【工控知識】幾種常用傳感器解讀

2017-07-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

內(nèi)容提要:本文主要從工作原理、結構、特性及應用四個方面,介紹了光電傳感器、位移傳感器和超聲波傳感器的等。

一、光電傳感器

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。

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電源自由電源型光電傳感器

光電傳感器工作原理

光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。

光電傳感器在一般情況下,有三部分構成,它們分為:發(fā)送器、接收器和檢測電路。

發(fā)送器對準目標發(fā)射光束,發(fā)射的光束一般來源于半導體光源,發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射,或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面,裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路,它能濾出有效信號和應用該信號。

光電傳感器結構分析

光電傳感器通常由三部分構成,它們分別為:發(fā)送器、接收器和檢測電路。

發(fā)射器帶一個校準鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈做為光源,這些小而堅固的白熾燈傳感器就是如今光電傳感器的雛形。

接收器有光電二極管、光電三極管及光電池組成。光敏二極管是現(xiàn)在最常見的傳感器。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣,只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口,以便于光線射入,為增加受光面積,PN結的面積做得較大,光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下,并與負載電阻相串聯(lián),當無光照時,它與普通二極管一樣,反向電流很小稱為光敏二極管的暗電流;當有光照時,載流子被激發(fā),產(chǎn)生電子-空穴,稱為光電載流子。

此外,光電傳感器的結構元件中還有發(fā)射板和光導纖維。角反射板是結構牢固的發(fā)射裝置,它由很小的三角錐體反射材料組成,能夠使光束準確地從反射板中返回。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角,使光束幾乎是從一根發(fā)射線,經(jīng)過反射后,仍從這根反射線返回。

光電傳感器分類

漫反射型:一般型或能量型 (-8),聚焦式 (-8-H),帶背景抑制功能型 (-8-H),帶背景分析功能型 (-8-HW)
反射板型:一般型 (-6),帶偏振濾波功能型 (-54, -55),帶透明體檢測功能型 (-54-G),帶前景抑制功能型 (-54-V)
對射型
槽型
光纖傳感器:塑料光纖型,玻璃光纖型
色標傳感器,顏色傳感器,熒光傳感器
光通訊
激光測距:三角反射原理型,相位差原理型,時間差原理型
光柵
防爆/隔爆型

光電傳感器應用

一、煙塵濁度監(jiān)測儀

防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染,首先要知道煙塵排放量,因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加,光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加,到達光檢測器的光減少,因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

二、條形碼掃描筆

當掃描筆頭在條形碼上移動時,若遇到黑色線條,發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收,光敏三極管接收不到反射光,呈高阻抗,處于截止狀態(tài)。當遇到白色間隔時,發(fā)光二極管所發(fā)出的光線,被反射到光敏三極管的基極,光敏三極管產(chǎn)生光電流而導通。整個條形碼被掃描過之后,光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號,該信號經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列,再經(jīng)計算機處理,完成對條形碼信息的識別。

三、產(chǎn)品計數(shù)器

產(chǎn)品在傳送帶上運行時,不斷地遮擋光源到光電傳感器的光路,使光電脈沖電路產(chǎn)生一個個電脈沖信號。產(chǎn)品每遮光一次,光電傳感器電路便產(chǎn)生一個脈沖信號,因此,輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目,該脈沖經(jīng)計數(shù)電路計數(shù)并由顯示電路顯示出來。

四、光電式煙霧報警器

沒有煙霧時,發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播,光電三極管沒有接收信號。沒有輸出,有煙霧時,發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射,使三極管接受到光線,有信號輸出,發(fā)出報警。

五、測量轉(zhuǎn)速

在電動機的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色,轉(zhuǎn)動時,反射光與不反射光交替出現(xiàn),光電傳感器相應地間斷接收光的反射信號,并輸出間斷的電信號,再經(jīng)放大器及整形電路放大整形輸出方波信號,最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機的轉(zhuǎn)速。

六、光電池在光電檢測和自動控制方面的應用

光電池作為光電探測使用時,其基本原理與光敏二極管相同,但它們的基本結構和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓;光電轉(zhuǎn)換效率高,光譜范圍寬,頻率特性好,噪聲低等,它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。

二、位移傳感器

位移傳感器又稱為線性傳感器,是一種屬于金屬感應的線性器件,傳感器的作用是把各種被測物理量轉(zhuǎn)換為電量。小位移通常用應變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測,大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術來測量。

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位移傳感器

位移傳感器工作原理

通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是,為實現(xiàn)測量位移目的而設計的電位器,要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。

物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值,阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓,以把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。線繞式電位器由于其電刷移動時電阻以匝電阻為階梯而變化,其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件,則過大的階躍電壓會引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個主要。

