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机、电类传感器与检测技术项目教程模块九、小位移检测 课件统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,2023/7/5,2,模块九、小位移检测 内容简介,简要介绍“位移检测的基本概念”、“电感式小位移传感器”、“涡流式小位移传感器”、“接近开关”等知识，对轴承滚柱直径的检测及分选也作了介绍。,現在時間是：16:18,模块九、小位移检测（下）目录,知识链接 位移检测的基本概念项目一、电感式小位移传感器项目二、涡流式小位移传感器项目三、接近开关拓展阅读 轴承滚柱直径的检测及分选,現在時間是：16:18,项目三 接近开关,【项目教学目标】知识目标1了解接近开关的分类与结构。2掌握三种常用接近开关的特性及工作原理。技能目标掌握接近开关的应用。,任务一 认识接近开关,接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，发出“动作”信号，不需要施加机械力。给出的是开关信号（高电平或低电平），能直接驱动中间继电器。接近开关的核心部分是“感辨头”。涡流探头能感辨金属导体的靠近与否。多数接近开关已将感辨头和测量转换电路做在同一壳体内，壳体上多带有螺纹或安装孔，便于安装和调整与被测物的距离。接近开关还可以用于高速计数和测速，测量物位和液位，无触点按钮等。,一、常用接近开关的分类,（1）电感式接近开关（实际工作原理是涡流效应）：只对导电良好的金属起作用。电感式接近开关对铁镍、A3钢类具有磁滞特性的金属灵敏度较高，对铝、黄铜等金属的灵敏度较低。（2）电容式接近开关：对接地的金属或地电位的导电物体起作用（但不常用），对非地电位的导电物体灵敏度稍差（常用）。（3）干簧管：只对磁性较强的物体起作用（见模块十）。（4）霍尔式接近开关：只对磁性或导磁性物体起作用。,二、接近开关的特点,与机械行程开关相比，接近开关具有如下特点：1）非接触检测，不影响被测物的运行工况。2）定位准确度高。3）不产生机械磨损和疲劳损伤，耐腐蚀，动作频率高，工作寿命长。4）响应快，约几毫秒至十几毫秒。5）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强。6）无触点、无火花、无噪声，可适用于要求防爆的场合（防爆型）。7）易于与PLC或其他上位机连接。8）体积小，安装、调整方便。9）缺点是“触点”容量较小，负载短路时易烧毁。,三、接近开关的主要技术指标,（1）动作距离：当被测物由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作（输出状态变为有效状态）的距离为接近开关的动作距离min（单位为mm，以下同）。（2）复位距离：当被测物由正面离开接近开关的感应面，接近开关转为复位状态（输出状态变为无效状态）时，被测物离开感应面的距离就是复位距离max。同一个接近开关的复位距离大于动作距离。（3）动作滞差：动作滞差是指复位距离与动作距离之差。动作滞差越大，对抗被测物抖动等造成的机械振动干扰的能力就越强，但动作准确度就越差。,三、接近开关的主要技术指标（续）,（4）重复定位准确度（重复性）：表征多次测量的动作距离平均值。其数值的离散性一般为最大动作距离的1%5%。将被测金属板固定在千分尺上，由动作距离120%以外逐渐沿接近开关感应面轴向靠近接近开关的“动作区”，运动速度控制在0.1mm/s。当接近开关动作时，读出千分尺的读数，然后反向退出动作区，使接近开关复位。重复10次，计算10次测量值的最大值和最小值，再逐一与10次平均值做减法，最大差值即为重复定位准确度。重复定位的离散性越小，重复定位的准确度就越高。,三、接近开关的主要技术指标（续）,（5）响应频率：也称动作频率，是指每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物最大个数或次数值。若接近开关的动作频率太低而被测物又运动得太快时，接近开关就来不及响应物体的运动状态，有可能造成漏检。（6）额定工作距离0：指被测金属板从侧向（径向）接近式接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此距离上，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干扰而产生误动作。额定工作距离0一定是小于动作距离min。实际应用中，考虑到各方面环境因素干扰的影响，通常将额定工作距离设定为动作距离的75%。