开关量检测.ppt

项目一,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,目录,工业中大量出现使用开关量检测的情况，如检查工件有无、物体移动是否到位等，这些信号均可以认为是开关量。事实上，工业中很多控制并不是复杂的模拟量或者数字量信号，而是简单的开关量，指示工作系统如何进行运转。,开关量检测,通过对接近开关电路的分析与制作，理解和掌握接近开关的基本工作原理，了解各种接近开关的环境特性和使用方法，并能识别接近开关的基本参数，能使用简单的工具判断接近开关工作是否正常。,任务一认识接近开关,知识目标,通过试验光电型接近开关的检测和通断特性，了解接近开关的使用方法。,技能目标,任务一认识接近开关,接近开关又称为无触点行程开关，它的任务是检查特定环境下的特定工件有无状态，输入信号一般为工件与传感器之间的距离，输出信号一般为电压。,知识链接,任务一认识接近开关,霍尔效应型接近开关是将检测磁性物体的霍尔效应元器件集成至一个传感器继电器中。霍尔效应型接近开关只能检测磁性物体。霍尔效应型接近开关具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长、灵敏度高、工作频率高等特点，能在各种恶劣环境下可靠稳定地工作。,任务一认识接近开关,一、霍尔效应型接近开关,1.,霍尔效应,霍尔效应（,Hall Effects,，,1879,）：运动电荷在磁场作用下受到洛伦茨力，如图把,N,型半导体薄片放在垂直磁场中并沿,ab,方向通电，在,cd,方向上产生电场，其电动势大小为：,V,h,=,K,h,iBsin,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中,N,型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。,N,型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同,N,型锗。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。,2.,霍尔元件,霍尔元件是根据霍尔效应，使用半导体材料制成的元件。一般具有对磁场敏感、结构简单、输出电压变化较大及寿命长等优点。,其可分为线性霍尔元件和开关型霍尔元件两种。线性霍尔传感器,由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，输出为模拟量；,开关型霍尔传感器,由稳压器、霍尔元件、差分放大器和施密特触发器等组成，输出为开关量。,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,霍尔元件的结构简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：,1,、,1,两根引线加激励电压或电流，称为激励电极,(,或控制电极,),；,2,、,2,引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示。,任务一认识接近开关,霍尔元件,任务一认识接近开关,通常，霍尔电势的转换效率比较低，为了获得更大的霍尔电势输出，可以将若干个霍尔元件串联起来使用。而在霍尔元件输出信号不够大的情况下，可以采用运算放大器对霍尔电势进行放大，如图所示。当然，最好还是采用集成霍尔传感器。,霍尔电动势的放大,任务一认识接近开关,3.,霍尔元件的性能参数,1)额定激励电流,使霍尔元件温升10时所施加的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流以获得较高的霍尔电势输出，但是由于受到最大允许温升的限制，可以通过改善霍尔元件的散热条件，使激励电流增加。,任务一认识接近开关,2,),灵敏度,K,H,霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍尔电势值，称为霍尔元件的灵敏度。,任务一认识接近开关,3,),输入电阻和输出电阻,霍尔元件激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。,任务一认识接近开关,5,),寄生直流电动势,在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。,产生寄生直流电势的原因有：激励电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果；两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。,寄生直流电势一般在1mV 以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。,任务一认识接近开关,6)霍尔电势温度系数,在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1/左右。,4.,霍尔开关,利用霍尔效应集成封装和组装工艺制作而成，可把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，具备工业实际应用易操作和可靠性。