机械工程检测技术-第7章开关量和数字量的测量.pdf

机械工程检测技术第七章 开关量和数字量的测量本章要求了解开关量和数字量传感器的工作原理了解常用开关量传感器的工作原理及特点了解常用开关量数字量传感器的测量方法第七章 开关量和数字量的测量 7.1开关量的测量 7.2数字量的测量 7.3工程项目举例7.1开关量的测量接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（约 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，就可以发出“动作”信号，而不像机械式行 程开关那样，需要施加机械力。它给出的是开关信号（即高 电平或低电平），多数接近开关具有较大的负载能力，能直 接驱动中间继电器。接近开关分类常用的接近开关可分为电感式(多为电涡流式)、电容式、磁性干簧管式、霍尔式接近开关，它们的测量对象如下：(1)电涡流式(常称为电感接近开关)它只对导电良好 的金属起作用。(2)电容式 它对接地的金属或地电位的导电物体起作用,对非地电位的导电物体灵敏度稍差。(3)磁性干簧管它只对磁性较强的物体起作用。(4)霍尔式它只对磁性物体起作用。接近开关特点(1)非接触检测，不影响被测物的运行工况；(2)不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；(3)响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；(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、无噪声，所以适用于要求防爆的场合(防 爆型)；(6)输出信号大，易于与计算机或PLC等接口；(7)体积小，安装、调整方便。它的缺点是“触点”容量较小，输出短路时易烧毁。接近开关的主要性能指标(1)额定动作距离 在规定的条件下所测定到的接近开关的动作 距离(单位为mm)o(2)工作距离 接近开关在实际使用中被设定的安装距离。在此 距离内，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。(3)动作滞差 指动作距离与复位距离之差的绝对值。滞差大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗于扰能力就强。(4)重复定位精度它表征多次测量动作距离。其数值的离散性 的大小一般为动作距离的1%5%。离散性越小，重复定位精 度越高。(5)动作频率 指每秒连续不断地进入接近开关的动作距离后又 离开的被测物个数或次数。图7.1接近开关的几种结构形式a）圆柱形b）平面安装型c）方形d）槽形e）贯穿型f）外形7.1.1接近开关的规格及接线方式手幅 二路高频 磁场接近开关(R OUT(黑)I 4GND(a)三线制接近开关(b)NPN、OC门常开输出电路接法UoHAxUoL|(0.3V)-L_III 丁O XminXO Xmax X(c)NPN型接近开关的特性图7.2接近开关的一种典型三线制接线方式及特性7.1.3电容接近开关1.电容接近开关的结构及工作原理电容接近开关的核心是以电容极板作为检测端的LC振荡器，圆柱形 电容接近开关的结构及原理框图如图7.4所示。两块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内，并用介质损耗很 小的环氧树脂充填、灌封。当没有物体靠近检测极板时，检测上、下极板之间的电容量C非常小,它与电感（在测量转换电路板3中）构成高品质因数的LC振荡电路，Q=1/u）CRo当被检测物体为导电体（例如金属、水等）时，检测上、下极板经 过与导电体之间的耦合作用，形成变极距电容C2o LC振荡电路中的 电容c可以看成是g、C2的串联结果，电容量c比圆柱形电容接近开关未 靠近导电体时增大了许多，引起LC回路的Q值下降，输出电压U。下降，Q值下降到一定程度时振荡器停振。2.电容接近开关应用实例4 5 67(a)电容接近开关结构3+一+一+LC振荡电路检波器图7.4圆柱形电容接近开关的结构及原理框图1-被测物2-检测上极板3-检测下极板4-充填树脂5-测量转换电路板 6-塑料外壳7-灵敏度调节电位器8-工作指示灯9-三线电缆7.1.4磁性干簧管接近开关应用实例干簧继电器中的干簧管接近开关其实是一种十 分简单的传感器，它与一块磁铁就可以组成接近开 关。它在水位控制、电梯“平层”控制、防盗报警 等方面得到应用，其优点是体积较小，触点可靠性 较高，属于“无源”传感器。干簧继电器(a)外形(b)侧视图o+6V(c)H形干簧管(d)驱动电路图7.5干簧继电器1-外壳2-驱动线圈3-干簧管4-引脚5-玻壳6-磁性簧片7.5霍尔接近开关应用实例图7.6霍尔接近开关应用示意图a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式 1-运动部件2-软铁分流翼片7.1.6光电开关及光电断续器光电开关与光电断续器都是用来检测物体的靠近、通过 等状态的光电传感器。近年来，随着生产自动化、机电一体 化的发展，光电开关及光电断续器已发展成系列产品，其品 种及规格口增，用户可根据生产需要，选用适当规格的产品,而不必自行设计光路和电路。从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续 器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电 开关的检测距离可达几米至几十米。1光电开关的结构和分类反射型分为：反射镜反射型；被测物漫反射型（简称 散射型）散射型安装最为方便，只要不是全黑的物体均能产生 漫反射。散射型光电开关的检测距离与被测物的黑度有关,一般较小，只有几百毫米。用户可根据实际需要决定所采 用的光电开关的类型。光电开关类型及应用(a)遮断型(b)反射镜反射型(c)散射型图7.7光电开关类型及应用1-发射器2-接收器3-被测物4-反射镜2.