,任务二 电感式(涡流原理)接近开关的应用,一、电感式接近开关的规格及接线方式1电感式接近开关的结构形式图9-21a的形式便于调整与被测物之间的间距。图9-21b、c的形式可用于板材的检测，图9-21d、e可用于线材的检测。,图9-21 电感式接近开关的几种结构形式a）圆柱形（非齐平式）b）平面安装型 c）矩形 d）槽形 e）贯穿型,调幅式电感(涡流)接近开关原理框图,调幅式（鉴幅式）检测电路：以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与被测金属导体之间的关系。当被测金属与接近开关探头的距离小于设定值时，振荡电路停振。接近开关动作，输出开关量信号。,涡流线圈的直径越大，探测范围就越大（涡流探雷器）,2被测金属体接近电感式接近开关的方式,（1）轴向接近：被测金属体a沿图9-22a中接近开关的轴线，从左侧逐渐靠近接近开关（见图9-22a中的x位移），金属板上的涡流逐渐增大，当两者的距离达到min时，接近开关动作；当两者的距离再次远达max时，接近开关复位。,图9-22a NPN型三线制电感接近开关原理框图,（2）侧向接近（径向接近）,被测金属体b的平面与接近开关的端面空间距离保持为“安装距离”0（约为xmin的70%）；被测金属体b从图9-22a中的下方逐渐靠近接近开关（见图9-22b中的y位移）。当被测金属体b的顶部进入“动作区”（见图9-22b中的细斜线范围）后,接近开关动作；当被测金属体b继续往上移处于动作区时,接近开关保持动作状态；当被测金属体b继续上移，直到其下端离开动作区后，接近开关复位(放大图见后页),图9-22 NPN型三线制电感接近开关的原理、特性及接线b）x、y方向的两种接近方式c）齐平式NPN型、OC门常开输出电路,图9-22b：接近方式、c：电路、d：特性放大图,轴向接近,侧向接近,3NPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项,三线制接线方式：棕色引线接电源正极VCC（1835V）；蓝色引线电源负极（接地）；黑色引线接输出端。接近开关有常开、常闭之分；按触点型式可分为：继电器输出型和OC门（集电极开路输出门）。,继电器的触点的耐压高，电流容量较大，不易烧毁，但响应慢。OC门的动作时间可小于0.1ms。OC门的输出又有“PNP型”和“NPN型”之分。,3NPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项,（1）复位状态：当被测金属物体远离接近开关时，UB=0，OC门的基极电流IB=0，NPN晶体管构成的OC门截止，OUT端为高阻态（接入负载或上拉电阻后为接近电源电压的高电平）。（2）动作状态：当被测金属体逐渐靠近接近开关，到达动作距离min时，OC门的输出端对地导通，OUT端对地为低电平（约0.3V）。将中间继电器KA跨接在VCC与OUT端之间时，KA线圈得电，转变为吸合状态。,请按NPN常开型接近开关的接线图，将各元件正确地连接起来。,请按NPN常开型接近开关的接线图，将各元件正确地连接起来。,接线完成,开始接线,NPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项(续),当被测物体再次逐渐远离接近开关，到达复位距离max时，OC门再次截止，KA线圈失电。（3）施密特特性：为接近开关的动作滞差（也称为“动作回差”）。回差越大，抗机械振动干扰的能力就越强。,建议安装距离”0为min的70%。,NPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项(续),（4）续流二极管：用于保护OC门。工作过程中，若续流二极管VD未接或虚焊，在接近开关复位的瞬间，KA突然断电，带有铁心的KA线圈将产生较大的感应电压（也称过电压，e=-L di/dt），有可能将OC门击穿。,NPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项(续),（5）过电流保护：工作过程中，若流过接近开关的负载端口的电流超过额定值，有些型号的接近开关背面红色“工作指示灯”LED会产生“过电流闪烁”。过电流越大，闪烁越快；过电流排除后，停止闪烁，恢复稳定的红色指示。（6）其他输出型式的接近开关：有的厂商会将接近开关的“常开”和“常闭”信号同时引出，属于四线式。两线制接近开关：当被测物到达额定距离时，接近开关的工作电流突然增大。ASI总线式输出类型：可以在一对总线上最多搭接256个接近开关，在250m范围内进行串行通信，大大减少了电缆线的数量。