霍尔开关输入端以磁感应强度,B,来表征，当磁场达到一定值后，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,5.,霍尔传感器的应用,1),霍尔式位移传感器,霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用。,任务一认识接近开关,这种传感器灵敏度很高，但它所能检测的位移量较小，适合于微位移量及振动的测量。,霍尔式移位传感器的工作原理,任务一认识接近开关2,),霍尔式转速传感器,转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,3,),霍尔计数装置,霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上。它由霍尔元件、放大器、电压调整电路、电流放大输出电路、失调调整及线性度调整电路等几部分组成，有三端T形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。它的特点是输出电压在一定范围内与磁感应强度成线性关系。霍尔开关传感器SL3501 是具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件进行计数检测。,任务一认识接近开关,霍尔计数装置,任务一认识接近开关,二、光电效应型接近开关,光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器件。光电器件的种类很多，但其工作原理都是建立在光电效应这一物理基础上的。光电器件的种类主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电耦合器件。,1.,光电效应,光电效应：光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,光电效应,光电子发射,光电导效应,光生伏打效应,任务一认识接近开关,外光电效应,金属表面在光辐射作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子,内光电效应,光电阻效应和光生伏打（电池）效应。,任务一认识接近开关,光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器件。光电器件的种类很多，但其工作原理都是建立在光电效应这一物理基础上的。光电器件的种类主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电耦合器件。,任务一认识接近开关,2.,光电管,光电管由玻璃壳、两个电极(光电阴极K 和阳极A)、引出插脚等组成。是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K，球心放置小球形或小环形金属作为阳极A。当阴极K 受到光线照射时便发射电子电子被带正电位的阳极A 吸引，朝阳极A 方向移动，这样就在光电管内产生了电子流，从而在外电路中便产生了电流。,光电管的典型结构,任务一认识接近开关,光电管的结构与真空光电管的结构基本相同，所不同的是充气光电管球内充了低压惰性气体。当光电极被光线照射时，光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，从而使阳极电流急速增加，因此增加了光电管的灵敏度。,任务一认识接近开关,光电管的伏安特性曲线：是指当光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系曲线。如图1-12所示为真空光电管的伏安特性曲线；而图1-13所示为充气光电管的伏安特性曲线。通过观察这两种伏安特性曲线图，在阳极电压的一段范围内，阳极电流不随阳极电压的变化而变化，达到了比较稳定的饱和区。这就是光电管的工作静态点。选择光电管的工作参数点时，就应选在光电流与阳极电压无关的区域内。,任务一认识接近开关,真空光电管伏安特性,充气光电管伏安特性,任务一认识接近开关,3.,光电倍增管,光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，顾名思义是把微弱光信号转变成电信号且进行放大的器件,。,光电倍增管的典型结构和工作原理,任务一认识接近开关,标准光源发出的光经过聚光系统被聚焦在单色仪的入射狭缝S1 上，通过单色仪的色散作用，在其出射狭缝处可以获得单色光。此单色光功率被光电倍增管所接收放大后，在阳极A 上产生相应的电信号，可以由数字电压表直接读出。调整单色仪的色散系统(鼓轮)，可以改变单色仪输出光的波长，就可以得到光电倍增管在不同波长的光照射下产生的阳极电信号。,任务一认识接近开关,光电倍增管的测量原理,任务一认识接近开关,4.,光敏电阻,光敏电阻是一种基于光电效应制成的光电器件，光敏电阻没有极性，相当于一个电阻器件。,光敏电阻的测量原理,任务一认识接近开关,光敏电阻的外形与结构,5.,光电二极管和光电三极管,光电二极管：光电二极管具有单向导电性质，当光线照射时，二极管处于导通状态，否则近于断路状态。没有光照时反向电流极其微弱，称暗电流；有光照时反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。