第八章

智能制造單元傳感器技術應用第一節(jié)

傳感器類型與技術特性

一、傳感器的組成與分類

傳感器定義：能感受被測量并按照一定的規(guī)律將其轉換成可用的輸出信號的器件或裝置。傳感器的應用：廣泛應用于工業(yè)自動化、航天技術、軍事領域、機器人開發(fā)、環(huán)境檢測、醫(yī)療衛(wèi)生、家電行業(yè)等。傳感技術的地位：傳感技術與信息技術、計算機技術并列成為支撐整個現代信息產業(yè)的三大支柱。

1.傳感器的組成

（1）敏感元件

能直接感受或響應被測量的元件，如圖8-1所示。

（2）轉換元件

將敏感元件輸出的非電量直接轉換為電量的元件，如應變片。

（3）測量電路

將轉換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號的電路。

圖8-1傳感器的組成框圖

2.傳感器組成示例

（1）工作原理

彈簧管1為敏感元件，將油壓信號轉變?yōu)閺椈晒艿男巫冃盘?，通過齒輪齒條傳動實現電位器(轉換元件)電刷擺動，輸出電壓信號。圖8-2電位器式壓力傳感器外形圖8-3電位器式傳感器內部結構2.電位器式壓力傳感器原理框圖

（1）輸入輸出信號的轉換過程

彈簧管感受油壓信號→彈簧管形變轉換為角位移信號→電位器電阻信號→輸出電壓信號。(2）電位器的分壓比電路

電位器兩端加電源，輸出量與壓力成一定關系的電壓信號。圖8-4電位器式傳感器信號轉換過程三、傳感器的類型1.按被測量名稱分類:

如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、

加速度傳感器、位移傳感器、力傳感器、顏色傳感器、液位傳感器等。2.按測量原理分類:

如電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器、光柵傳感器、熱電偶傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器、紅外傳感器等。3.按輸入信號性質分類:

物理信號傳感器、化學信號傳感器、生物信號傳感器。4.按輸出信號類型分類:

開關型傳感器、模擬型傳感器、數字型傳感器。四、傳感器的靜態(tài)特性

1.線性度

傳感器的輸入輸出關系希望成正比，即線性關系。線性度通過最大偏差與量程范圍的百分比來表示。2.遲滯

傳感器加載和卸載對應的輸入輸出特性曲線不重合，反映了傳感器的遲滯特性。3.靈敏度

傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。

4.分辨力

傳感器能檢測到的最小輸入增量。

5.漂移

傳感器在外界干擾下，輸出量產生與輸入量無關的變化。包括零點漂移和靈敏度漂移。6.穩(wěn)定性

傳感器在測量條件不變化時，保持輸出量不變的能力。

7.重復性

傳感器在相同工作條件下，輸入量按同一方向全量程連續(xù)多次測試時，所得特性曲線不一致的程度。8.測量范圍

測量范圍（量程）確定在一定的線性區(qū)域或者保證一定壽命的范圍內。實際中所選測量范圍應大于實際的測量范圍，以保證測量準確性和延長傳感器壽命。第八章

智能制造單元傳感器技術應用第二節(jié)

光電式傳感器

一、光電效應

1.光電式傳感器定義

光電式傳感器采用光電元件作為檢測元件，首先將被測量的變化轉變?yōu)楣庑盘柕淖兓缓蠼柚怆娫⒐怆娦盘栟D換成電信號。2.性能與特點

能對光信號的變化作出迅速反應，將光信號轉變?yōu)殡娦盘枴?.原理基礎

光照射材料后材料本身的電學性質會發(fā)生變化，這類感應材料被稱為光敏材料，因此光電式傳感器又稱為光敏傳感器。

4.光電式傳感器結構

（1）光源

提供檢測所需的光線。

（2）光學通路

用于傳輸和調制光信號。

（3）光電元件

將光信號轉換為電信號。輸出信號可以是模擬量也可以是數字量。

（4）光電傳感器的優(yōu)點

可靠性高、精度高、反應快、抗干擾能力強。

5.內光電效應

（1)定義

電子在光照射下留在物體內部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產生光生電動勢的效應。

（2)分類

光電導效應即入射光改變物體電阻率的現象。光生伏特效應即物體在入射光作用下產生電動勢的現象。

（3)應用

基于光電導效應的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管等?；诠馍匦墓怆娖骷泄饷舳O管、光敏三極管和光電池等。6.外光電效應