,PNP常开型接近开关的电路,PNP型接近开关称为电流流出型开关，当被测物体未靠近接近开关时，PNP晶体管（OC门）截止，OUT端为高阻态（悬空），接入负载后，负载上端与地线等电位，负载两端没有电压差。,当被测物体逐渐靠近，到达动作距离min时，PNP型晶体管导通，输出端相当于接到电源Vcc，OUT端对地为高电平(约Vcc-0.3V)。,PNP常开型接近开关的接线,PNP型接近开关的负载（例如中间继电器）接在地线和OUT端之间。为了保护OC门的集电极不至于在断电的瞬间被电感性负载所产生的过电流所击穿，必须在电感性负载两端并联续流二极管。,PNP常开型接近开关的施密特特性,PNP是电流流出型开关，负载接在地线和信号线之间。当被测物体未靠近接近开关时，PNP晶体管截止，OUT端为高阻态，输出端与地线等电位，负载不得电；当被测体逐渐靠近，到达动作距离min时，PNP型晶体管导通，输出端相当于接到电源Vcc，OUT端对地为高电平(约Vcc-0.3V)。当被测物体逐渐远离接近开关，到达复位距离max时，PNP晶体管再次截止，KA失电。,图9-23 接近开关的接线方式,a）NPN型常开二线制 b）PNP型常闭二线制 c）NPN型常开三线制 d）PNP型常开三线制 e）NPN型常开、常闭四线制 f）PNP型常开、常闭四线制,四线制接近开关的接线说明,有的位移传感器同时具备两种动输出状态，可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。,表9-3 LIONPOWER接近开关的主要技术指标,接近开关的主要性能指标,额定动作距离、复位距离、工作距离、动作滞差的关系。,二、接近开关与PLC的接线,当图9-24中的开关S闭合（接近开关动作）后，PLC的输入端有电流，PLC面板上的I/O信号灯（可见光指示二极管VL）亮。PLC输入回路IC1称为“光耦”（“光耦合器”或“光电耦合器”的简称）。当图9-24a中的S跳变为低电平后，有电流从VCC流过VL1、VL、Ri、S到COM端（地线）。(放大图见后页),图9-24a NPN型接近开关与PLC的接线,a）低电平有效的无源输入电路,NPN型接近开关的输出电路,NPN型接近开关与PLC等设备的接线（续）,PLC的“漏型输入”：全部输入信号的一端汇总到输入的公共连接端COM，又称为“汇点输入”（例如三菱PLC）,接地,PNP型接近开关的输出电路,PNP型接近开关与PLC等设备的连接电路（续）,PNP常开型接近开关与PLC的接线（续）,如果外部开关量输入触点的公共端接到了电源的正端，这种情况就不能使用NPN型接近开关。,PLC的源型输入：“源型输入”，是一种由外部提供输入信号电源或使用PLC内部提供给输入回路的24V电源，全部输入信号为“有源”信号。（例如西门子PLC的输入方式）,图9-24b PNP型接近开关与PLC的接线,b）高电平有效的有源输入电路,NPN接近开关与PLC的接口工作过程,若光耦中的红外发光二极管有足够的电流通过，就能发出较强的红外线，照射到封装在光耦中的光敏晶体管V集电结上，V饱和，发射极电压UE=VCC-UCES，为高电平。再经施密特整形电路，输入到PLC的内部信号处理电路。光耦在PLC的输入电路中起到“电光电”的转换与传输作用。当传感器的输入电路有很大的对地“共模”干扰电压时，若不使用光耦，共模干扰就能直接窜入PLC的主控制回路；若使用光耦，共模干扰电压无法在光耦的红外发光二极管中产生电流（或者极其微小），共模干扰就无法通过光耦传输到PLC的主控制回路。光耦在PLC输入电路中起到抗电磁共模干扰的作用。,【PLC的输入/输出状态填表训练】,三、两线制接近开关与交流接触器的接线,图9-25 常闭型两线制接近开关与380V交流接触器的接线图当按下（或点触）按钮SB1时，KM线圈得电，KM的辅助触点闭合，接触器自锁，三相电动机旋转。当有金属物体从右方逐渐靠近该接近开关并到达动作距离min时，常闭式接近开关的内部继电器触点断开，KM线圈失电，三相电动机停转。,电动机的交流接触器电路,四、电感式接近开关的应用实例,图9-26 工件的加工定位与计数,1生产工件加工定位,生产工件加工定位原理分析,a）接近开关的安装位置 b）感辨头及调幅式转换电路 c）PNP型接近开关动作滞差特性1加工机床 2刀具 3金属工件 4加工位置 5减速接近开关 6定位接近开关 7传送机构 8计数器-位置控制器当传送机构将待加工的金属工件运送到靠近“减速”接近开关面前时，该接近开关发出“减速”信号，传送机构减速，以提高定位准确度。当金属工件到达“定位”接近开关面前时，定位接近开关发出“动作”信号（高电平），使传送机构停止运行并“刹车”，加工刀具紧接着对工件进行机械加工。,PNP型接近开关动作滞差特性,如果工件从远处逐渐向接近开关靠近，到达min位置（2mm）时，开关动作。