智能制造技術(shù)與工程應(yīng)用 課件 第三章 智能傳感器技術(shù)

智能制造技術(shù)與工程應(yīng)用第三章智能傳感器技術(shù)浙江省普通本科高?！奈濉攸c(diǎn)教材目錄2工業(yè)應(yīng)用中的常用傳感器Commonsensorsinindustrialapplications01傳感器工作原理與應(yīng)用案例Sensorworkingprincipleandapplicationcase02案例分析Intelligentmanufacturingtechnologyarchitecture03智能傳感器技術(shù)概述單靠人們自身的感覺(jué)器官研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)，它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要一種特殊的信息獲取器件——傳感器?？梢哉f(shuō)，傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)，又稱(chēng)之為電五官。在利用信息的過(guò)程中，傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的最為主要途徑與手段。工業(yè)傳感器幾乎涵蓋所有傳感器類(lèi)別，包括接近、位置、速度、水平、溫度、力和壓力，其中包括工業(yè)過(guò)程控制、能源、航空、安全和安保、汽車(chē)、醫(yī)療和建筑自動(dòng)化等領(lǐng)域。傳感器定義：傳感器是一種能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求的檢測(cè)裝置。特點(diǎn)：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。傳感器的組成1.敏感元件:直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的物理量信號(hào)。2.轉(zhuǎn)換元件:

將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。3.轉(zhuǎn)換電路:

負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制。4.轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。圖3?1傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路和輔助電源四部分組成。傳感器的分類(lèi)1.按照用途分:壓力和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線(xiàn)輻射傳感器、熱敏傳感器等2.按照原理分:振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等3.按照輸出信號(hào)分:模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開(kāi)關(guān)傳感器等。溫度傳感器測(cè)溫方式類(lèi)別原理典型儀表測(cè)溫范圍/℃接觸式膨脹類(lèi)利用液體或氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸汽壓變化玻璃液體溫度計(jì)-100～600壓力式溫度計(jì)-100～500雙金屬溫度計(jì)-80～600利用兩種金屬的熱膨脹差雙金屬溫度計(jì)-80～600熱電類(lèi)利用熱電效應(yīng)熱電偶-200～1800電阻類(lèi)固體材料的電阻隨溫度而變化鉑熱電阻-260～850銅熱電阻-50～150熱敏電阻-50～300電學(xué)類(lèi)半導(dǎo)體器件溫度效應(yīng)集成溫度傳感器-50～150晶體固有頻率隨溫度變化石英晶體溫度計(jì)-50～120非接觸式光纖類(lèi)利用光纖的溫度特性或作為傳光介質(zhì)光纖溫度傳感器-50～400光纖輻射溫度計(jì)200～4000輻射類(lèi)利用普朗克定律光電高溫計(jì)800～3200輻射傳感器400～2000比色溫度計(jì)500～3200表3?1溫度檢測(cè)方法的分類(lèi)溫度傳感器8圖3?2普通型熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中一種應(yīng)用較為廣泛的溫度傳感器。溫度傳感器鎧裝型熱電偶定義：鎧裝型熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套管一起拉制加工而成的堅(jiān)實(shí)纜狀組合體。它可以做得細(xì)長(zhǎng)型，使用中可隨需要任意彎曲；測(cè)溫范圍通常在1100℃以下。優(yōu)點(diǎn)：1.測(cè)溫端熱容量小，因此熱慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快2.壽命長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度高，彎曲性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。圖3?3常見(jiàn)熱電偶溫度傳感器薄膜型熱電偶定義：薄膜型熱電偶是將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板（云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等）上制成的一種特殊熱電偶。特點(diǎn)：薄膜熱電偶的接點(diǎn)可以做得很小、很?。?.01～0.1um），熱容量小、響應(yīng)速度快（ms級(jí)）。應(yīng)用：適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量，測(cè)溫范圍在300℃以下。圖3?4常見(jiàn)熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器原理熱電偶溫度傳感器的是基于熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度的。