工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用安徽省十四五職業(yè)教育規(guī)劃教材項(xiàng)目4

傳感器的部署與應(yīng)用4.1

初識(shí)傳感器4.1.2傳感器的基本特性4.1.1傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介4.1.3傳感器在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用4.1.4傳感器技術(shù)的發(fā)展4.1.1傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)使用傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器到機(jī)器（M2M）通信實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及使傳感器無(wú)處不在。在當(dāng)今的高科技工廠中，傳感器對(duì)加工系統(tǒng)的精度和可靠性起著關(guān)鍵作用。因此，要求傳感器必須堅(jiān)固耐用，能夠在工業(yè)復(fù)雜的環(huán)境中工作，而且必須小巧簡(jiǎn)易，這些要素對(duì)傳感器提出了更高的要求。與此同時(shí)，傳感器的部署與管理較之其他領(lǐng)域的使用也有自己的特色和不同。

4.1.1傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介1．傳感器的定義及組成4.1.1傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介按被測(cè)物理量劃分的傳感器，常見(jiàn)的有：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等。按傳感器的工作原理劃分的傳感器，常見(jiàn)的有：電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、電勢(shì)型傳感器、電荷傳感器、半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)式傳感器等。2．傳感器的分類4.1.2傳感器的基本特性在檢測(cè)控制系統(tǒng)中，需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制。然而要達(dá)到比較優(yōu)良的控制性能，則必須要求傳感器能夠感測(cè)被測(cè)量的變化，并且不失真地將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量，這種性能主要取決于傳感器的基本特性。傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性：是指?jìng)鞲衅髟陟o態(tài)工作狀態(tài)下的輸入輸出特性，即是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢愣ɑ蚓徛兓逸敵隽恳策_(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的工作狀態(tài)。動(dòng)態(tài)特性：是指?jìng)鞲衅髟趧?dòng)態(tài)工作狀態(tài)下的輸入輸出特性，即傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。4.1.2傳感器的基本特性靈敏度靈敏度（靜態(tài)靈敏度）是指?jìng)鞲衅骰驒z測(cè)儀表在穩(wěn)態(tài)下輸出量的變化量

y與輸入量的變化量x之比，用K表示，有1．傳感器的靜態(tài)特性圖4-2線性系統(tǒng)靈敏度圖4-3非線性系統(tǒng)靈敏度4.1.2傳感器的基本特性分辨率分辨率是指引起輸出量產(chǎn)生可觀測(cè)的微小變化所需的最小輸入量的變化量。當(dāng)被測(cè)信號(hào)小于分辨率時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無(wú)任何反應(yīng)。1．傳感器的靜態(tài)特性4.1.2傳感器的基本特性線性度線性度是用來(lái)評(píng)價(jià)傳感器的實(shí)際輸入輸出特性對(duì)理論擬合的線性輸入輸出特性的接近程度的一個(gè)性能指標(biāo)，即傳感器特性的非線性程度的參數(shù)，如圖4-4所示。線性度即為傳感器的實(shí)測(cè)輸入輸出特性曲線與理論擬合直線（理想輸入輸出特性曲線）的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比。線性度又稱為“非線性誤差”或“非線性度”。1．傳感器的靜態(tài)特性圖4-4輸入輸出特性圖4.1.2傳感器的基本特性遲滯遲滯是指在相同工作條件下，傳感器正行程特性和反行程特性的不一致性程度，如圖4-5所示。即對(duì)應(yīng)同一大小的輸入量，因采用的行程方向不同，傳感器的輸出量值不相等，這就是遲滯現(xiàn)象。產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因主要是傳感器機(jī)械部分存在不可避免的缺陷。1．傳感器的靜態(tài)特性圖4-5遲滯特性4.1.2傳感器的基本特性重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅鞯谋粶y(cè)輸入信號(hào)在同一方向（增加或減少）變化時(shí)，在全量程內(nèi)連續(xù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量所得到的輸入-輸出特性曲線不一致的程度，如圖4-6所示。多次重復(fù)測(cè)試的輸入-輸出特性曲線越重合，說(shuō)明該傳感器重復(fù)性越好，使用誤差越小。1．傳感器的靜態(tài)特性圖4-6重復(fù)性4.1.2傳感器的基本特性時(shí)域單位階躍響應(yīng)

