传感器技术应用基础讲稿.ppt
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1、传感器技术应用基础,上海电机学院 仲葆文 2011.8.3,什么是传感器传感器的作用和地位传感器的定义、组成和分类方法,一、传感器的概念,在我们日常生活中,使用着各种各样的传感器:电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;煤气灶中的煤气泄漏传感器;水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;照相机中的光传感器;汽车中燃料计和速度计等等,不胜枚举。,1.什么是传感器,眼(视觉)耳(听觉)鼻(嗅觉)皮肤(触觉)舌(味觉),感知外界信息 大脑 肌体,人体系统和机器系统比较,人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号,将这些信号传送给大脑,大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这
2、一过程,计算机相当人的大脑,执行机构相当人的肌体,传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长,因之又称为“电五官”。,传感器与“五官”的类比,测控系统,人,从广义的角度来说,信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。,测酒仪,指纹仪,2.传感器技术的作用和地位,构成现代信息技术的三大支柱是:传感器技术(信息采集);通信技术(信息传输);计算机技术(信息处理);它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的 信息,而传感器是获取信息的主要途径和手段。,目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用,传感器对检测和自动化技术所起的作用远比
3、家用电器所起到的作用大的多。(FMS、CIMS、无人驾驶汽车、大型发电机组监测、过程控制等)传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事领域(目标跟踪、导弹制导、自动探测、通信指挥系统等)、航空航天(卫星测控、海洋探测)、现代办公设备、智能楼宇、生物工程、环境保护、安全防范和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。现代工业生产尤其是自动化生产过程中,需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数,传感器是自动控制系统的关键基础器件,直接影响到自动化技术的水平。,工业生产,机器人,视觉:平面、立体非视觉:触觉、热觉、力觉、接近觉、,火星探索者,智能玩具,阿富汗参加反恐作
4、战的“赫耳墨斯”价值4万美元,可携带2架摄像机,发挥了很好作用。,军事领域,高性能武器平台的基础,精确打击,医疗诊断,家用电器,智能楼宇,DDC,门禁系统,门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,指纹门禁,射频卡门禁,湿度测量,专为您的需求所设计的湿度传感器,烟气测量,火灾探测,常德大火,传感器具有以下作用和功能(1)测量与数据采集(2)检测与控制(3)诊断与监测(4)辅助观测仪器(5)资源探测(6)环境保护(7)医疗卫生(8)家用电器,传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说:几乎每个现
5、代化项目,以至各种复杂工程系统,都离不开各种各样的传感器。由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。,3.传感器的定义、组成和分类方法3.1 传感器定义,广义:传感器是一种能把特定的信息(物理、化学、生物)按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义:能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准(GB766587)对传感器(Sensor/transducer)定义是:能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。,以上定义表明传感器有以下含义:能按一定规律将被测量转换成电信号输出;传感器的输出与输入之
6、间存在确定的关系;按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器。,3.2 传感器的组成,传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成:,敏感元件感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量;基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。,敏感元件,转换元件,基本电路,电量输出,被测量,电参量,元件式传感器组成框图:,敏感元件敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电信号部分使输出为规定的标准信号的装置称为变送器,结构式传感器组成框图:,传感器的组成举例,压力传感器,3.3 传感器的图形
7、符号,3.4 传感器的分类,传感器分类方法较多,大体有以下几种:1)按变换原理的科学范畴分类 物理传感器 化学传感器 生物传感器,)按传感器的输出信号分类 模拟传感器数字传感器(含频率输出、开关输出),)按传感器的信号变换特征分类 结构型传感器 物性型传感器,5)按传感器的能源分类 有源传感器(能量转换)无源传感器(能量控制),4)按传感器的转换原理分类 机电传感器 光电传感器 热电传感器 磁电传感器 电化学传感器,6)按传感器的被测量分类 位移传感器 压力传感器 温度传感器 流量传感器 速度传感器,接近开关超声波传感器火灾传感器光传感器在智能照明控制系统中的应用智能小区周边防范系统无线传感器
8、网络在安防报警领域中的应用,二、常用传感器及其应用,1.常用的接近开关应用简介,在各类开关中,有一种对接近它的物体有感知能力的元件位移传感器。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,这就是接近开关。当有物体移向接近开关,并接近到一定距离时,位移传感器才有“感知”,开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。,接近开关的主要用途,接近开关在航空、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
9、置。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。,接近开关种类 因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成,而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同,所以常见的接近开关有以下几种:(1)涡流式接近开关(2)电容式接近开关(3)霍尔接近开关(4)光电式接近开关(5)热释电式接近开关,1.1 涡流式接近开关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的接近开关时,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。,电感式