工作原理：1.由兩種不同的導(dǎo)體，兩端相互緊密地連接組成一個(gè)閉合回路。2.當(dāng)閉合回路兩接點(diǎn)間溫度不等時(shí)（設(shè)t>t0），忽略導(dǎo)體中溫差電勢(shì)影響，回路中就會(huì)產(chǎn)生大小和方向與導(dǎo)體材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)（也叫塞貝克效應(yīng)），該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)。把這兩種不同導(dǎo)體的組合稱(chēng)為熱電偶，稱(chēng)A、B兩導(dǎo)體為熱電極。兩個(gè)接點(diǎn)，一個(gè)為工作端或熱端（t），測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)溫度場(chǎng)中；另一個(gè)叫自由端或冷端（t0），一般要求它恒定在某一溫度場(chǎng)中。圖3?5熱電偶結(jié)構(gòu)原理圖溫度傳感器熱電偶遵循的導(dǎo)體定律熱電偶遵循均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律和中間溫度定律。均質(zhì)導(dǎo)體定律：由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，不論導(dǎo)體（或半導(dǎo)體)的截面積和長(zhǎng)度如何，以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)，溫差電勢(shì)相抵消，回路中總電勢(shì)為零。中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)接入第三種導(dǎo)體，只要接入的第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0)等于它在接點(diǎn)溫度、時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,tc)和tc、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即：溫度傳感器中間導(dǎo)體定律的意義在于：在實(shí)際的熱電偶測(cè)溫應(yīng)用中，測(cè)量?jī)x表（如直流毫伏表、電子電位差計(jì)等）和連接導(dǎo)線(xiàn)可以作為第三種導(dǎo)體對(duì)待，可以直接通過(guò)測(cè)量?jī)x表讀取熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小。中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的使用提供了理論依據(jù)。它表明：如果熱電偶的兩個(gè)電極通過(guò)連接兩根導(dǎo)體的方式來(lái)延長(zhǎng)，只要接入的兩根導(dǎo)體的熱電特性與被延長(zhǎng)的兩個(gè)電極的熱電特性一致，且它們之間連接的兩點(diǎn)間溫度相同，則回路總的熱電動(dòng)勢(shì)只與延長(zhǎng)后的兩端溫度有關(guān)，與連接點(diǎn)溫度無(wú)關(guān)。同時(shí)，中間溫度定律也為非線(xiàn)性輸出的熱電偶（熱電勢(shì)輸出大小與溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系）查表法測(cè)溫提供了理論依據(jù)，即在獲取熱電偶熱端相對(duì)環(huán)境溫度輸出的熱電勢(shì)基礎(chǔ)上，疊加上環(huán)境溫度相對(duì)0℃的熱電勢(shì)，就可轉(zhuǎn)換為熱電偶熱端相對(duì)0℃的熱電勢(shì)，再由該電動(dòng)勢(shì)查詢(xún)相對(duì)應(yīng)的分度表（我國(guó)常用的標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶有K、E、B、S、T都是基于冷端為0℃時(shí)給出的熱電勢(shì)與溫度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系)，即可獲取熱端溫度。溫度傳感器溫度補(bǔ)償法由熱電偶的測(cè)溫原理知道，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)大小與兩端溫度有關(guān)，熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)只有在冷端溫度不變的條件下，才與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。測(cè)量中為確保冷端溫度不變，通常需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。常用的方法有：補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法，冷端恒溫法，冷端溫度校正法，自動(dòng)補(bǔ)償法。溫度傳感器1.補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法

熱電偶的長(zhǎng)度一般只有1m左右，要保證熱電偶的冷端溫度不變，可以把熱電極加長(zhǎng)，使自由端遠(yuǎn)離工作端，放置到恒溫或溫度波動(dòng)較小的地方。

對(duì)于由貴金屬材料制成的熱電偶來(lái)說(shuō)將使投資增加，所以采用一種稱(chēng)為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的特殊導(dǎo)線(xiàn)，將熱電偶的冷端延伸出來(lái)。原理：補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)實(shí)際上是一對(duì)與熱電極化學(xué)成分不同的導(dǎo)線(xiàn)，在0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶具有相同的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)便宜。利用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所（如儀表室），且它們具有一致的熱電特性，相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)，根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。15溫度傳感器2.冷端恒溫法