當(dāng)輸入信號(hào)為階躍函數(shù)時(shí)，因?yàn)樗菚r(shí)間的函數(shù)，故傳感器的響應(yīng)是在時(shí)域里發(fā)生的，因此稱它為時(shí)域單位階躍響應(yīng)，如圖4-7所示。2．傳感器的動(dòng)態(tài)特性圖4-7時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo)4.1.2傳感器的基本特性頻域頻率特性當(dāng)輸入信號(hào)是正弦函數(shù)時(shí)，因?yàn)樗穷l率的函數(shù)，故傳感器的響應(yīng)是在頻域內(nèi)發(fā)生的，因此稱它為頻率響應(yīng)，如圖4-8所示。2．傳感器的動(dòng)態(tài)特性圖4-8頻域響應(yīng)性能指標(biāo)4.1.2傳感器的基本特性3．傳感器在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用4.1.2傳感器的基本特性3．傳感器在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用4.1.2傳感器的基本特性向高精度發(fā)展向微型化發(fā)展向微功耗和無(wú)源化發(fā)展向智能化發(fā)展向高可靠性發(fā)展發(fā)展生物傳感器4．傳感器技術(shù)的發(fā)展4.1.2傳感器的基本特性需求分析：用于二足機(jī)器人的腳底，主要研究行走或受外力干擾時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡控制使行走更趨于穩(wěn)定，并增強(qiáng)站立時(shí)的穩(wěn)定性。二足機(jī)器人站立高為320mm，寬為230mm，重量約為1.5kg，如何選型？拓展提升4.2

常見(jiàn)傳感器介紹4.2.1光電式傳感器4.2.2電容式傳感器4.2.3磁性傳感器4.2.4光纖傳感器4.2.1光電式傳感器1．模擬式光電傳感器這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測(cè)量變化而連續(xù)變化，因此輸出的光電流也是連續(xù)變化的，并與被測(cè)量呈確定的函數(shù)關(guān)系，這類傳感器通常有以下四種形式，如圖4-9所示。圖4-9模擬式光電傳感器的常見(jiàn)形式a)被測(cè)量是光源b)被測(cè)量吸收光通量c)被測(cè)量是有反射能力的表面d)被測(cè)量遮蔽光通量1—被測(cè)物2—光電元件3—恒光源4.2.1光電式傳感器1．脈沖式光電傳感器在脈沖式光電傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)，如圖4-10所示，多用于光電計(jì)數(shù)、光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量、模擬開(kāi)關(guān)和位置開(kāi)關(guān)等場(chǎng)合。圖4-10脈沖式光電傳感器的工作原理4.2.2電容式傳感器以電容器作為敏感元件，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的傳感器稱為電容式傳感器。由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：δεdAA——極板相對(duì)覆蓋面；d——極板間距離；εr——相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)；ε0＝8.854×10-12(F/m)ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。ε=ε0εr