,任务一认识接近开关,光电三极管：二极管电流很小，通过三极管形式将电流放大形成光电三极管。,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其 PN 结对光敏感。将其 PN 结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在 PN 结上。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光电器件。,光敏二极管的工作原理和结构,任务一认识接近开关,光敏三极管的工作原理和结构,任务一认识接近开关,6.,光电耦合器,光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光敏复合管等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。,任务一认识接近开关,1)光电耦合器,光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。,光电耦合器常见的组合形式,任务一认识接近开关,光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器，它具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合,。,2,）光电开关,光电开关：,利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无,。,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,优点,适合于不完全透明的任何物体，包括非金属。,缺点,对环境要求高,任务一认识接近开关,用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低电平”(1-0)之分即可。,光电开关的基本电路,任务一认识接近开关,三、感应型接近开关,置于变化磁场中的块状金属导体或在磁场中作切割磁力线的块状金属导体，则在此块状金属导体内将会产生旋涡状的感应电流的现象称为电涡流效应，该旋涡状的感应电流称为电涡流，简称涡流。,感应式传感器也称为涡流式传感器，由振荡器、开关电路及放大输出电路三部分组成。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的电磁感应参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通断。,任务一认识接近开关,任务一认识接近开关,感应接近开关原理,实训目标,探索和熟悉接近开关的性能特征，包括检测敏感距离和回程误差，了解光电型接近开关的一般使用方法，掌握普通三线制接近开关的接线规则。,实训一接近开关的特性检测,实训一接近开关的特性检测,实训一接近开关的特性检测,注意事项,（,1,）安装接线时，需要注意电源正负极不能接反，接线时应避免与滑台产生干涉。,（,2,）接近开关敏感面应正对木块，应选择木块较为光滑的面作为检测面，检测面应垂直于位移方向。,（,3,）试验中滑台应尽可能缓慢移动，否则会产生惯性误差，影响检测结果的准确性。,实训一接近开关的特性检测,通过了解不同材料对接近开关的敏感特性，熟悉在特定场合中应用接近开关的特点，从而掌握应用接近开关进行工业检测的一般规律。,任务二接近开关的应用（一）,知识目标,通过铁质材料、铝材料、铜材料、木块、小磁体等对不同接近开关的敏感性检测，试验各种材料对接近开关的通断性能的影响。从不同材料的敏感距离测定中得出选择合适接近开关传感器的规律。,技能目标,任务二接近开关的应用（一）,开关电源作用就是把一个高电压等级的工频交流电变换成一个低电压等级的直流电，将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是,DC/DC,转换器。,一、开关电源的基础知识,任务二接近开关的应用（一）,1.,主电路,任务二接近开关的应用（一）,整流与滤波,输入滤波器,逆变,输出整流与滤波,冲击电流限幅,1,2,3,4,5,2.,控制电路,控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定；另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。,任务二接近开关的应用（一）,3.,检测电路,检测电路提供保护电路中正在运行中的各种参数和各种仪表数据。,4.,辅助电源,辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（,PWM,等芯片）工作供电。,任务二接近开关的应用（一）,使用上，开关电源工作效率一般可达到,80%,以上，故在其输出电流的选择上，应准确检测或计算用电设备的最大吸收电流，并且按照此电流的,1.51.8,倍选择开关电源的额定电流或者功率，以使被选用的开关电源具有高的性价比。,二、开关电源的选择与使用,任务二接近开关的应用（一）,开关电源一般均具有过流、过热、短路等保护功能，使用时应注意保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。