把熱電偶的冷端置于某些溫度不變的裝置中，以保證冷端溫度不受熱端測(cè)量溫度的影響。恒溫裝置可以是電熱恒溫器或冰點(diǎn)槽（槽中裝冰水混合物，溫度保持在0℃）。3.冷端溫度校正法

如果熱電偶的冷端溫度偏離0℃，但穩(wěn)定在℃，根據(jù)中間溫度定律對(duì)儀表指示值進(jìn)行修正。4．自動(dòng)補(bǔ)償法

也稱(chēng)電橋補(bǔ)償法，它是在熱電偶與儀表間加上一個(gè)補(bǔ)償電橋，當(dāng)熱電偶冷端溫度升高，導(dǎo)致回路總電動(dòng)勢(shì)降低時(shí)，這個(gè)電橋感受自由端溫度的變化，產(chǎn)生一個(gè)電位差，其數(shù)值剛好與熱電偶降低的電動(dòng)勢(shì)相同，兩者互相補(bǔ)償。這樣，測(cè)量?jī)x表上所測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)將不隨自由端溫度而變化。自動(dòng)補(bǔ)償法解決了冷端溫度校正法不適合連續(xù)測(cè)溫的問(wèn)題。壓力傳感器工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的過(guò)程參數(shù)——壓力常見(jiàn)的壓力傳感器有彈性式、液柱式、電氣式以及活塞式。在許多工業(yè)過(guò)程中，壓力可以直接測(cè)量，如鍋爐的爐膛壓力，煙道壓力，加熱爐壓力等。有些過(guò)程參數(shù)如溫度、流量、壓力等往往要通過(guò)壓力來(lái)間接測(cè)量。圖3?6壓力傳感器壓力傳感器種類(lèi)主要特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合彈性式壓力計(jì)測(cè)壓范圍寬，使用范圍廣；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉；但是有彈性滯后現(xiàn)象用于測(cè)壓力或負(fù)壓力，可現(xiàn)場(chǎng)指示、遠(yuǎn)傳、記錄、報(bào)警和控制，還可測(cè)易結(jié)晶與腐蝕性介質(zhì)的壓力與負(fù)壓力液柱式壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；測(cè)量精度受工作液毛細(xì)管作用、密度等因素影響；測(cè)壓范圍較窄，只能測(cè)低壓與微壓；若用水銀作為工作業(yè)，則易造成環(huán)境污染用于測(cè)低壓與負(fù)壓力，用于作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器電氣式壓力計(jì)按作用原理不同，還可分為振頻式、壓電式、壓阻式等；根據(jù)不同形式，輸出信號(hào)可以是電阻、電流、電壓或頻率等；適用范圍較寬用于遠(yuǎn)傳、發(fā)信與自動(dòng)控制，可測(cè)壓力變化快、脈動(dòng)壓力、高真空與超高壓場(chǎng)合活塞式壓力計(jì)測(cè)量精度高，可達(dá)0.05%～0.02%；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高；精度受溫度、浮力等因素影響，使用時(shí)需要修正作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器用于檢定低一級(jí)活塞式壓力計(jì)或檢驗(yàn)精密壓力計(jì)下表為幾種常見(jiàn)的壓力傳感器類(lèi)型的主要特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。表3?2各類(lèi)壓力傳感器的性能及應(yīng)用場(chǎng)合壓力傳感器常見(jiàn)的壓力傳感器1.彈性式壓力計(jì)原理：利用各種形式的彈性元件，在被測(cè)介質(zhì)壓力的作用下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測(cè)壓儀表。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍寬以及有足夠的精度等。彈性式壓力計(jì)可用來(lái)測(cè)量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力。彈性元件是一種簡(jiǎn)易可靠的測(cè)壓敏感元件。當(dāng)測(cè)壓范圍不同時(shí)，所用的彈性元件也不一樣。圖3?7彈性元件示意圖壓力傳感器2.應(yīng)變式壓力計(jì)構(gòu)成：利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成，其敏感元件為應(yīng)變片，是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成的電阻體。通常應(yīng)變片要和彈性元件結(jié)合使用，將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，構(gòu)成應(yīng)變片壓力傳感器。原理：1.應(yīng)變片基于應(yīng)變效應(yīng)工作，當(dāng)它受到外力作用產(chǎn)生機(jī)械形變（伸長(zhǎng)或收縮）時(shí)，應(yīng)變片的阻值也將發(fā)生變化。2.在應(yīng)變片的測(cè)壓范圍內(nèi)，其阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變系數(shù)成正比。種類(lèi)：應(yīng)變片壓力傳感器所用彈性元件可以根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同而采用各種形式，常見(jiàn)的有圓膜片式、彈性梁式、應(yīng)變筒式等。