位置传感器课件.ppt

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1、位置传感器,位置传感器,什么是位置传感器？位置与位移有区别吗？,位置传感器与位移传感器的区别,位置，位移传感器都可以分为电感式，电容式，超声波式，霍尔式。 位置传感器和位移传感器不一样，位置传感器有时也叫接近开关，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已达到某一位置。因此它不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的开关量就可以。位置传感器有接触式，接近式。 位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面的位置变化。位移有线位移和叫位移两种。,主要内容,位置传感器的介绍,接触式位置传感器,接近式位置传感器,曲轴位置传感器,节气门位置传感器,实物展示,位置传感器,概念：能感

2、受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。它所测量的不是一般距离的变化量，而是通过检测，确定是否已达某一位置。,根据检测方式：接触式，接近式接触式：行程开关，二维矩阵式接近式：电磁式、光电式、差动变压式、电涡流式、电容式、干簧管、霍尔式、超声波式,接触式,行程开关（限位开关、位置开关）,行程开关： 利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。原理与按钮类似。,通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定的位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。,行程开关（限位开关、位置开关）,构成：操作头、触电系统、外壳。,按结构分类

3、：直动式（按钮式），滚轮式（旋转式），微动式，组合式。,直动式行程开关,1-推杆 2-弹簧 3-动断触点 4-动和触点,直动式开关原理图,行程开关符号,行程开关的应用,日常生活中：洗衣机和录音机的应用，主要起连锁保护作用。工业：行程开关主要用于将机械位移转变成电信号，使电动机的运行状态得以改变，从而控制机械动作或用作程序控制。与其他设备配合，组成更复杂自动化设备。机床上：用它控制工作运动或自动进刀的进程，避免发生碰撞事故。特点：结构简单、动作可靠、价格低廉。,二维矩阵式,安装在机械手掌内侧，在手掌内侧常安装有许多个二值触觉传感器，用于检测自身与某个物体的接触位置。,接近式位置传感器,接近开关是

4、指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，它无需和物体直接接触。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的。它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。,接近式位置传感器的分类,位置传感器,光电式位置传感器,光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。,光电式位置传感器,概念：利用光电效应做成的开关叫光电式接近开关。 将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。工作原理：当有反光（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光

5、后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。如图：,光电式位置传感器的构成,构成：光源、光学通路、光电元件,光电三极管依据光照的强度控制集电极电流的大小。当无光照射时，光电三极管无电流，T2截止，Vout为高电平。当光照达一定强度时，T2导通，Vout为低电平。,光电式接近开关的应用,进行产品流水线上的产量统计，对装配件是否到位及装配质量进行检测。例如灌装时瓶盖是否压上，商标是否漏贴，以及送料机是否断料。,图一 送料机构检测示意图,瓶子灌装检测示意图,光电式位置传感器应用, 智能车循迹。 在要求较高的传真机上。 门窗防盗控制。 自动扶梯自动启动。 汽车通过检测。汽车喷涂控制。在烟草机械上都被广

6、泛的使用。,光电式接近开关的特点,注意事项 ：在环境比较好、无粉尘污染的场合；光电接近开关工作时对被测对象没有影响。,特点：动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。缺点：光学器件和电子器件价格贵，对测量的环境条件要求高。,涡流式接近开关,概念：这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。,涡流式接近开关,工作原理：由电感线圈和电容及晶体管组成振

7、荡器，并产生一个交变磁场，当有金属物体接近这一磁场时就会在金属物体内产生涡流，从而导致振荡停止，这种变化被后极放大处理后转换成晶体管开关信号输出。,涡流式接近开关,特点：电感式传感器具有结构简单、抗干扰性能， 开关频率高，大于200HZ；只能感应金属；它的响应频率高、抗环境干扰性能好、应用范围广，价格较低。特别适合用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液位测量，,涡流式接近开关的应用,被广泛应用于各种自动化生产线，机电一体化设备及石油化工、军工、科研等多种领域，在物理实验中也有应用。1.利用电感式接近开关制作光电门,涡流式接近开关的应用,2.利用电感式

8、接近开关自动计算器。3.利用电感式接近开关制作报警器。,电容式接近开关,工作原理 ：电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，便可控制开关的接通。 工作流程图：,电容式接近开关,这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。特性：开关的响应频率低，但稳定性好。安装时应考虑环境因素的影响。,电容式接近开关的应用,它是一种新型的无触点传感元件，可供进行饮料、食品、医药、轻工、家电、化工、机械运行中的行程控制和限位