10、接近开关可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。分类:通用型:主要检测黑色金属(铁)。所有金属型:在相同的检测距离内检测任何金属。有色金属型:主要检测铝一类的有色金属。,电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场,当金属物体接近传感器检测面时,金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量,使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态,转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号,经功率放大后输出。,电感式接近开关的工作原理,振荡电路中的线圈L产生一个高频磁场。当目标物接近磁场时,由于电磁感应在目标物中产生一个感应电流(涡
11、电流)。随着目标物接近传感器,感应电流增强,引起振荡电路中的负载加大。然后,振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测,并输出检测信号。,接近开关的基本形状a)圆柱形 b)方形,接近开关的输出元件一般是晶体三极管,根据晶体管的类型不同,接近开关分为NPN型输出或PNP型输出,在连接到PLC上时应注意选择合适的类型。,接近开关输出电路a)NPN型 b)PNP型,接近开关引脚的输出形式,接近开关引出的接线根据接近开关的输出形式的不同,分为2线、3线及4线等几种。1)两线制接近开关有源两线制接近开关分直流与交流,此类接近开关的特点就是引出线为两根线,负载与接近开关串联后接到电源上。直流两线制接近开关分二极
12、管极性保护与整流桥极性保护,前者在接电源时需要注意极性,后者就不需要注意极性。交流两线制接近开关就不需要注意极性。,两线制接近开关a)二极管极性保护 b)整流桥极性保护,2)直流三线制(或四线制)接近开关,直流三线式接近开关的输出元件是晶体三极管,当三极管导通时,相当于一个接点(常开或常闭)导通,此类接近开关的输出引线为3根线。直流四线制接近开关与三线制相同,只是同时提供一个常闭和一个常开输出,有4根线引出。,接近开关引脚的识别,接近开关的输出引线一般应按说明书或标签上给出的接线图用导线颜色加以识别。在有些品牌的接近开关给出的接线图上,导线颜色采用英文缩写,分别为:BK(BLACK)黑色:一般
13、为输出线,输出为常开。BN(BROWN)棕色:一般为电源线,接电源正极。BU(BLUE)蓝色:一般为电源线,接电源负极。WH(WHITE)白色:一般为输出线,输出为常闭。RE(RED)红色:一般为电源线,接电源正极。YE(YELLO)黄色:一般为输出线,输出为常闭。在绝大部分情况下,输出引线为棕、黑、蓝、白等4种颜色(三线制的为棕、黑、蓝),也有少部分品牌采用红、蓝、白、黄等4种颜色(三线制的为红、蓝、白)。此时红、蓝、白、黄等颜色即代替了一般情况下的棕、黑、蓝、白等颜色,分别作为电源正极、输出常开、电源负极及输出常闭使用。,1.2 电容式接近开关接近开关中的电容由两块平行的金属板构成。一般可
14、通过改变板之间的距离、相对面积、或介质属性所引起的电容量变化来反映相应的位移量变化。,电容式接近开关的测量面通常是构成电容器的一个极板,而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时,不论它是否为导体,由于它的接近,总要使电容的介电常数发生变化,从而使电容量发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化,由此便可控制开关的接通或断开。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。,电容式液位开关,1.3 霍尔接近开关霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关,叫做霍尔开关,也称为磁性开关。当磁性物件移近霍尔开关时,开
15、关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化,由此识别附近有磁性物体存在,进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。,金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。这是由科学家爱德文霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。,在霍尔器件背后偏置一块永久磁体,并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内,做成一个探头,将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来,构成霍尔接近传感器。,霍尔接近传感器和接近开关,当磁性物件移近霍尔开关时,开关检测面上
16、的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化,由此识别附近有磁性物体存在,进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置,完成所需的位置控制,加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点,内部采用环氧树脂封灌成一体化,所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。,这是最常用的霍尔开关,它的直径为12毫米,固定时只要在设备外壳上打一个12毫米的园孔就能轻松固定,长度约30毫米,背后有工作指示灯,当检测到物体时红色LED点亮,平时处于熄灭状态。,右图的霍尔流量计
17、壳体内装有一个带磁体的叶轮,磁体旁装有霍尔开关电路,被测流体从管道一端通入,推动叶轮带动与之相连的磁体转动,经过霍尔器件时,电路输出脉冲电压,由脉冲的数目,可以得到流体的流速。若知管道的内径,可由流速和管径求得流量。,霍尔流量计,霍尔流量计,霍尔液位传感器,霍尔器件装在容器外面,永磁体支在浮子上,随着液位变化,作用到霍尔器件上的磁场的磁感应强度改变,从而可测得液位。,有触点式的磁性开关用舌簧开关(干簧管)作磁场检测元件。舌簧开关成型于合成树脂块内,并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。一般用于气缸位置检测的都是磁性开关。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料,如硬铝、不锈钢等。
18、在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环,这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置,即检测活塞的运动行程的。,当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时,舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引,触点闭合;当磁环移开开关后,簧片失磁,触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号,在控制器(如PLC)的自动控制中,可以利用该信号判断气缸的运动状态或活塞所处的位置。,磁性开关与plc的接线 磁性开关有蓝色和棕色2根引出线,使用时蓝色引出线应连接到PLC 输入公共端,棕色引出线应连接到PLC输入端。(系为三菱FX2n系列PLC)。磁性开关的内部电路如下图中虚线内所示。,
19、磁性开关内部电路,1.4 光电式接近开关利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面(被检测物体)接近时,光电器件接收到反射光后便在信号输出,由此便可“感知”有物体接近。,按照接收器接收光的方式的不同可分为:1)漫射型 2)对射型 3)反射型,1)漫反射型光电传感器,漫射式光电开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的,由于物体反射的光线为漫射光,故称为漫射式光电接近开关。它的光发射器与光接收器处于同一侧位置,且为一体化结构。在工作时,光发射器始终发射检测光,若接近开关前方一定距离内没有物体,则没有光被反射到接收器,接近开关处于常态而
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