缺點:易磨損。

優(yōu)點:結構簡單,輸出信號大,使用方便,價格低廉。

信號處理

辨向原理

在實際應用中,位移具有兩個方向,即選定一個方向后,位移有正負之分,因此用一個光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向。為了辨向,需要有 π/2相位差的兩個莫爾條紋信號。如圖2,在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個光電元件,得到兩個相位差π/2的電信號u01和u02,經(jīng)過整形后得到兩個方波信號u01’和u02’。光柵正向移動時u01超前u02 90度,反向移動時u02超前u01 90度,故通過電路辨相可確定光柵運動方向。

細分技術

隨著對測量精度要求的提高,以柵距為單位已不能滿足要求,需要采取適當?shù)拇胧δ獱枟l紋進行細分。所謂細分就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi),發(fā)出若干個脈沖,以減少脈沖當量。如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖,則可使測量精度提高n備,而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高了 n倍,因此也稱n倍頻。

通常用的有兩種細分方法:其一:直接細分。在相差1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件,可得到兩個相位差90o的電信號,用反相器反相后就得到四個依次相差90o的交流信號。同樣,在兩莫爾條紋間放置四個依次相距1/4條紋間距的光電元件,也可獲得四個相位差90o的交流信號,實現(xiàn)四倍頻細分。其二:電路細分。

主要分類

直線位移傳感器

直線位移傳感器的功能在于把直線機械位移量轉(zhuǎn)換成電信號。為了達到這一效果,通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位,通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓,允許流過微安培的小電流,滑片和始端之間的電壓,與滑片移動的長度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對滑軌總阻值精確性的要求,因為由溫度變化引起的阻值變化不會影響到測量結果。

角度位移傳感器

角度位移傳感器應用于障礙處理:使用角度傳感器來控制你的輪子可以間接的發(fā)現(xiàn)障礙物。原理非常簡單:如果馬達角度傳感器構造運轉(zhuǎn),而齒輪不轉(zhuǎn),說明你的機器已經(jīng)被障礙物給擋住了。此技術使用起來非常簡單,而且非常有效;唯一要求就是運動的輪子不能在地板上打滑(或者說打滑次數(shù)太多),否則你將無法檢測到障礙物。一個空轉(zhuǎn)的齒輪連接到馬達上就可以避免這個問題,這個輪子不是由馬達驅(qū)動而是通過裝置的運動帶動它:在驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)的過程中,如果惰輪停止了,說明你碰到障礙物了。

霍耳式位移傳感器

它的測量原理是保持霍耳元件(見半導體磁敏元件)的激勵電流不變,并使其在一個梯度均勻的磁場中移動,則所移動的位移正比于輸出的霍耳電勢。磁場梯度越大,靈敏度越高;梯度變化越均勻,霍耳電勢與位移的關系越接近于線性。圖2中是三種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng):a系統(tǒng)的線性范圍窄,位移Z=0時,霍耳電勢≠0;b系統(tǒng)當Z<2毫米時具有良好的線性,Z=0時,霍耳電勢=0;c系統(tǒng)的靈敏度高,測量范圍小于1毫米。圖中N、S分別表示正、負磁極?；舳轿灰苽鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可靠、壽命長,因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進行測量的場合。

光電式位移傳感器

它根據(jù)被測對象阻擋光通量的多少來測量對象的位移或幾何尺寸。特點是屬于非接觸式測量,并可進行連續(xù)測量。光電式位移傳感器常用于連續(xù)測量線材直徑或在帶材邊緣位置控制系統(tǒng)中用作邊緣位置傳感器。

特性參數(shù)

標稱阻值:電位器上面所標示的阻值。

重復精度:此參數(shù)越小越好。

分辨率:位移傳感器所能反饋的最小位移數(shù)值.此參數(shù)越小越好.導電塑料位移傳感器分辨率為無窮小。

允許誤差:標稱阻值與實際阻值的差值跟標稱阻值之比的百分數(shù)稱阻值偏差,它表示電位器的精度。允許誤差一般只要在±20%以內(nèi)就符合要求,因為一般位移傳感器是以分壓的方式來使用,具體電阻的大小對傳感器的數(shù)據(jù)采集沒有影響。

線性精度:直線性誤差.此參數(shù)越小越好。

壽命:導電塑料位移傳感器都在200萬次以上。

三、超聲波傳感器

超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號(通常是電信號)的傳感器。超聲波是振動頻率高于20KHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。

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超聲波傳感器

組成部分

常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成,既可以發(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構,可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭發(fā)射、一個探頭接收)等。

性能指標

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓超聲波傳感器電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小,如直徑和厚度也各不相同,因此每個探頭的性能是不同的,我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括:

工作頻率

工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時,輸出的能量最大,靈敏度也最高。

工作溫度

由于壓電材料的居里點一般比較高,特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高,需要單獨的制冷設備。

靈敏度

主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大,靈敏度高;反之,靈敏度低。

指向性

超聲波傳感器探測的范圍。

工作原理

人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的,它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi),超過20KHZ稱為超聲波,低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現(xiàn)象,并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波,其頻率較低,一般為幾十KHZ,而在固體、液體中則頻率可用得較高。