9、保护，自动生产上的物位检查，食品和饮料的包装、分检，液面控制，物料的计数、侧长、测数等等。此外，它还可以衍生开发多种多样的二次仪器仪表和防盗报警器、水塔水位控制等日用电器。,典型应用实例,最聪明的水龙头：电容式感应式,典型应用实例,电容式接近开关在物位检测控制中的使用：,霍尔式接近开关,霍尔效应：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。表达式为U=KIB/dd是薄片厚度 霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。,霍尔式接近开关,概念：霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工

10、艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。,霍尔式接近开关,工作原理：霍尔开关的输入端式是以磁场强度B来表示的，当B达到一种程度时，霍尔元件内部的触发电路翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转，进而控制开关的通或断。注意：输出端一般采用晶体管输出，类似有NPN、PNP、常开型，常闭型、锁存型、（双极性）双信号之分。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。安装时要注意磁铁的极性，磁铁极性装反无法工作。,霍尔式接近开关,内部原理图及输入输出的转移特性和接线图如下：,霍尔式接近开关,特点：它不仅具有无触点，无开关瞬态抖动，高可靠，长寿命

11、等特点，又有很强的负载的能力和广泛的功能，特别是在恶劣的环境下，它比目前使用的电感式，电容式，光电式等接近开关具有更强的抗干扰能力。应用：霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。,接近开关,与接触开关比，接近开关具有以下的特点优点：1、非接触检测物的运行工况 2、不产生机械疲劳损伤，工作寿命长 3、响应快，一般响应时间可达几毫秒或几十毫秒 4、采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强。 5、无触点、无火花、无噪音，所以适用于要求防爆的场合。 6、输出信号大，易于与计算机或可编程控制器(PLC)等接口。,接近开关,7、体积小，安装、调整方便。缺点：触点容量较

12、小，输出短路时易烧毁。主要用途：接近开关在航空、航天技术以及工业生产中都 有广泛的应用。 在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门，自动热风机上都有应用。 在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在测量技术中，如长度，位置的测量；在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关。,接近开关的选型,对于不同的材质的检测和不同的检测距离。应选择不同的接近开关，选型应遵守以下原则：当检测金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍，A3钢类检测体检测最灵敏。当检测为非金属材料时，如：木材，纸张，塑料，玻璃

13、和水等，因采用电容式接近开关。金属体和非金属体要进行远距离检测和控制时，因选用光电型接近开关或超声波型接近开关。对于检测体为金属时，若检测灵敏度不高，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。,接近开关的选型,一般的工业生产场所，通常都有涡流式接近开关和电容式接近开关，因为这两种接近开关对环境的要求低。在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开关。光电接近开关工作时对被测对象几乎无任何影响。因此，在要求较高的传真机上，在烟草机械上都被广泛地使用。在防盗系统中，自动门通常使用热释电接近开关、超声波接近开关、微波接近开关。有时为了提高识别的可靠性，上述几种接近开关往往被复合使用。无论

14、选用哪种接近开关，都应注意对工作电压、负载电流、响应频率、检测距离等各项指标的要求。,发动机上常用的位置传感器,曲轴位置传感器,概述：发动机电子控制系统的主要部件，点火系统和燃油 喷 射系统共用的传感器。作用：是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入电子控制 单元以便确定点火时刻和喷油时刻。安装位置：曲轴皮带轮或链轮侧面，或凸轮轴前端或分电器。,曲轴位置传感器的分类,磁电感应式位置传感器,磁感应原理 根据电磁感应定律，当W匝线圈在均匀恒磁场中运动时，设穿线圈的磁通为，则线圈的感应电势e为： 磁感应式传感器组成：信号转子、传感线圈、永久磁铁。,磁电感应式位置传感器,磁感应式曲轴位置传感器,工作

15、原理当信号转子按顺时针旋转时如图a，转子凸齿与磁头间的气隙减小，磁路磁阻减小，磁通量增大，转子凸齿接近磁头边缘时，磁通量急剧增多，磁通变化率最大，感应电动势最高，如图中曲线b点所示。但转子旋转到凸齿的中心线与磁头的中心线对齐如图b，虽然转子凸齿与磁头间的气隙最小，磁路的磁阻最大，但是由于磁通量不再增加，磁通率为零，因此感应电动势e为零c点。,磁感应式曲轴位置传感器,当转子沿顺时针方向继续旋转，凸齿离开磁头时如图c，凸齿与磁头间的气隙增大，磁路的磁阻增大，磁通量减少。所以感应电动势e为负值，当凸齿转到将要离开磁头边缘时，磁通量急剧减少，磁通变化率达到负向最大值。感应电动势e也达到负向最大值，如图

