传感器原理及应用.doc

《传感器与传感器技术》三级项目
《传感器原理及应用》三级项目报告书

基于PLC的物料分拣系统设计

学 院：机械工程学院
班 级：13-1机械电子工程（卓越）
组 员：李响 夏中岩 张轩赫
贡 献 率：李 响 程序设计，优化 40%
夏中岩 资料整理，编辑 30%
张轩赫 PPT设计编写 30%
指导教师：边辉
完成日期：2016.05

目录
摘要 - 2 -
1 物料分拣系统简述 - 3 -
2 物料分拣系统中的传感器 - 3 -
2.1 电机起停控制传感器 - 3 -
2.2 物料计数用传感器 - 4 -
2.3 定位及速度控制传感器 - 5 -
2.3.1 增量编码器 - 5 -
2.3.2 固态继电器 - 6 -
2.4 物料分类用传感器 - 6 -
2.4.1色标传感器 - 6 -
2.4.2 电涡流式传感器 - 7 -
2.4.3 磁簧管 - 7 -
3 控制系统设计 - 7 -
3.1 硬件连接 - 7 -
3.2 程序编译 - 8 -
4 传感器前景展望 - 12 -
4.1 传感器在科技发展中的重要性 12 -
4.2 先进传感器的发展趋势 - 12 -
5 反思与收获 - 12 -
参考文献 - 13 -

摘要
在圆柱物料分拣系统的设计中，涉及到了多种物理量的测量，基于各个物理量的特性，分析其所应用的传感器，并且对比不同方案。在原系统中，采用漫反射接近开关与固态继电器控制系统起停，对射型红外传感器对圆柱物料计数，颜色传感器对物料进行分类，编码器控制物料位置与测量速度，电涡流传感器以区分金属物料与非金属物料以及区分不同高度的物料。在项目中采用PLC接受各传感器的信号并对系统进行控制，以实现物料分拣的目的。

1 物料分拣系统简述
物料分拣系统是生产生活中常见的工程系统之一，在实验室中对其进行简易的模拟，并通过对各项物理量的测量了解传感器的工作方式。
在物料分拣系统中，物料的材质、形状、颜色、数量；电机的起停、速度等，均由传感器控制。原始系统中采用漫反射接近开关对电机的起停进行控制；对射型红外传感器对物料进行计数与启动分拣程序；颜色传感器区分物料颜色以便于分拣；在系统中使用电涡流传感器用以区分物料材质与高度。系统由s7-300型PLC控制，各传感器采集到的物理量转换为电信号反馈到PLC控制系统中，以实现物料分拣的目的。
2 物料分拣系统中的传感器
在系统中所涉及到的同一物理量在实际的生产中可使用多种传感器进行测量与检测，不同的传感器的工作原理与工作方式不同，满足多种工况的需求。在下面将会具体的介绍系统中物理量所相应的传感器。
2.1 电机起停控制传感器
在对电机起停的控制中，采用接近开关来给予控制系统起停信号。接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），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。在本次项目设计中采用的是E3F-DS10P1漫反射光电接近开关
漫反射型光电开关是当开关发射光束时，目标会产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值可达到3米。其有效作用距离是由目标的反射能力所决定得，取决于目标表面性质和颜色性质；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离，对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。
接近开关除项目中所使用的漫反射接近开关外，还有基于其他传感器检测性质的接近开关，例如电感式、电容式、霍尔式等接近开关。其对比如下表：
表2-1-1 接近开关对比
种类
功能原理
检测对象
特点
光电式
目标产生漫反射，当有足够强的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，
任意物体
适用于各种工作条件，对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感，工作距离一般较远。
电感式
金属目标接近这一磁场，其内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件。
金属物体
只能检测到金属物体的接近，应用不广泛。
电容式
物体移向接近开关时，使电容的介电常数发生变化，改变电容值，使得检测电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的通断。
任意物体
能够改变其极板间介电常数的物体均能触发该传感器。检测距离与接近物体的介电常数相关，一般对金属有较大的检测距离。
霍尔式
磁性物件移近霍尔开关时，开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，进而控制开关的通断。
磁性物体
只能检测磁性物体的接近，适用面比较窄。但其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。

2.2 物料计数用传感器
在物料分拣系统中，对物料的计数是其中重要的一环。对物料统一计数，由传感器采集信号送入PLC系统后实现。系统物料的计数与分拣程序触发使用E3F-5DP1对射型红外光电传感器。
对射型红外光电开关是一种脉冲式的光电开关，其由投光器和受光器组成，结构上互相分离，分别敷设电缆；作用为辨别不透明的物体，并产生脉冲信号送入PLC控制系统；作用的有效距离大，而且光束仅需跨越一次感应距离；抗干扰能力强，在野外或者有灰尘的环境中依然能够可靠地使用；但由于两个单元都必须敷设电缆，所以设备的消耗比较高。
由于对射型红外光电开关接受光信号工作，所以使用时应该注意避免强光源，以防止相互干扰；在安装时需要考虑到物料表面情况，调整相对安装位置，以避免镜面角度影响；在使用某些反射扩散式时，需注意排除高反射率背景物的影响。振动噪音等会影响到投，收传感器的稳定性，在使用时需要注意不能超出传感器自诊断作用的调节范围。
2.3 定位及速度控制传感器
在物料分拣系统中，传送带的速度是其重要的物理量，它影响着系统的工作效率与各项基础数据的确定。物料随着传送带运动，到达分拣位置后被推下，在这过程中，由于物料的性质不同（材料，形状等）传送带分别以不同的速度运动。分拣位置的选择与确定则需要传感器对其进行定位。在此系统中，测速及定位所选用的传感器为增量编码器，调速使用传感器为固态继电器。
2.3.1 增量编码器
编码器用于测量旋转速度、角度、加速度、长度等，有体积小、质量轻、安装方便、性价比高的显著特点。一般编码器可分为增量编码器和绝对值编码器。增量编码器价格相对便宜，一般用来测试速度与方向也可以用于角度测量，但在掉电或电源出现故障时位置信息丢失；绝对值编码器传送在一转中每一步的唯一的位置信息，位置信息一直可用,即使在掉电或电源出现故障时一般用于角度测量、往复运动。但其价格相对较高，物料分拣系统可用增量编码器实现物料的定位，使物料在准确的位置停下。不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。AB两相的可通过相位差来辨别方向，单向的不能辨别方向。