光电断续器光电断续器的工作原理 与光电开关相同，但其光电 发射、接收器做在体积很小 的同一塑料壳体中，所以两 者能可靠地对准，为安装和 使用提供了方便，它也可以 分为遮断型和反射型两种(a)遮断型(b)反射型图7.8光电断续器1-发光二极管2-红外光3-光敏元件4-槽5-被测物6-透光孔(a)防盗门的位置检测(b)印刷机械上的送纸检测(c)线料连续检测(d)瓶盖及标签的检测(e)电子元件生产流水线检测7.2数字量的测量数字式传感器与其他传感器（如电感、电涡流、电容等 传感器）不同，它可以直接给出抗干扰能力较强的数字脉冲 或编码信号，既有很高的精度，又可测量很大的位移量，测 量准确度与量程基本无关。数字量的测量以数字式位置传感器为主，除了广泛应用 于数控机床中，进行位置伺服控制之外，还可用于测量工具,使传统的游标卡尺、千分尺、高度尺等实现了数显化，读数 过程变得既方便、又准确。本节主要介绍常见的数字式位置 传感器旋转编码器和光栅两种。721.旋转编码器旋转编码器又称码盘或角编码器，是一种旋转式角度测 量传感器，它与被测旋转轴连接，随之转动，如图7.1 0,将 被测轴旋转的角位移转换为二进制编码或一串脉冲。角编码 器有两种基本类型：绝对式编码器和增量式编码器。根据内 部结构和检测方式的不同，旋转编码器有接触式、光电式、磁阻式等形式。旋转编码器应用1.接触式编码器接触式编码器属于绝对式角度检测装置，是将被测角 度直接进行编码的传感器。如图7.1 1所示是一个四位二进 制接触式码盘。它在一个不导电基体上做成许多有规律的 导电金属区，其中涂黑部分为导电区，用“1”表示，其他 部分为绝缘区，用“0”表示。码盘分成4个码道，在每个码 道上都有一个电刷，电刷经取样电阻接地，信号从电阻的“热端”取出。这样，无论码盘处在哪个角度上，该角度 均有4个码道上的“1”和“0”组成的4位二进制编码与之对 应。码盘最里面一圈轨道是公用的，它和各码道所有导电 部分连在一起，接激励电源的正极。接触式编码器由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置是固定的，当码盘 随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置就发生相对变化。若电刷接触 到导电区域，则该回路中的取样电阻上有电流流过，产生压降，输出为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，输出为“0”，由此可根据电刷 的位置得到由“1”、“0”组成的4位二进制码。例如，在图7.1 1 b中可以 看到，此时的输出为0101。从以上分析可知，码道的圈数（不包括最里面的公用轨道）就是二 进制的位数，且高位在内、低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制 码盘，就有n圈码道，且圆周被均分为2n个数据，来分别表示其不同位置,所能分辨的角度a（即分辨力）为 二=360。，/分辨率为1/2%2.绝对式光电编码器绝对式光电码盘如图7.1 2所示。图中的黑白区域不表示 导电区和绝缘区，而是表示透光或不透光区。其中黑的区域 为不透光区，用“0”表示；白的区域为透光区，用“1”表示。这样，在任意角度都有对应的二进制编码。与接触式编码盘 不同的是，不必在最里面一圈设置公用码道，取代电刷的是 在每一码道上都有一组光电元件。绝对式光电码盘(a)构造第1栅道第2栅道第3栅道第4栅道 第5栅道 第6栅道IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII min II UIIIIII(b)栅道数3.增量式编码器增量式光电码盘结构示意图如图7.1 3所示。光电码盘 与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层 不透光的金属铭，然后在边缘制成向心的透光狭缝。透光 狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这 样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。增量式光 电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均 匀分布的透光槽。2 3 4 5 6增量式光电码盘结构I外形（b）内部结构图7.1 3增量式光电码盘结构示意图1-转轴2-发光二极管3-光栏板4-零位标志槽 5-光敏元件6-码盘7-电源及信号线连接座光电编码器为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其 距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+l/4）倍，m为正整数，并 设置了两组对应的光敏元件，如图7.1 3中的A、B光敏元件，有时 也称为cos、sin元件。光电编码器的输出波形如图7.1 4所示。为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图 7.1 3中的“零位标志槽”。码盘每转一圈，零位标志槽对应的光 敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图7.1 4中的Co脉冲。47.2.2光栅传感器1.光栅的类型和结构光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅 主要是利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定,而在检测中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透 射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于 O.lpmo另外，计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次 之高，非常适用于动态测量。