自动生产线的传感器

自动生产线中的传感器

一、传感器的概念与分类

根据国家标准《传感器通用术语》（GB/T7665-2005），传感器的定义为：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器的敏感元件用来直接感受被测量，并输出与被测量成某一关系的物理量的元件，其转换元件则把敏感元件的输出信号转换为电信号，如电流、电压。传感器的组成如图1所示。

图1电量输出的传感器的基本组成

传感器常用的分类方法主要有如下几种：

1）按被测量性质分类，可分为位移、力、速度、温度等传感器。

2）按工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式、霍尔式、光电式、热电偶等传感器。

3）按传感器输出信号的性质分类，可分为数字量（包括开关量输出）传感器和模拟量传感器。

在传感器中，能以非接触方式检测到物体的接近和附近检测对象有无的产品总称为接近传感器或接近开关，接近开关是开关量输出的传感器。其工作原理包括有利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡流的方式、捕捉检测体的接近引起的电容量变化的方式、利用永磁体引导开关的方式等。

此处将不涉及模拟量输出传感器，仅介绍常用接近开关和旋转编码器等数字量传感器。

二、接近传感器

1、磁性开关

磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件，即当舌簧开关处于磁场之中时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁场移开开关后，簧片失磁，触点断开。

在气动系统中，常用磁性开关来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程。只是这些气缸的缸筒要求采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁

场，在气缸外侧某一位置安装上磁性开关，则可用来检测气缸活塞是否在该位置上，从而实现活塞运动行程的检测。图2给出两个安装在直线气缸上磁性开关。

气缸缩回到位检测气缸伸出到位检测

图2安装在直线气缸上的磁性开关

图3是带磁性开关气缸的工作原理图。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。

5、活塞；

7、缸筒；6、磁环（永久磁铁）8、舌簧开关

图3带磁性开关的气缸工作原理图

在磁性开关上设置的LED显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1”，LED亮；磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED不亮。

磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。

磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC输入公共端，棕色引出线应连接到PLC输入端。磁性开关的内部电路如图4中虚线框内所示。

电气符号图

图4磁性开关内部电路

2、电容式与电涡流式接近开关

2.1 电容式接近传感器及应用

电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、和具有检波、放大、整形及输出开关量等功能的调理电路组成。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，检测电极电容C发生变化，使振荡电路停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被调理电路转换为开关信号后向外输出。电容式接近传感器工作原理框图以及电气符号图如图5所示。

图5电容式接近传感器工作原理框图

电容式接近开关理论上可以检测任何物体，即既能检测金属物体，也能检测非金属物体。但当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果能；此外，电容式接近开关受环境影响较大，使用时应注意抗干扰措施。

2.2 电涡流式接近传感器及使用

电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。

利用这一原理，以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理框图以及电气符号图如图6所示。

图6电感式接近传感器工作原理框图

常见的电感式接近开关外形有圆柱型、长方体型和U型等，如图7所示。

图7常见的电感式接近开关外形

在接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。安装距离注意说明如图8所示。

图8安装距离注意说明

3、光电开关与光纤式接近开关

3.1 光电开关的工作原理及使用

⑴光电开关的基本原理和分类

光电式接近传感器（光电开关）是利用光电效应做成的，用以检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。大多使用可视光（主要为红色，也用绿

色、蓝色来判断颜色）和红外光。

按照接收器接收光的方式的不同，光电式接近开关可分为对射式、反射式和漫射式3种，如图9所示。

a) 对射型b) 漫射型（漫反射型）

c) 回归反射型

图9光电式接近开关的类型

⑵漫射式光电开关

漫射式光电开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电接近开关。它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化结构。在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，接近开关处于常态而不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。图9(b)为漫射式光电接近开关的工作原理示意图。常见的漫射式光电接近开关有园柱形和方形如图10所示。

(a) 园柱形漫射式接近开关(b) 方形漫射式接近开关(c) 方形漫射式接近开关

图10漫射式光电接近开关外形

3.2 光纤式传感器及使用

光纤传感器也是光电传感器的一种，它由光纤单元、放大器两部分组成。其工作原理示意图如图 11 所示。投光器和受光器均在放大器内，投光器发出的光线通过一条光纤内部从端面（光纤头）以约60°的角度扩散，照射到检测物体上；同样，反射回来的