圖3?8應(yīng)變式壓力計(jì)流量傳感器控制生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算所必需的一個(gè)重要參數(shù)——流量由于流量檢測(cè)條件的多樣性和復(fù)雜性，檢測(cè)流量的手段多樣，種類(lèi)繁多，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)方法?？梢园凑諜z測(cè)量不同、測(cè)量原理不同分類(lèi)：按照檢測(cè)量的不同，可分為體積流量檢測(cè)和質(zhì)量流量檢測(cè)。按照測(cè)量原理，又可分為容積式、速度式、節(jié)流式和電磁式。圖3?9電磁流量計(jì)流量傳感器名稱(chēng)被測(cè)介質(zhì)測(cè)量精度安裝直管段要求制造成本容積式（橢圓齒輪流量計(jì)）氣體、液體±（0.2～0.5）%不需要直管段較高渦輪流量計(jì)氣體、液體±（0.5～1）%需要直管段中等轉(zhuǎn)子流量計(jì)氣體、液體±（1～2）%不需要直管段低差壓流量計(jì)氣體、液體、蒸汽±2%需要直管段中等電磁流量計(jì)導(dǎo)電性液體±（0.5～1.5）%上游需要，下游不需要高表3?3幾種主要流量計(jì)的性能比較幾種主要流量計(jì)的新能比較如下表所示：流量傳感器常見(jiàn)流量計(jì)1.差壓式流量計(jì)差壓式（也稱(chēng)節(jié)流式）流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。流體在有節(jié)流裝置的管道中流動(dòng)時(shí)，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱(chēng)為節(jié)流現(xiàn)象。流體在管道界面Ⅰ前，還未受到截流元件影響，記此處?kù)o壓力為p1，平均流速為v1，流體密度為ρ1；在接近節(jié)流元件處，由于流通面積減小，留束收縮，流速增加；通過(guò)孔板后，在截面Ⅱ處留束達(dá)到最小，流速達(dá)到最大v2，此時(shí)記靜壓力為p2，流體密度為ρ2；之后留束逐漸擴(kuò)大，速度減慢，到截面Ⅲ后平均流速v3恢復(fù)為v1；但是由于流通截面積的變化，使流體產(chǎn)生了局部渦流，損耗了能量，所以靜壓力p3<p1，存在壓力損失。在孔板前后的管壁上分別選擇兩個(gè)固定的取壓點(diǎn)測(cè)量壓差，即可根據(jù)流量基本方程式計(jì)算出流量大小。圖3?10孔板裝置及壓力、流速分布圖流量傳感器2.質(zhì)量流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是一種常用的質(zhì)量流量計(jì)。原理：利用流體在震動(dòng)管道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的科里奧利力與質(zhì)量流量成正比來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量。在U型管道的A、B、C三處分別安裝壓電換能器。換能器A在外加交流電壓的作用下產(chǎn)生交變力，使管道震動(dòng)；換能器B和C對(duì)管道相應(yīng)位置的震動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，C處的震動(dòng)信號(hào)相位超前B處，根據(jù)相位相差與質(zhì)量流量成正比的關(guān)系，可以測(cè)得質(zhì)量流量。圖3?11科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)原理光電式傳感器定義：光電式傳感器（或稱(chēng)光敏傳感器）是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電荷、電阻等）的裝置。

原理:光電式傳感器工作時(shí)，先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過(guò)光電器件把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量的測(cè)量。光電式傳感器定義：光電開(kāi)關(guān)（如右圖所示）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)。

原理：它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而檢測(cè)物體的有無(wú)。物體不限于金屬，所有能反射光線(xiàn)（或者對(duì)光線(xiàn)有遮擋作用）的物體均可以被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線(xiàn)的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。應(yīng)用：安防系統(tǒng)中常見(jiàn)的光電開(kāi)關(guān)煙霧報(bào)警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來(lái)計(jì)數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。26圖3?12光電開(kāi)關(guān)光電式傳感器常用的紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，是利用物體對(duì)近紅外線(xiàn)光束的反射原理，由同步回路感應(yīng)反射回來(lái)的光的強(qiáng)弱而檢測(cè)物體的存在與否來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的。過(guò)程：光電傳感器首先發(fā)出紅外線(xiàn)光束到達(dá)或透過(guò)物體或鏡面對(duì)紅外線(xiàn)光束進(jìn)行反射，光電傳感器接收反射回來(lái)的光束，根據(jù)光束的強(qiáng)弱判斷物體的存在。分類(lèi)：一般來(lái)說(shuō)有鏡反射式光電開(kāi)關(guān)、漫反射式、槽式、對(duì)射式、光纖式等幾個(gè)主要種類(lèi)。