当流水线上有不可避免的机械振动时，工件后退了0.5mm（变为2.5mm）。这个微小的机械干扰（1mm）无法让接近开关复位，这个特性称为接近开关的“动作滞差特性”，可以避免控制继电器反复吸合及释放。,流水线上工件自动定位的例子,图9-26 工件的加工定位与计数,2生产零部件计数,当传送带上每一个金属工件从接近开关面前经过时，接近开关动作一次，输出一个计数脉冲，计数器加1。传送带在运行中有可能产生抖动，此时若工件刚进入接近开关动作距离区域，因抖动使工件稍微远离接近开关，然后再进入动作距离范围，有可能会产生两个以上的计数脉冲。通常在比较器电路中加入正反馈电阻，形成有滞差电压比较器，使之具有“施密特”特性。当工件从远处逐渐向接近开关靠近，到达min位置时，开关动作。要想让它翻转回到低电平，则需要让工件倒退的距离（max的位置）。大大超过抖动造成的倒退量，所以接近开关一旦动作，只能产生一个计数脉冲，微小的干扰无法让其复位，称为动作滞差特性。,工件计数,表9-4 NPN常闭、PNP常闭型接近开关的施密特特性比较,【PNP常开型接近开关的特性填表训练（VCC=24V，UCES=0.3V RL=0.1k）】,任务三 电容式接近开关的应用,一、电容式接近开关的结构及工作原理检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体后部，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。“非齐平式接近开关”的端部必须比金属安装平面突出10mm左右，接近开关端部的高频电场信号才不至于被比金属安装平面衰减。“齐平式接近开关”的端面可以与金属安装平面齐平，不易损坏，但端面高频电场受金属安装平面的影响，灵敏度较低，动作距离约为同系列接近开关的2倍。,图9-27 圆柱形电容式接近开关（放大图见下页）,a）结构示意图 b）调幅式测量转换电路原理框图1被测物 2上检测极板（或内圆电极）3下检测极板（或外圆电极）4充填环氧树脂 5测量转换电路板 6塑料外壳 7灵敏度调节电位器RP 8动作指示灯 9电缆 10非齐平式安装板（金属，接地）UR比较器的基准电压,图9-27,电容式接近开关的工作原理,当没有被测物体靠近电容式接近开关时，C1与C2很小，LC振荡器停振。当被测物体朝着电容式接近开关的两个同心圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成串联等效电容C。,电容式接近开关的工作原理（续）,当C增大到设定值时,LC振荡器起振（工作电流随之增大）。振荡器的高频输出电压uo经二极管VD检波和RC低通滤波器滤波,得到正半周信号的平均值。经直流电压放大电路放大后的输出电压Uo1与基准电压UR进行比较。若Uo1超过基准电压时,比较器翻转,产生动作信号。,图9-28 电容式接近开关的外形,a）齐平式（允许金属安装平面与探头的端面齐平）b）非齐平式 c）非齐平夹具安装式,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,接近开关的非齐平式与齐平式的比较,齐平式安装,非齐平式安装,非齐平式接近开关的安装,非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。,全密封防水式,大量程远距离式,电容接近开关的规格,二、电容式接近开关的特性,图9-29 动作距离与被检测物体的材料、性质、尺寸的关系,用指甲去接触电容触摸屏是不起作用的,电容式接近开关灵敏度与被测物材料的关系,当被测物是导电金属物体时，即使两者的距离较远，但等效电容C仍较大，LC回路较容易起振，所以灵敏度较高。若被测物的面积小于电容式接近开关直径的2倍时，灵敏度显著较低。,电容触摸屏示意图,电容式接近开关灵敏度与被测物材料的关系（续）,对于非金属物体，例如：水、纸板、皮革、塑料、陶瓷、玻璃、沙石、粮食等，动作距离决定于材料的介电常数和电导率以及被测物体的面积。介电常数大、且导电性能较好的物体（例如含水的有机物、人的手等），动作距离略小于金属物体。物体的含水量越小，面积越小，动作距离也越小，灵敏度就越低。尼龙、聚四氟乙烯等介质损耗小的物体灵敏度较低,不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响,电容接近开关的调试,接近开关的输出有NPN、PNP和AC两线制等多种型式。Rf在比较器电路中起正反馈作用，使比较器具有施密特特性。Rf越小，翻转时的回差就越大，抗干扰能力就越强，通常将回差控制在动作距离的20%之内。,比较器之后设置了OC门输出级电路，有较大的负载能力。