在光照射的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現象稱為外光電效應。利用外光電效應可制造光電管和光電倍增管等光電器件。

二、光電器件1.光敏電阻

（1）光敏電阻特點

結構簡單、靈敏度高、光譜相應范圍廣、性能穩(wěn)定、價格較低。

（2）應用

被廣泛應用于各類檢測系統(tǒng)，如燈光的自動控制和照相機的自動測光等。

（3）光敏電阻內部結構

包括引線、玻璃支架、晶體、透光窗等。圖8-5光敏電阻外形圖8-6光敏電阻內部結構

2.光敏二級管

（1）結構

具有光敏特性的PN結，被封裝在管殼內，光敏面通過擴散工藝在N型單晶硅上形成。

（2）工作原理

在無光照射時為截止狀態(tài)，受光照射后產生光電流。

（3）應用

用于將光信號轉換為電信號，在不同強度的光下產生不同的電流。圖8-7光敏二極管外形圖8-8光敏電阻內部結構

三、光電開關1.光電開關定義

利用光的各種性質，檢測物體的有無和表面狀態(tài)變化的傳感器，輸出形式為開關量。2.光電開關組成主要由光發(fā)射器和光接收器構成。3.光電開關工作原理

光發(fā)射器發(fā)射光線，檢測物體不同引起的光接收量變化，接收器將變化轉換為開關信號輸出。4.光電開關應用

廣泛用于工業(yè)自動化中的物體檢測。

四、光電開關的類型

1.漫射式光電開關光發(fā)射器與光接收器處于同一側，通過物體反射回來的光線工作。2.對射式光電開關光發(fā)射器和光接收器相對放置，通過物體阻擋光線工作。3.回歸反射式光電開關光發(fā)射器發(fā)出的光線經過鏡面反射被光接收器接收，通過物體遮擋反射光線工作。4.圖8-9～圖8-11所示為各類型光電開關的外形示意圖。圖8-9漫反射式光電開關圖8-10對射式光電開關圖8-11回歸反射式光電開關

五、光電開關的接線方法

1.三線制接線方法:

棕色線接24V直流電源正極，藍色線接24V直流電源負極，黑色線接開關動作信號線。

圖8-12三線制光電開關接線方法

六、應用案例1

1.應用場景:在立體倉儲模塊中檢測料倉中的汽車輪轂有無。2.工作原理:通過在料倉底面裝設光電開關，實現立體倉儲模塊的智能控制。

七、應用案例2

1.應用場景:

在智能制造單元中檢測工件的高度和位置。2.工作原理:

利用光電傳感器檢測工件的高度，判斷是否符合預設值，根據結果執(zhí)行分揀動作。

圖8-13光電開關檢測工件高度第八章

智能制造單元傳感器技術應用第三節(jié)

光電編碼器

一、光電編碼器功能

編碼器是將機械轉動的位移（模擬量）轉換成數字式電信號的傳感器。

將直線運動或旋轉運動信號變換為數字信號進行測量。

應用示例：某智能制造單元的分揀單元上，減速電動機通過聯軸器帶動皮帶傳動副運轉，在皮帶輪右側安裝光電編碼器用于檢測電動機旋轉的轉數，實現皮帶運動產生位移的精確控制。圖8-14光電編碼器在檢測單元的應用