在不同的場(chǎng)合使用不同的光電開(kāi)關(guān)，例如在電磁振動(dòng)供料器上經(jīng)常使用光纖式光電開(kāi)關(guān)，在間歇式包裝機(jī)包裝膜的供送中經(jīng)常使用漫反射式光電開(kāi)關(guān)。圖3?13光電開(kāi)關(guān)激光位移傳感器定義:激光位移傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。組成：它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。功能：1.激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，能夠精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化。2.可以測(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等精密的幾何測(cè)量。3.激光有直線(xiàn)度好的優(yōu)良特性，同樣激光位移傳感器相對(duì)于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度。激光位移傳感器激光位移傳感器原理按照測(cè)量原理，激光位移傳感器原理分為激光三角測(cè)量法和激光回波分析法。1.三角測(cè)量法激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體表面散射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線(xiàn)性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線(xiàn)性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。同時(shí)，光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數(shù)字電路處理，并通過(guò)微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶(hù)設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開(kāi)關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測(cè)窗口。圖3?14三角測(cè)量法示意圖1-信號(hào)處理器；2-半導(dǎo)體激光器；3-線(xiàn)性CCD陣列；4-鏡片；5-被測(cè)物體a；6-被測(cè)物體b三角測(cè)量法示意圖激光位移傳感器2.回波分析法激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測(cè)量距離以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)激光脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出。即所謂的脈沖時(shí)間法測(cè)量的。激光回波分析法適合于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但測(cè)量精度相對(duì)于激光三角測(cè)量法要低，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。激光位移傳感器激光位移傳感器的主要應(yīng)用場(chǎng)景

尺寸測(cè)定微小零件的位置識(shí)別；傳送帶上有無(wú)零件的監(jiān)測(cè)；材料重疊和覆蓋的探測(cè)；機(jī)械手位置（工具中心位置）的控制；器件狀態(tài)檢測(cè)；器件位置的探測(cè)（通過(guò)小孔）；液位的監(jiān)測(cè)；厚度的測(cè)量；振動(dòng)分析；碰撞試驗(yàn)測(cè)量；汽車(chē)相關(guān)試驗(yàn)等。

金屬薄片和薄板的厚度測(cè)量厚度的變化檢出可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋，小洞或者重疊，以避免機(jī)器發(fā)生故障。

電子元件的檢查用兩個(gè)激光掃描儀，將被測(cè)元件擺放在兩者之間，最后通過(guò)傳感器讀出數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)出該元件尺寸的精確度及完整性。

長(zhǎng)度的測(cè)量將測(cè)量的組件放在指定位置的輸送帶上，激光位移傳感器檢測(cè)到該組件并與觸發(fā)的激光掃描儀同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，最后得到組件的長(zhǎng)度。光柵傳感器定義：光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。光柵是在一塊長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線(xiàn)，刻線(xiàn)密度為10～100線(xiàn)/毫米。由光柵形成的疊柵條紋（莫爾條紋）具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。構(gòu)成：傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。原理：1.標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。2.這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過(guò)放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，直接顯示被測(cè)的位移量。圖3?16光柵讀數(shù)頭示意圖圖3?15光柵尺光柵傳感器傳感器的光路形式有兩種：1.透射式光柵它的柵線(xiàn)刻在透明材料（如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等）上；2.