4.2.3磁性傳感器壓磁式傳感器：具有輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)，精度高，線性好、壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便，運(yùn)行條件要求低（能在有灰塵、水和腐蝕性氣體的環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行）等優(yōu)點(diǎn)。很適合在重工業(yè)、化學(xué)工業(yè)部門運(yùn)用，且已成功地運(yùn)用在冶金、礦山、造紙、印刷、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)工業(yè)部門，特別是在各種自動(dòng)化系統(tǒng)中用來(lái)測(cè)量軋鋼機(jī)的軋制力、鋼帶的張力，吊車提物的自動(dòng)稱重，配料斗的稱重，金屬切削過(guò)程的切削力以及電梯安全保護(hù)等各方面。磁電式傳感器：多用于測(cè)量速度、加速度、位移、振動(dòng)、扭矩等參數(shù)。將被測(cè)的參數(shù)變換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變換器稱為磁電式傳感器或感應(yīng)傳感器。磁性傳感器在工業(yè)應(yīng)用中適用于氣動(dòng)、液動(dòng)、氣缸和活塞泵的位置測(cè)定，即作為限位開(kāi)關(guān)使用，當(dāng)磁性目標(biāo)接近時(shí)，舌簧閉合經(jīng)放大輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，其檢測(cè)的距離隨檢測(cè)體磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化而變化。4.2.4光纖傳感器光纖傳感器是將被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)以光學(xué)的形式輸出。光纖傳感器可應(yīng)用于傳統(tǒng)傳感器所不適用的遠(yuǎn)距離測(cè)量。其具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量的測(cè)量。圖4-11光纖傳感器外形4.2.4光纖傳感器圖4-12光纖傳感器基本結(jié)構(gòu)光纖傳感器一般分為兩大類：傳光型：即非功能型光纖傳感器，多數(shù)使用多模光纖，用來(lái)傳輸更多的光量。傳感型：即功能型光纖傳感器，利用被測(cè)對(duì)象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。4.2.4光纖傳感器拓展提升1.光纖傳感器的連接方式（1）三線制傳感器的連線方式

圖4-14是三線制傳感器的連線示意圖，棕色線連接電源24V，藍(lán)色線接地，黑色線連接PLC輸入點(diǎn)。

圖4-14三線制傳感器的連線方式4.2.4光纖傳感器（2）二線制傳感器的接線方式

圖4-15是二線制傳感器的連線示意圖，棕色線連接PLC輸入點(diǎn)，藍(lán)色線接地。

圖4-15二線制傳感器的連線方式4.2.4光纖傳感器2.光纖傳感器的調(diào)節(jié)方式一套對(duì)射光纖傳感器由一對(duì)對(duì)射光纖頭和一個(gè)光纖放大器組成。光纖傳感器以光纖頭型號(hào)為T610-TZ90°，對(duì)應(yīng)放大器型號(hào)為BF4R為例。（1）光纖頭安裝

圖4-16中1、2所示為一套90°對(duì)射光纖頭的安裝。

圖4-16光纖頭安裝4.2.4光纖傳感器（2）放大器安裝

放大器安裝如圖4-17所示，步驟如下：放大器單元頭部扣住DIN軌道。按住放大器的背面向DIN導(dǎo)軌方向壓。拆卸時(shí)將放大器從尾部向③的方向推。放大器沿④的方向抬起。圖4-17放大器安裝4.2.4光纖傳感器（3）光纖頭與放大器連接

光纖頭與放大器連接如圖4-18所示。將放大器的保護(hù)蓋拔開(kāi)，沿①方向松開(kāi)光纖鎖扣(解鎖)。將光纖線沿②方向插入放大器,使放大器和光纖線緊密結(jié)合(插入深度為10mm)。沿③方向扣緊光纖鎖扣(鎖定)。圖4-18光纖頭與放大器連接4.2.4光纖傳感器（4）放大器供電

光纖放大器共有4根線，分別為棕色、黑色、白色和藍(lán)色。其中棕色連接電源正極（DC12~24V），藍(lán)色連接負(fù)極，黑色連接PLC的輸入端，白色不需要連接。圖4-19放大器供電接線4.2.4光纖傳感器（5）靈敏度調(diào)節(jié)