二、光電編碼器外形

伸出軸作用采集被測量，因此需要和被測轉軸一起旋轉。

接口有電源線和輸出數字信號線，用于接入電源和輸出脈沖信號給控制器如PLC。圖8-15光電編碼器外形

三、光電編碼器的基本結構

光電編碼器通過光電轉換，將輸出至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字信號。光電編碼器主要用于速度或位置（角度）的檢測。典型的旋轉編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。圖8-16光電編碼器原理

光電編碼器由光源、透鏡、光柵板、碼盤基片、透光狹縫、光敏元件及信號處理裝置組成。光電碼盤隨被測軸一起轉動，在光源照射下，透過光電碼盤和光柵板形成忽明忽暗的光信號。光敏元件將此光信號轉換成脈沖電信號，經過信號處理裝置的整形、放大后輸出。圖8-17光電編碼器內部結構

四、增量式編碼器內部結構增量式光電編碼器每產生一個輸出脈沖信號就對應一個增量位移。但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出是在哪個位置上的增量。

輸出A、B兩相互差90°電角度的脈沖信號，從而判斷旋轉方向。碼盤每旋轉一周只發(fā)出一個標志信號（Z相脈沖）。圖8-18增量式光電編碼器內部結構

碼盤上的透光縫隙代表一個增量周期。光電檢測器件輸出兩組相位相差90°電角度的電信號。信號經過轉換電路處理后可得到被測軸的轉角或速度信息。圖8-19光電編碼器兩組電信號

五、光電編碼器的分辨率

光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號基本周期數來表示的，即脈沖數/轉(ppr)。

碼盤上的透光縫隙的數目等于編碼器的分辨率。

工業(yè)電氣傳動中，根據不同的應用對象，可選擇分辨率通常在500～600ppr，最高可達幾萬ppr。

六、光電編碼器的應用

光電編碼器用于測量角位移、轉速及轉向。

應用案例1:在智能制造單元的加工單元中，光電編碼器用于數控機床的工作臺位移檢測。

光電編碼器內置于驅動電機軸上，測量絲桿的轉動角度來計算工作臺的位移量。圖8-20光電編碼器檢測絲杠旋轉角度第八章

智能制造單元傳感器技術應用第四節(jié)

激光傳感器

一、激光傳感器組成和應用領域

激光傳感器是一種利用激光技術進行測量的傳感器。激光傳感器由發(fā)光器、接收器和信號處理器。激光傳感器具有無接觸遠距離測量、速度快、精度高、量程大、抗干擾能力強等優(yōu)點。激光傳感器適用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量，探傷和大氣污染物的監(jiān)測。圖8-21激光傳感器外形

二、激光傳感器的工作原理

1.光的傳播

激光發(fā)射器向待測物體發(fā)射激光束，激光束在空氣中傳播時幾乎不會發(fā)生散射和吸收，因此激光束的能量保持不變，能夠遠距離傳播。

2.光的反射

當激光東照射到待測物體表面時，一部分能量會被物體吸收或散射，但大部分能量會被物體表面反射回來。這些反射光線會被接收器接收到，進而通過信號處理器進行分析。

3.測量距離

通過測量激光束從發(fā)射器到物體表面的時間差，可以計算出距離。激光束發(fā)射后，經過一段時間后，接收器會接收到反射回來的信號。利用光速恒定的特性和時間差可以求出物體表面距離。

三、激光傳感器的主要結構

1.激光發(fā)射器

產生激光束的核心部件，通常由激光二極管或固體激光器組成。2.光學元件

包括透鏡、反射鏡、光柵等，用于控制和調節(jié)激光束的方向、聚焦和分散。3.光敏元件

接收反射或透過的光信號并將其轉換為電信號，常用光電二極管或光電晶體管。4.信號處理電路

放大、濾波和數字化光敏元件輸出的電信號。5.控制電路

控制激光發(fā)射器和光敏元件的工作狀態(tài)。6.外殼和機械結構

保護內部組件，防水、防塵、防震。

四、激光傳感器的類型

按照產生激光的工作物質可以分為四種類型。1.固體激光器2.氣體激光器3.液體激光器4.半導體激光器圖8-22激光傳感器五、激光測距傳感器工作原理

激光位移傳感器主要通過兩種方法測量距離：激光三角法和回波分析法。圖8-23激光三角法測距原理1.光學三角測量原理：

激光器向被測物體發(fā)射可見紅色激光，反射光由線性CCD接收。通過三角公式計算傳感器和被測物體之間的距離。高精度測量，分辨率可達0.03μm。圖8-23激光三角法測距原理

