)初始上電時(shí)，需要找一個(gè)相對(duì)零位來確定絕對(duì)的位置信息。增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)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(gè)長方形狹縫。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光8 柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)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(hào)，其原理示意圖如圖 17 所示；因此，根據(jù)脈沖信號(hào)數(shù)量，便可推知轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移數(shù)值。圖17 旋轉(zhuǎn)編碼器原理示意圖為了提供旋轉(zhuǎn)方向的信息，增量式編碼器通常利用光電轉(zhuǎn)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90。當(dāng)A相脈沖超前B相時(shí)為正轉(zhuǎn)方向，而當(dāng)B相脈沖超前

17、A相時(shí)則為反轉(zhuǎn)方向。Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。如圖18所示。圖18 增量式編碼器輸出的三組方波脈沖3、增量式編碼器用于直線位移檢測的實(shí)例YL-335B 分揀單元使用了這種具有 A、B 兩相 90相位差的通用型旋轉(zhuǎn)編碼器，用于計(jì)算工件在傳送帶上的位置。編碼器直接連接到傳送帶主動(dòng)軸上。該旋轉(zhuǎn)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到PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端。為了檢測直線位移量，首先要確定每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量即脈沖當(dāng)量，然后 PLC才能根據(jù)從高速計(jì)數(shù)器輸入端所采集到的脈沖數(shù)計(jì)算總的位移量。分揀

18、單元主動(dòng)軸的直徑為 d=43 mm,則減速電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，皮帶上工件移動(dòng)距離L=d =3.1443=136.35 mm。故脈沖當(dāng)量為=L/5000.273 mm。按如圖 19 所示的安裝尺寸，當(dāng)工件從下料口中心線移至傳感器中心時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器約發(fā)出430個(gè)脈沖；移至第一個(gè)推桿中心點(diǎn)時(shí)，約發(fā)出 614 個(gè)脈沖；移至第二個(gè)推桿中心點(diǎn)時(shí)，約發(fā)出 963個(gè)脈沖；移至第二個(gè)推桿中心點(diǎn)時(shí)，約發(fā)出1284個(gè)脈沖。9 圖19 傳送帶位置計(jì)算用圖應(yīng)該指出的是，上述脈沖當(dāng)量的計(jì)算只是理論上的。實(shí)際上各種誤差因素不可避免，例如傳送帶主動(dòng)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(tái)面

19、上定位偏差等等，都將影響理論計(jì)算值。因此理論計(jì)算值只能作為估算值。脈沖當(dāng)量的誤差所引起的累積誤差會(huì)隨著工件在傳送帶上運(yùn)動(dòng)距離的增大而迅速增加，甚至達(dá)到不可容忍的地步。因而在分揀單元安裝調(diào)試時(shí)，除了要仔細(xì)調(diào)整盡量減少安裝偏差外，尚須現(xiàn)場測試脈沖當(dāng)量值。一種測試方法的步驟如下： 分揀單元安裝調(diào)試時(shí)，必須仔細(xì)調(diào)整電動(dòng)機(jī)與主動(dòng)軸聯(lián)軸的同心度和傳送皮帶的張緊度。調(diào)節(jié)張緊度的兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓應(yīng)平衡調(diào)節(jié)，避免皮帶運(yùn)行時(shí)跑偏。傳送帶張緊度以電動(dòng)機(jī)在輸入頻率為1Hz時(shí)能順利啟動(dòng)，低于1Hz時(shí)難以啟動(dòng)為宜。測試時(shí)可把變頻器設(shè)置為 Pr.79 =1 ，Pr.3 =0 Hz，Pr.161 =1；這樣就能在操作機(jī)板進(jìn)行啟動(dòng)/停止操作，并且把M旋鈕作為電位器使用