通常可以驱动100mA的感性负载，或300mA的阻性负载。,电容接近开关的调试（续）,当被测物是导电物体时，即使两者的距离较远，但等效电容C 仍较大，RC回路较容易起振，所以金属的灵敏度较高。物体的含水量越小，面积越小，动作距离也越小，灵敏度就越低。,大多数电容接近开关的尾部有一个多圈微调电位器RP，用于调整特定对象的动作距离。,三、电容式接近开关的使用,图9-30 电容式接近开关的应用a）外挂式电容接近开关 b）内装式电容接近开关1塑料容器外壁 2下料管 3含水颗粒 4电容式接近开关 5物位,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,电容式接近开关在物位测量控制中的使用,电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用,对应的光柱显示,任务四 霍尔式接近开关的应用,一、霍尔式传感器工作原理霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。,霍尔元件是一种四端元件,霍尔元件结构,图9-31 霍尔元件示意图a）霍尔效应原理图 b）N型硅霍尔元件结构示意图 c）图形符号 d）外形,霍尔元件工作原理,设磁场垂直于霍尔薄片，磁感应强度为B。当有电子流过霍尔薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（d侧）偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的c、d方向产生电场E。随后电子一方面受到洛仑兹力的作用，另一方面又同时受到该电场力的作用。这两种力的方向恰好相反。当电场力等于洛仑兹力时，电子的积累达到动态平衡。这时，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起一个“霍尔电动势”。霍尔电动势EH=KHIB（9-5）式中 KH霍尔元件的灵敏度。,霍尔元件的工作过程分析,当有电流I 流过薄片时，如果磁场为零，则霍尔电动势也为零。,磁感应强度B为零时的情况,磁感应强度B 不等零时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高：EH=KH IB,a,b,c,d,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（d 侧）偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电动势。,c,d,a,b,d,a,b,c,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电动势 EH=KHIBcos（9-6）,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示,结论：霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比。当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电动势为同频率的交变电动势。,a,a,二、霍尔元件的主要外特性参数,输入电阻称为Ri。为了减少温度的影响，通常采用恒流源作为电流激励源；输出电阻Ro，后级放大电路的输入阻抗最好要与Ro平衡，可以减小温漂最大激励电流I m（数值多为几毫安）；灵敏度KH=EH/(IB)，单位为mV/(mAT)；最大磁感应强度Bm通常为零点几特斯拉（1T=104Gs）；霍尔电动势温度系数一般约为0.1%/左右。在要求较高的场合，应选择低温漂的霍尔元件。,霍尔元件的主要特性参数（续）,最大磁感应强度BM,上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯到正的多少高斯？（1T104Gs）,线性区,mV,调零,霍尔元件的主要特性参数（续）,最大激励电流IM:,由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。,以下哪一个激励电流的数值较为妥当？8A 0.8mA 8mA 80mA,三、霍尔集成电路,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,开关型三端霍尔集成电路,线性型霍尔特性,右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正电压；磁场反向时，输出为负电压。