反射式光柵它的柵線(xiàn)刻在具有強(qiáng)反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)中，可測(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線(xiàn)位移和整圓角位移。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、變形測(cè)量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。圖3?17莫爾條紋編碼器定義：編碼器是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線(xiàn)位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者稱(chēng)為碼盤(pán)，后者稱(chēng)為碼尺。原理：增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。圖3?18增量式編碼器編碼器編碼器分類(lèi)按碼盤(pán)的刻孔方式不同可將編碼器分為增量式和絕對(duì)式兩種。增量式增量式編碼器是每轉(zhuǎn)過(guò)單位的角度就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)（也有發(fā)正余弦信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行細(xì)分，斬波出頻率更高的脈沖），通常為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，而且通過(guò)取A相、B相的上升和下降沿可以進(jìn)行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個(gè)脈沖。一般意義上的增量編碼器內(nèi)部無(wú)存儲(chǔ)器件，故不具有斷電數(shù)據(jù)保持功能，數(shù)控機(jī)床必須通過(guò)“回參考點(diǎn)”操作來(lái)確定計(jì)數(shù)基準(zhǔn)與進(jìn)行實(shí)際位置“清零”。圖3?19增量式編碼器絕對(duì)式絕對(duì)編碼器光碼盤(pán)上有許多道刻線(xiàn)，每道刻線(xiàn)依次以2線(xiàn)、4線(xiàn)、8線(xiàn)、16線(xiàn)...編排，在編碼器的每一個(gè)位置，通過(guò)讀取每道刻線(xiàn)的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱(chēng)為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由碼盤(pán)的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。圖3?20絕對(duì)式編碼器絕對(duì)編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于工控定位中。缺點(diǎn)：1.絕對(duì)型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多如仍用并行輸出，其每一位輸出信號(hào)必須確保連接很好，2.對(duì)于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來(lái)諸多不便和降低可靠性。絕對(duì)編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線(xiàn)型輸出，德國(guó)生產(chǎn)的絕對(duì)型編碼器串行輸出最常用的是SSI（同步串行輸出）。圖3?20絕對(duì)式格雷母線(xiàn)工作原理：格雷母線(xiàn)定位系統(tǒng)利用格雷母線(xiàn)和天線(xiàn)箱之間的電磁耦合來(lái)進(jìn)行通信，并在通信的同時(shí)檢測(cè)到天線(xiàn)箱在格雷母線(xiàn)長(zhǎng)度方向上的位置?？梢岳斫鉃樵谄叫杏谲壍酪欢ㄩg隙處架起一條刻度精確的皮尺，軌道機(jī)車(chē)行到任何位置都可以準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)，并且能夠通過(guò)程序控制軌道機(jī)車(chē)定點(diǎn)啟停。需要檢測(cè)多長(zhǎng)的位移就鋪設(shè)多長(zhǎng)的格雷母線(xiàn)。圖3?21格雷母線(xiàn)定位系統(tǒng)格雷母線(xiàn)組成：格雷母線(xiàn)定位系統(tǒng)包括一臺(tái)地面電氣柜（含地址解碼器等）、一臺(tái)車(chē)載電氣柜（含地址編碼器等）、格雷碼母線(xiàn)以及天線(xiàn)箱等。格雷碼母線(xiàn)是由扁平狀的尼龍加纖合成材質(zhì)外殼材料和內(nèi)部按照二進(jìn)制數(shù)字編碼規(guī)律編制的芯線(xiàn)構(gòu)成，類(lèi)似一把有刻度的標(biāo)尺，一般安裝在沿移動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備運(yùn)行軌道單側(cè)邊，或者沿運(yùn)行軌跡鋪設(shè)在地面上，亦或安裝在軌道旁的柵欄立柱上均可，需要檢測(cè)多長(zhǎng)的位移就鋪設(shè)多長(zhǎng)的格雷母線(xiàn)。天線(xiàn)箱安裝在移動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備上，用于識(shí)別本移動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備所在的位置。天線(xiàn)箱相對(duì)格雷碼母線(xiàn)平行非接觸移動(dòng)，天線(xiàn)箱指向的刻度即是當(dāng)前位置值，可以在車(chē)上或地上得到位移量，無(wú)需初始參考點(diǎn)，定位精度5毫米，分辨率2毫米，可以斷續(xù)或連續(xù)檢測(cè)，尤其適用于軌道不平整的大車(chē)或環(huán)形運(yùn)動(dòng)機(jī)械位移檢測(cè)。