2.回波分析法測距原理：

傳感器每秒發(fā)射百萬個激光脈沖。處理器計算激光脈沖往返時間以確定距離。適合長距離檢測，最遠可達250米，但測量精度較低。圖8-24回波分析法測距原理六、激光傳感器應用

1.工業(yè)制造應用

激光傳感器可以被用于精度高、速度快的零件檢測、定位和測量。

2.環(huán)境監(jiān)測

激光傳感器可以快速準確地測量大氣、水資源、土壤等環(huán)境參數，例如通過測量水位來監(jiān)測洪水。2.醫(yī)療應用

激光傳感器可以被應用于眼科手術、血糖測量和激光治療等方面，廣泛用于臨床醫(yī)學。3.能源領域應用

激光傳感器可以被用于監(jiān)測油井的油氣流量、井口壓力，以及發(fā)電站鍋爐的水位、流量和壓力等。4.工業(yè)自動化應用

用于測量長度、距離和位置。5.交通管理應用

用于測速和車距檢測。

第八章

智能制造單元傳感器技術應用第五節(jié)

紅外線傳感器一、紅外線傳感器概述

紅外線傳感器利用紅外線進行數據處理和測量。紅外線傳感器具有高可靠性、高靈敏度、高智能化等特點。紅外線傳感器可應用于智能制造設備監(jiān)控、安防監(jiān)視、救災、醫(yī)學診斷、交通管理、軍事制導等領域。圖8-25紅外線傳感器外形二、紅外線的基本特性

紅外線是一種波長在780到106

納米之間的電磁波。根據波長分為近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。具有紅熱光熱效應和紅外輻射效應。圖8-26紅外線望遠鏡三、電磁波波譜圖圖8-27紅外線定義四、紅外線傳感器的主要結構光學系統(tǒng)：透鏡和反射鏡，用于聚焦和引導紅外線。檢測元件：將紅外線轉化為電信號，如熱敏電阻和光敏元件。轉換電路：處理電信號以便于分析和測量。圖8-28紅外線傳感器外形五、紅外線傳感器的工作原理紅外線傳感器主要是基于紅外線與物質相互作用時的物理效應。包括具有紅熱光熱效應和紅外輻射效應。紅外光熱效應是指紅外線照射物體后，能量被吸收轉化成熱能，讓物體溫度升高的現象。紅外輻射效應的物理本質是熱輻射。物體的溫度越高,它輻射的紅外線越多,紅外線輻射的能量就越強。六、紅外線傳感器的應用1.紅外輻射計：測量熱輻射和光譜輻射。2.搜索和跟蹤系統(tǒng)：定位和跟蹤紅外目標。3.熱成像系統(tǒng)：形成目標的紅外輻射圖像。4.紅外測距系統(tǒng)：測量物體間的距離。5.通信系統(tǒng)：無線通信的一種方式。七、紅外測溫技術

廣泛應用于產品質量監(jiān)控、設備故障診斷和安全保護。

優(yōu)點：響應時間快、非接觸、使用安全、使用壽命長。

原理：紅外線通過透鏡系統(tǒng)、濾光片聚焦到探測器上，轉化為電信號，通過調制盤處理后輸出。第八章

智能制造單元傳感器技術應用第六節(jié)

磁性開關一、磁性開關的結構圖8-29磁性開關外形圖8-30磁性開關內部結構

（1）主要組成部分