,请画出线性范围,线性型霍尔集成电路的调零,当UGN3501M感受的磁场为零时，调节5、6、7之间的调零电位器，可使第1引脚相对于第8引脚的输出电压等于零。,开关型霍尔集成电路,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。有一些开关型霍尔式集成电路内部还包括双稳态电路，这种器件的特点是必须施加相反极性的磁场，电路的输出才能翻转回到高电平，也就是说，具有“锁定”功能。这类器件又称为锁键型霍尔式集成电路，如UGN3075等。,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,.,Vcc,开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线,请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.,开始接线,开关型霍尔集成电路与继电器的接线,?,接线完毕,开关型霍尔集成电路的史密特输出特性,接近开关电路的回差越大，抗振动干扰能力就越强。,当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？,四、霍尔式接近开关及其应用,霍尔式接近开关的检测对象是普通的铁磁材料，也有的型号适用于带有磁性的材料，用于识别附近有无上述材料物体的存在。霍尔式接近开关内部的核心部件是开关型霍尔集成电路，壳体的端部封装有一个圆片形的永久磁铁，N极朝外，如图9-34a所示。当导磁的被测物接近霍尔式接近开关时，加强了穿过开关型霍尔集成电路的磁感应强度B，如图9-34b所示。当B值达到设定值时，电路的输出翻转为低电平。,霍尔传感器的适应领域,霍尔电动势是关于I、B、三个变量的函数，即：EH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器可以有许多用途。霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。,图9-34 霍尔式接近开关应用示意图,a）霍尔式接近开关的外形,图9-34 霍尔式接近开关应用示意图（续）,b）被检测对象是铁磁材料 1机械手 2铁磁检测板,图9-34 霍尔式接近开关应用示意图（续）,c）被检测对象是永久磁铁3工作台 4丝杠-螺母副 H霍尔式接近开关 M电动机 PC角编码器,图9-34 霍尔式接近开关应用示意图（续）,d）被检测对象是旋转翼片5分流翼片H霍尔式接近开关,2具有锁定功能的霍尔式接近开关的应用,具有锁定功能的霍尔式接近开关具有以下功能：当外界磁铁的N极接近具有锁定功能的霍尔接近开关时，接近开关的输出跳变为高电平；N极离开后高电平状态被保持；当外界磁铁的S极接近具有锁定功能的接近开关时，接近开关的输出跳变为低电平，S极离开后，低电平状态被保持。,具有锁定功能的霍尔式接近开关的应用(续),工作过程分析：具有锁定功能的霍尔式接近开关H随工作台向右运动。当H与丝杠右侧永久磁铁的S极距离小于某一数值时，H的输出由高电平跳变为低电平，通知控制系统停止工作台向右运动，并开始改为向左运动。当H向左运动到达左侧的永久磁铁N极附近时，H输出重新跳变为高电平，从而实现工作台的左右往复运动。,3不带永久磁铁霍尔式接近开关的应用,有一些霍尔式接近开关的端部没有封装永久磁铁圆片，必须依赖外界的永久磁铁构成磁场回路。此种情况下，必须增加永久磁铁。外界永久磁铁的S极必须朝向霍尔式接近开关。,磁铁S极,图9-34d 软铁分流式转速测量示意图,永久磁铁和霍尔式接近开关的安装平面保持额定的间隙。软铁制作的分流翼片与运动部件联动。当它移动到永久磁铁与霍尔式接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分流），无法到达霍尔式接近开关，所以霍尔式接近开关输出为高电平；当霍尔式接近开关与永久磁铁之间处于分流翼片的空隙位置时，输出为低电平。,如果分流翼片连续旋转，则霍尔式接近开关输出连续脉冲。改变分流翼片的宽度可以改变霍尔式接近开关输出的高电平的占空比q。,霍尔式接近开关用于转速测量演示,n,=,60,f,4,(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的脉冲信号经整形后，可以确定被测物的转速。,S,N,霍尔器件,磁铁,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出低电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，磁力线从上下侧通过，输出为高电平。,4汽车ABS,当汽车紧急刹车时，使汽车减速的外力主要来自于地面作用于车轮的摩擦力，即“地面附着力”。