(a)外观图5(b)剖面图图7.1 6直线光栅外观及内部结构剖面示意图1-铝合金外壳尺身2-读数头3-电缆4-带聚光镜的LED 5-标尺光栅 6-指示光栅7-装有光敏元件的游标8-密封唇9-信号处理电路2.光栅的工作原理在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一 起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅 的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，如图7.1 7中a-a线所示；在两 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，如图7.1 7中b-b线所Zps o这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻 线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置（如图7.1 7中的sin或cos位置）安装两只光敏元件（有时为4只）。当指示光栅沿x轴自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带（图7.1 7 中的a-a线和b-b线）将顺序自下而上（图中的y方向）不断地掠过光敏元 件。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅 移动一个栅距光强变化一个周期，光栅位移与光强及输出电压的关 系如图7.18所小o图7.1 7等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹（琼0）莫尔条纹特征(1)莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的 刻画误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线 不均匀引起的误差。(2)当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔 条纹则沿光栅刻线方向移动(两者的运动方向相互垂直)；指示光栅反向移动，莫尔条纹反向移动。(3)莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光 栅与主光栅刻线夹角而改变。由于。很小，所以其关系可 用下式表示：W WL-h sin 0 0莫尔条纹特征(4)莫尔条纹移过的条纹数 与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时,若光栅移动了x(也就是移过 了 1 0 0 x条光栅刻线)，则从 光电元件面前掠过的莫尔条 纹也是1 0 0 x条。由于莫尔条 纹比栅距宽得多，所以能够 被光敏元件所识别。将此莫 尔条纹产生的电脉冲信号计 数，就可知道移动的实际距 离了。乂。图7.1 8光栅位移与光强及输出电压的关系3.光栅的辨向及细分（1）辨向原理如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论 光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦 信号，是无法分辨移动方向的。为此，必须设置辨向电路。可以在沿光栅线的y方向上相距（m1/4）L（相当于电相角 1/4周期）的距离上设置sin和cos两套光电元件。这样就可以 得到两个相位相差tt/2的电信号$和c，经放大、整形后得 到Uos和Uoc两个方波信号，分别送到计算机的两路接口，由 计算机判断两路信号的相位差。当指示光栅向右移动时，滞后于%c；当指示光栅向左移动时，以超前于c。计算机据此判断指示光栅的移动方向。(2)细分细分又称倍频细分。由前面的讨论可知，当两光栅相对移 过一个栅距W时，莫尔条纹也相应移过一个L,光敏元件的 输出就变化一个电周期2tt。如将这个电信号直接计数，则光 栅的分辨力只有一个的大小。为了能够分辨比1/1/更小的位 移量，必须采用细分电路。细分电路能在不增加光栅刻线数(线数越多成本越高)的 情况下提高光栅的分辨力。该电路能在一个的距离内等间 隔地给出n个计数脉冲。细分后计数脉冲的频率是原来的n倍,传感器的分辨力就会有较大的提高。通常采用的细分方法4 倍频法、16倍频法等，可通过专用集成电路来实现。7.3工程项目举例7.3.1 检测电车行使中的位置实例应用光传感器应用磁性传感器r/充气管若靠近磁铁,蕤点就闭合磁簧开关（也称簧片开关）由于磁铁的接近，而将接点（导磁体）吸到闭合位置。s_ _ _7磁铁簧片开关（b）传感器原理7.3.2自动化生产线物料分类实例开关量传感器广泛应用在自动化生产线中，模拟自动化 生产线的对物料进行分类时，就是利用不同的开关量传感器 检测三种气缸零件，零件类型分别为：(1)银色金属气缸;(2)黑色塑料气缸;(3)红色塑料气缸。1.光电传感器利用光电传感器对黑色工件无反射信号，而其它工件有反射信号的特 点，来检测工作台上有无黑色工件。2.电容传感器利用电容式传感器对所有工件都有反应的特点，来检测工作台上有无 工件。3.电感传感器利用电感式传感器只对金属工件有反应的特点，来检测工作台上有无 金属工件。检测结果通过开关量传感器传送到可编程控制器的一个字节内，通过 分析三个传感器的位状态来判断当前工件类型，如传感器有反应为“1”,没有反应为“0”。0 0 0 0 0 光电 电容 电感字节的检测结果(1)0000 0111(2)0000 0010(3)0000 0110(07H)(02H)(06H)银色金属气缸;黑色塑料气缸;红色塑料气缸。