防水、防油、防塵、耐酸堿，適用于冶金、礦山、水利、港口碼頭堆場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)、化工等條件比較惡劣的環(huán)境。格雷母線(xiàn)格雷母線(xiàn)的特點(diǎn)1）無(wú)磨損的非接觸式位置檢測(cè)，使用壽命長(zhǎng)2）可以斷續(xù)或連續(xù)檢測(cè)，測(cè)距長(zhǎng)達(dá)5公里，位移檢測(cè)長(zhǎng)度可以根據(jù)需要定制3）耐污染能力超強(qiáng)，可用在水下、防蒸汽、耐酸堿4）安裝簡(jiǎn)單更換方便（無(wú)需改變現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境），免維護(hù)5）高穩(wěn)定性、高可靠性、多種信號(hào)輸出方式選擇6）具有反向極性保護(hù)功能、防雷擊、防射頻干擾、防靜電7）無(wú)需參考點(diǎn)的位移量輸出，不怕掉電8）位置的取樣時(shí)間和測(cè)量長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系，可以用在環(huán)形運(yùn)動(dòng)機(jī)械位置檢測(cè)9）可以埋在水泥地面內(nèi)，方便安裝和防護(hù)，不影響作業(yè)環(huán)境加速度傳感器定義：加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速度的傳感器。組成：加速度傳感器通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。原理：傳感器在加速過(guò)程中，通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。分類(lèi)：根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見(jiàn)的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。圖3?22三軸加速度傳感器加速度傳感器加速度傳感器分類(lèi)壓電式壓電式加速度傳感器又稱(chēng)壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。原理：利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。1-基座；2-電極；3-壓電鏡片；4-質(zhì)量塊；5-彈性元件；6-外殼圖3?23壓電式加速度傳感器加速度傳感器電容式電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)是比較通用的加速度傳感器。在某些領(lǐng)域無(wú)可替代，如安全氣囊，手機(jī)移動(dòng)設(shè)備等。它采用了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝，在大量生產(chǎn)時(shí)變得經(jīng)濟(jì)，從而保證了較低的成本。伺服式伺服式加速度傳感器是一種閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)性能好、動(dòng)態(tài)范圍大和線(xiàn)性度好等特點(diǎn)。工作原理：傳感器的振動(dòng)系統(tǒng)由“m-k”系統(tǒng)組成，與一般加速度計(jì)相同，但質(zhì)量m上還接著一個(gè)電磁線(xiàn)圈，當(dāng)基座上有加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊偏離平衡位置，該位移大小由位移傳感器檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)伺服放大器放大后轉(zhuǎn)換為電流輸出，該電流流過(guò)電磁線(xiàn)圈，在永久磁鐵的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力，力圖使質(zhì)量塊保持在儀表殼體中原來(lái)的平衡位置上，所以伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。加速度傳感器加速度傳感器常見(jiàn)應(yīng)用在汽車(chē)安全領(lǐng)域：用于汽車(chē)安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。在GPS導(dǎo)航領(lǐng)域：通過(guò)加裝加速度傳感器及以前我們所通用的慣性導(dǎo)航，便可以進(jìn)行系統(tǒng)死區(qū)的測(cè)量。案例分析液位控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的一類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題，并且在不同的系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、相應(yīng)快速性和魯棒性的要求也有所不同。此次以水箱實(shí)驗(yàn)裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)水箱液位控制系統(tǒng)，對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集以及監(jiān)控。該系統(tǒng)是用臺(tái)達(dá)PLC作為控制核心，由液位檢測(cè)裝置、管壓檢測(cè)裝置、水閥、水泵、水箱和儲(chǔ)水箱組成。檢測(cè)裝置將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳達(dá)到臺(tái)達(dá)PLC，臺(tái)達(dá)PLC對(duì)采集到的液位信號(hào)做出判斷，以此來(lái)控制水泵和閥。案例分析問(wèn)題描述液位控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為單容水箱系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入量為液位的高度和管道的壓力，均為4～20mA電流信號(hào)；系統(tǒng)輸出量為變頻器的給定電壓和閥門(mén)的給定電流，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和閥門(mén)開(kāi)閉程度。