16、中曲线上d点所示。 由此可见，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期的交变电动势，即电动势出现一次最大值和最小值，传感线圈也就相应地输出一个交变电压信号。,磁感应式曲轴位置传感器,磁感应式曲轴位置传感器的特点：（1） 不需要外加电源，永久磁铁起着将机械能转换为电能的作用，磁能不会损失。 （2）发动机转速越高，磁通变化率也就越大，传感线圈中的感应电动势也就越高。应用： 应用最广泛日系车系、丰田车系、韩国大宇车,光电式曲轴位置传感器,由信号发生器和带光孔的信号盘组成。结构,光电式曲轴位置传感器,结构信号盘（遮光盘）：安装在分电器轴上，随分电器轴一起转动，外围均布有360个光孔，靠内均布

17、有6个光孔，其中有一个较宽的光孔。,光电式曲轴位置传感器,光源（发光二极管）：两只发光二极管通过对遮光盘两圈光孔正对着两只光敏二极管。光接收器（光敏二、三极管）：接收发光二级管的光信号，转换为电信号。,光电式曲轴位置传感器,原理 ： 遮光盘旋转，当外圈孔对准光源时，光接收器导通，输出高电平；当孔离开光源时，光接收器截止输出低电平。遮光盘不停旋转，产生脉冲信号。 这种传感器一般用在日 系车比如：日产公爵、 日产蓝鸟、日产三菱等,霍尔式曲轴位置传感器,结构、原理 利用霍尔效应原理，对曲轴位置进行检测。（叶片触发式、轮齿触发式） 1-霍尔半导体元件 2-永久磁铁 3-挡隔磁力线叶片,霍尔式曲轴位置传

18、感器,轮齿触发式霍尔式曲轴位置传感器组成由具有触发齿轮的信号盘和霍尔传感器组成作用：为ECU(电子控制元件)提供计算曲轴转角和发动机转速所需的信息。,霍尔式曲轴位置传感器,原理发动机不停地运转，产生数字脉冲信号，信号的频率随发动机转速增大而增大。,曲轴位置传感器,几种曲轴位置传感器的优缺点,节气门位置传感器,节气门位置传感器又称节气门开度传感器开关。安装在节气门体上节气门轴的一端。随着驾驶员对加速踏板的控制，节气门位置发生改变。,节气门位置传感器,节气门位置传感器实质是一电位计，如图所示，它的内部结构主要由可变电阻、滑动触点、怠速触点等组成，怠速触点与滑动触点随节气门轴一起转动。,节气门位置传

19、感器,节气门位置传感器,工作原理：发动机怠速时，节气门关闭，怠速信号端与地端接通，怠速信号端输出低电平。当节气门开度增大，怠速触点顺时针旋转，怠速信号端与地端断开，怠速信号端输出高电平；同时滑动触点也顺时针旋转，电源端与信号端之间的电阻增加，信号端输出电压增加。信号端输出的电压增加反映了节气门位置的开度，即发动机的负荷。,节气门位置传感器的作用,将节气门开度（即节气门位置传感器的作用发动机负荷）大小转变为电信号输入发动机ECU（电子控制元件）以便确定空燃比的大小。在装备电子控制自动变速器的汽车上，节气门位置传感器信号还要输入变速电控元件，作为确定变速器换挡时机和变矩锁止时机的主要信号。 一方面

20、用来确定节气门的开度位置，另一反应节气门的开闭速度。,节气门位置传感器的类型,按结构不同，节气门位置传感器分为触电式、可变电 阻式、触点与可变电阻组合式三种类型。 按输出信号的类型的不同，节气门位置传感器可分为线性（量）输出型和开关（量）输出型2种。,节气门位置传感器,编码式节气门位置传感器（开关（量）输出型）结构与作用：IDL触点（用以检测怠速状态）；PSW触点（用于检测高负荷状态），ACC1和ACC2（用于检测加减速状态）。安装位置：安装在节气门室上，与节气门连动。,节气门位置传感器,工作原理：（1）怠速时,节气门位置传感器,（2）加速时,节气门位置传感器,（3）高负荷时,节气门位置传感器,（4）减速时,节气门位置传感器,输出特性,节气门位置传感器,线性可变电阻型节气门位置传感器（线性（量）输出型）（1）结构组成：可变电阻、滑动触点、节气门轴、壳体。,节气门位置传感器,工作原理：触点在电阻体上滑动，利用变化的电阻值，测得与节气门开度对应的线性输出电压吧，根据输出的电压值，可知节气们开度。节气门开度输出信号VTA则使ECU对喷油量进行控制，以获得相应的功率。随着节气门开度的增大，节气门开度输出电压线性增大。,