一般开关电源的接线方法如下。,L,：接,220 V,交流火线。,N,：接,220 V,交流零线。,FG,：接地。,G,：直流输出的地。,任务二接近开关的应用（一）,+5 V,（以,5 V,为例，其他同理）：输出,+5 V,电压的端口。,ADJ,：在一定范围内调节输出电压，开关电源上输出的额定电压本来出厂时是固定的，也就是标称额定输出电压，设置此电位器可以让用户根据实际使用情况在一个较小的范围内调节输出电压，一般情况下不需要调整。,任务二接近开关的应用（一）,实训目标,探索多种接近开关对不同材料的敏感特性，检测其敏感距离，了解不同接近开关的一般使用特点，掌握工业实践中检测系统组装的初步方法。,实训二 接近开关对不同材料的敏感性检测,实训二 接近开关对不同材料的敏感性检测,实训二 接近开关对不同材料的敏感性检测,实训二 接近开关对不同材料的敏感性检测,注意事项1,）接线时，需要注意开关电源中的动力线和输出不能混接。,（,2,）接近开关敏感面应正对检测材料的对应面，检测面应垂直于位移方向，否则会产生检测误差。更换检测材料时，长方体和接近开关对应面应保持不变。,（,3,）试验中，滑台应尽可能缓慢移动，否则会产生惯性误差，影响检测结果的准确性。,实训二 接近开关对不同材料的敏感性检测,接近开关广泛应用于工业领域，如使用接近开关联合数显表进行物料个数的统计，为控制系统提供信号是接近开关的基本作用，常应用于生产线的分袋包装，如食品个数或重量达到一定值后进行分袋包装，又如微小型原料准备个数统计等，均可利用接近开关传感器系统进行统计。,通过了解接近开关的应用规律，进一步掌握应用接近开关进行工业计数检测的方法。,任务三接近开关的应用（二）,知识目标,配合使用数显表，使用霍尔接近开关完成转动次数的测量，了解一般工业中使用接近开关的计数统计功能。,技能目标,任务三接近开关的应用（二）,数字或字母显示的仪表叫做数显表。一般，输入信号为开关量和模拟量，经过计数电路或者模拟量转换为数字量（,A/D,转换），采用数码发光二极管（,LED,）或液晶屏幕来完成显示功能，作为检测器件的显示终端和人机界面。,一、数显表简介,任务三接近开关的应用（二）,数显表功能：,任务三接近开关的应用（二）,显示数值,控制器,计数器,网络终端,任务三接近开关的应用（二）,1.,东崎SV8,智能传感器和变送器控制专用数显表,（,1,）开关电源,100240 V AC,供电。,（,2,）输入多种标准信号，有,050 mV,、,010 V,、,420,mA,、可变电阻、,TC/RTD,等，并能使用软件自动进行调节。,（,3,）具有小数点设定、比率、量程及零点自由调整功能。,二、数显表规格与应用,任务三接近开关的应用（二）,（,4,）带隔离变送功能，隔离,485,通信功能。,（,5,）带,24/12 V DC,辅助电源，两路报警输出。,（,6,）精度等级为,0.3%FS,。,（,7,）应用范围有二线制变送器、压力传感器、四线制称重传感器等，具有,mA,、,mV,和,V,输出或者电阻类检测的传感器检测设备。,任务三接近开关的应用（二）,任务三接近开关的应用（二）,2.DTR-600,系列智能光柱调节仪,光柱调节仪（显示表）使用光柱长短或高低替代数字，并且可以自行调节合格范围。光柱显示仪表可以很方便地应用各个行业中。,任务三接近开关的应用（二）,主要应用在与各类传感器、变送器配合使用，可对温度、压力、液位、流量、重量等工业过程参数进行检测、显示、报警控制、变送输出、数据采集及通信。具备二次开发能力，以满足特殊的功能，模块化结构，功能组合、系统升级方便。,任务三接近开关的应用（二）,挑选一个适用、经济和性价比最佳的数显表与设备配套应从以下几个方面考虑。,(1),如果旧设备改造，需要充分了解原来设备的用途、型号、原来使用表头的外形尺寸和型号、配合的传感器等，这是进行设备改造的基础。,(2),若是研制新型产品，需要设定检测需要达到的目标值。,在认真了解以上内容后，针对仪表的用途、特点和技术参数，在同一系列数显表中逐一比较，选择合适产品定型。,三、数显表的选用,任务三接近开关的应用（二）,实训目标,在直流电动机转轴上设置小磁体，使用霍尔开关检测转动周数，将其信号接入数显表，通过数显表显示在一定时间内的转动次数。,实训三使用接近开关检测转动次数,测量转动次数的霍尔接近开关计数系统如图,1-19,所示,实训三使用接近开关检测转动次数,实训三使用接近开关检测转动次数,注意事项,（,1,）数显表、开关电源和直流电动机控制器的电源相和输出（入）相严禁混接，在接线完毕后应进行检查。,（,2,）电机输出轴粘接小磁体时，以输出轴上的键表面作为基准。调整霍尔开关敏感面与小磁体对应面的位置和姿态时，应遵循由远至近的原则，防止电动机输出轴和霍尔开关产生碰撞的现象。,实训三使用接近开关检测转动次数,（,3,）一般多功能数显表拥有多种不同模式，对应于不同的测量方式。在计数测量时，需要调整模式代码，设定专用的计数模式，才能在测量中中正确地显示数值。,实训三使用接近开关检测转动次数,思考与练习,1.,设想一个使用光电接近开关测量转速的方案。,2.,使用数显表配合接近开关设计一个方案，测量传送带上输运物料的个数。,3.,上网查找一个接近开关的生产厂家，并介绍其生产接近开关的型号和应用场合。,思考与练习,