通過(guò)構(gòu)建液位反饋控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位良好的控制效果。檢測(cè)裝置將液位、管壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳達(dá)到臺(tái)達(dá)PLC，臺(tái)達(dá)PLC對(duì)采集到的信號(hào)做出判斷，通過(guò)控制器輸出控制水泵和閥。對(duì)于臺(tái)達(dá)PLC采集到的信息開(kāi)發(fā)DIAViewPC組態(tài)界面和DOPSoft觸摸屏組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)控制、參數(shù)調(diào)整、報(bào)表、趨勢(shì)圖等功能。案例分析問(wèn)題描述本項(xiàng)目的水位控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)備電氣如下圖所示：圖3?24系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖案例分析系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析主控模塊本系統(tǒng)的CPU選用臺(tái)達(dá)DVP28SV型號(hào)。該CPU屬于Slim系列高端主機(jī)，DC24V供電，輸入信號(hào)形式支持NPN或者PNP，輸出信號(hào)支持NPN，標(biāo)配16DI/12DO，4軸200KHz高速脈沖輸入和脈沖輸出，2個(gè)串行通訊接口，COM1:RS-232、COM2:RS-485，支持MODBUS通訊協(xié)議（ASCII和RTU）和任何第三方自由口通訊協(xié)議。此外該CPU主控模塊除臺(tái)達(dá)DVP28SV外，還配合了臺(tái)達(dá)DVPPF02通訊模組、DVPEN01以太網(wǎng)通訊模塊、DVP08ST開(kāi)關(guān)式數(shù)字?jǐn)U充模組、DVP16SP數(shù)字量輸入輸出模塊、DVP06XA模擬輸入/輸出混合模塊。結(jié)合以上CPU主控模塊可以實(shí)現(xiàn)和DIAView和DOP上位機(jī)的通信、與PC進(jìn)行以太網(wǎng)調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)PLC程序的準(zhǔn)確執(zhí)行、采集輸出相應(yīng)的電流電壓量等一系列工作，為整個(gè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制奠定充足的控制準(zhǔn)備。圖3?25主控模塊案例分析檢測(cè)裝置被控對(duì)象由亞克力儲(chǔ)水箱、長(zhǎng)方體亞克力水箱、和透明水管路組成。水箱包括長(zhǎng)方體亞克力水箱和亞克力儲(chǔ)水箱。長(zhǎng)方體亞克力水箱，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于實(shí)驗(yàn)者直能接觀察到液位的變化和記錄結(jié)果。在長(zhǎng)方體亞克力水箱和亞克力儲(chǔ)水箱之間有一個(gè)帶有手動(dòng)閥門(mén)的透明水管相連，通過(guò)控制閥門(mén)的開(kāi)合程度，可以限制長(zhǎng)方體亞克力水箱的出水速度。在這個(gè)水箱系統(tǒng)中，主要的被控對(duì)象是長(zhǎng)方體亞克力水箱的液位高度（簡(jiǎn)稱(chēng)液位）和緊接磁力齒輪泵的透明水管中的管內(nèi)水壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)管壓）。圖3?26被控對(duì)象水箱系統(tǒng)案例分析檢測(cè)裝置在本液位控制系統(tǒng)中，主要的檢測(cè)裝置（傳感器）為壓力變送器和液位傳感器。壓力變送器右圖為壓力變送表，該壓力變送器位于透明水管路中，用于檢測(cè)緊接磁力齒輪泵的透明水管中的管內(nèi)水壓力，可以通過(guò)此壓力變送器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)水管內(nèi)水壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。其監(jiān)測(cè)儀表量程為0～1BAR，工作電壓在本系統(tǒng)中給定于24V，輸出的檢測(cè)電流信號(hào)為4～20mA。圖3?27壓力變送器案例分析液壓傳感器右圖為液位傳感器，該液位傳感器位于長(zhǎng)方體亞克力水箱中，通過(guò)檢測(cè)水箱底側(cè)的水壓來(lái)監(jiān)測(cè)此時(shí)水箱中的液位高度，可以通過(guò)此液位傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)水箱內(nèi)液位高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。其監(jiān)測(cè)儀表量程可以滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)水箱所有液位高度，工作電壓在本系統(tǒng)中給定于24V，輸出的檢測(cè)電流信號(hào)為4～20mA。圖3?28液位傳感器案例分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)在本液位控制系統(tǒng)中，主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）為磁力齒輪泵和比例閥。磁力齒輪泵右圖為磁力齒輪泵，該磁力齒輪泵選型10CQB-5，流量最大為5L/min，功率為180W，泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。在本液位控制系統(tǒng)中，該磁力齒輪泵起到將水從亞克力