而地面附着力的最大值出现在车轮接近抱死而尚未抱死的状态。这就必须在汽车的前后轮各设置一套“防抱死制动系统”，又称为ABS。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,图9-36 磁电式汽车轮速检测原理（防抱死）,a）结构图 b）输出波形1齿圈 2磁极 3传感头线圈（或霍尔器件）4永久磁铁 z齿数 uo磁电线圈的输出脉冲电压 uo施密特整形后的输出脉冲电压,霍尔式无触点汽车电子点火装置,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,汽车点火线圈,高压输出电缆接头,12V低压电源输入接头,传统点火系统组成,霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理,桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图,1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）,a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系,汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成,磁铁,点火总成,霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,霍尔式无刷电动机,采用霍尔接近开关来检测转子和定子之间的相对位置，经编码和逻辑换向电路，触发功率开关，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。,1定子底座 2定子铁心 3霍尔开关 4三相绕组线圈 5外转子 6转轴 7磁极,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子永磁磁极之间产生连续转矩。具有效率高、无火花、可靠性强等特点。,电动自行车的无刷电动机及控制电路,去速度控制器,利用PWM调速,永磁无刷电动机的定子,由定子、永磁转子、位置传感器及换相电路组成，定子绕组多采用三相星形方式连接。,光驱用的无刷电动机内部结构,拓展阅读轴承滚柱直径的检测及分选,一、轴承滚柱分选的要求,某轴承公司生产汽车所用圆柱滚动体（以下简称滚柱）。按汽车厂商的要求，一个轴承中的滚柱直径必须均匀（但允许整体略大或略小），偏差范围为0.5m，并与轴承的内外套的公差匹配，否则将造成汽车运行噪声和振动超标。该轴承公司原采用人工测量和分选不同直径滚柱，效率低，且易造成误测、误分组。该公司希望对车间生产的滚柱直径进行自动测量和分选。,一、轴承滚柱分选的要求（续）,技术指标及具体要求如下：滚柱的标称直径为10.000mm，允许公差范围为3m，超出公差范围均予以剔除（分别落入正偏差和负偏差两个废料箱中）。在公差范围内，滚柱的直径从9.997mm至10.003mm，分为AG共7个等级，分别落入对应的7个料箱中。滚柱直径测量的绝对误差应小于0.5m。滚柱的分选速度可在“人机界面”上调整，最高速度为60个/min，分选结果在液晶屏上显示。,电感式滚柱直径分选装置（放大图见后页）,图9-38 滚柱直径分选机的工作原理示意图1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚柱 5落料管 6电感测微器 7钨钢测头 8限位挡板 9电磁翻板 10滚柱的公差分布 11容器（料斗）12气源处理三联件,图9-38 滚柱直径分选机的工作原理示意图,电感式滚柱直径分选装置,测微仪,圆柱滚子,电感式滚柱直径分选装置外形,滑道,分选仓位,轴承滚子外形,电感式滚柱直径分选装置外形2,落料振动台,滑道,11个分选仓位,废料仓,电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）,汽缸,控制小键盘,直径测微装置,长度测微装置,滑道,机械及气动元件,测量直径的电感测微器,汽缸,气水分离器（供气三联件）,储气罐,导气管,气压表（调整到0.4MPa左右）,二位五通电磁换向阀,驱动线圈,进气孔P,出气孔A,出气孔B,气缸,活塞运动方向,交流电磁铁,衔铁运动方向,衔铁,电感式滚柱直径分选界面,分选结果基本符合正态分布,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：http:/,2023年7月5日星期三,現在時間是：16:18 休息一下！,差动变压器式传感器的工作原理放大图,