放大器的面板說(shuō)明，如圖4-20所示。圖4-20放大器面板①為放大器上電。②選擇模式開(kāi)關(guān)設(shè)置，把模式選擇開(kāi)關(guān)打到SET。③確保一對(duì)對(duì)射光纖頭之間無(wú)檢測(cè)目標(biāo)或阻擋，按下“ON”鍵。④檢查ON狀態(tài)穩(wěn)定工作STAB指示燈(綠色)閃爍。⑤當(dāng)對(duì)射光纖頭之間有檢測(cè)目標(biāo)時(shí)，按下“OFF”鍵。溫馨提示：將選擇開(kāi)關(guān)置于[LOCK]鎖定模式，防止有意或無(wú)意觸動(dòng)設(shè)定按鈕，造成已設(shè)定的靈敏度發(fā)生改變。4.3項(xiàng)目訓(xùn)練4.3.1傳感器種類介紹4.3.2傳感器部署4.3.3傳感器的安裝4.3.1傳感器種類介紹為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化運(yùn)行和智能化管理，工業(yè)生產(chǎn)流程的各環(huán)節(jié)中設(shè)備之間的協(xié)作運(yùn)行，以及貨物的精細(xì)化管理都需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)協(xié)助完成。貨物在分揀后電機(jī)是否繼續(xù)運(yùn)行、包裝盒是否送至碼垛平臺(tái)、產(chǎn)品是否被安放到倉(cāng)庫(kù)等操作必須精準(zhǔn)把握。那么如何快速采集這么多貨物的信息呢？通過(guò)人力來(lái)是肯定不行的，這時(shí)候就需要一套基于傳感器的智能檢測(cè)系統(tǒng)。圖4-21是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)可用于對(duì)開(kāi)心果進(jìn)行分揀、稱重、包裝及碼垛。項(xiàng)目實(shí)施圖4-21工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)4.3.1傳感器種類介紹表4-1傳感器種類介紹4.3.2傳感器部署（1）送料工位傳感器部署

具體如圖4-22~圖4-24所示。圖4-22送料工位落料光纖安裝圖圖4-23送料工位分揀氣缸磁性開(kāi)關(guān)安裝圖4.3.2傳感器部署（1）送料工位傳感器部署

具體如圖4-22~圖4-24所示。圖4-24送料工位輸送線光纖安裝圖表4-2送料工位傳感器說(shuō)明序號(hào)名稱類型型號(hào)定義11號(hào)位落料檢測(cè)光纖90°對(duì)射光纖頭T610-TZ90°落料檢測(cè)22號(hào)位落料檢測(cè)光纖90°對(duì)射光纖頭T610-TZ90°落料檢測(cè)31號(hào)送料氣缸伸出位磁性傳感器CSM-H送料氣缸伸出位檢測(cè)42號(hào)送料氣缸伸出位磁性傳感器CSM-H送料氣缸伸出位檢測(cè)51號(hào)分揀氣缸伸出位磁性傳感器CSM-H分揀氣缸伸出位檢測(cè)62號(hào)分揀氣缸伸出位磁性傳感器CSM-H分揀氣缸伸出位檢測(cè)7原點(diǎn)檢測(cè)光纖漫射式光纖頭FD-620-10傳送帶原點(diǎn)檢測(cè)4.3.2傳感器部署（2）包裝工位傳感器部署

具體如圖4-25~圖4-28所示。圖4-25料盒輸送線傳感器安裝圖圖4-26稱重模塊傳感器安裝圖4.3.2傳感器部署（2）包裝工位傳感器部署

具體如圖4-25~圖4-28所示。圖4-27運(yùn)料輸送模塊傳感器安裝圖圖4-28料盒輸送氣缸縮回位傳感器安裝圖4.3.2傳感器部署（2）包裝工位傳感器部署

具體如圖4-25~圖4-28所示。表4-3包裝工位傳感器說(shuō)明4.3.2傳感器部署（3）倉(cāng)儲(chǔ)工位傳感器部署

具體如圖4-29和圖4-30所示。圖4-29分揀氣缸磁性開(kāi)關(guān)安裝圖圖4-30分揀氣缸磁性開(kāi)關(guān)安裝圖4.3.2傳感器部署（3）倉(cāng)儲(chǔ)工位傳感器部署

具體如圖4-29和圖4-30所示。表4-4倉(cāng)儲(chǔ)工位傳感器說(shuō)明4.3.3傳感器的安裝（1）E3Z-D62光電傳感器的安裝E3Z-D62光電傳感器的安裝示意圖如圖4-31所示。

將E3Z-D62光電傳感器通過(guò)螺絲固定在安裝孔內(nèi)。圖4-31