系统使用的HN3806-400-AB-N增量编码器可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。
2.3.2 固态继电器
系统使用的固态继电器是KS1-10DD，由光控晶闸管和发光二极管组合构成。其主要传感器部分为光控晶闸管。光控晶闸管的特点是门极区集成了一个光电二极管，触发信号源与主回路绝缘，它的关键是触发灵敏度要高。光控晶闸管控制极的触发电流由器件中光生载流子提供。光控晶闸管阳极和阴极间加正压,门极区若用一定波长的光照射,则光控晶闸管由断态转入通态。为提高光控晶闸管触发灵敏度，门极区常采用放大门极结构或双重放大门极结构。为满足高的重加电压上升率,常采用阴极发射极短路结构。小功率光控晶闸管常应用于电隔离，为较大的晶闸管提供控制极触发；也可用于继电器、自动控制等方面。在物料分拣系统中，选用固态继电器控制电机起停，由接近开关提供控制信号。
固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。
2.4 物料分类用传感器
物料分拣系统中的重要的识别功能需要由传感器来完成，通过读物料的识别，来判断其应该分拣到何处，这也是物料分拣系统的核心功能。在搭建的物料分拣系统试验台中，采用色标传感器来区分深色与浅色物料，线位移传感器（电涡流传感器）用来区分金属与非金属物料以及区分金属物料高度，此两种传感器将四种物料区分开来。气缸作为分拣动作的执行机构，由磁簧管标识与检测气缸状态。
2.4.1色标传感器
色标传感器常用于检测特定色标点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。色标传感器实际是一种反向装置，光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。使用单色光源（即绿色或红色LED）的色标传感器就其原理来说并不是检测颜色，它是通过检测色标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的。
系统中所使用的BZJ-411色标传感器采用的是光发射接收原理，发射调制光，接受被测物体的发射光，并根据其信号的强弱来区分不同的颜色，识别物料是否在此处推下。该系列传感器综合了光学技术，半导体电子技术，调制解调技术，采用了先进的SMT表面贴装工艺，具有灵敏性高，响应速度快，抗背景光干扰能力强，结构紧凑，使用方便等特点。
2.4.2 电涡流式传感器
系统选用的是JCW-18SR线位移传感器，其工作原理是金属在通有交流电的线圈附近形成电涡流，从而反作用于线圈，使线圈感量、阻抗和品质因数发生变化，在电路中表现为电压或电流的变化，作为信号送入控制系统中，以实现测量被测量的目的。
电涡流式传感器是一种电感式传感器，其只能检测到金属物料，该种传感器结构简单、灵敏度高、测量线性范围大。电涡流探头的线圈阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、表面因素、距离等，只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。所以在此系统中用作金属物料与非金属物料的区分以及作为线位移传感器区分不同高度的金属物料。金属物料接近时，能够检测到传感器与物料的间隙变化，即得到计数的脉冲信号，经过放大，整形后便能获得方波信号，进而进行甄别区分。
2.4.3 磁簧管
本物料分拣系统中使用磁簧管判断气缸状态并将信号送入PLC。磁簧管通常由两个软磁性材料做成的、无磁时断开的两个金属簧片触点。该簧片触点被封在充有惰性气体或真空的玻璃管中，玻璃管内平行封装的簧片端重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成常开或常闭触点。其相对于机械开关结构简单，体积小，速度高，工作寿命长；与电子开关相比，具有抗负载冲击能力强等优点。工作可靠性很高。

3 控制系统设计
在三级项目的实施过程中，分拣系统的工作有s7-300PLC控制，各输入端口接受来自传感器的信息，经过系统处理后输出信号，来控制气缸和电机的工作。控制系统设计过程分为两个部分，硬件连接和程序编译。
3.1 硬件连接
ee99其输入输出接口对应硬件如下表：

表3-1-1 硬件I/O分配表
硬件
I/O接口
色标传感器
I1.1
增量编码器
I1.2
光电对射开关
I0.0
漫反射光电开关
I0.1
干簧管1
I0.3
干簧管2
I0.2
干簧管3
I0.5
干簧管4
I0.4
干簧管5
I0.7
干簧管6
I0.6
线位移传感器
PIW752
气缸
Q0.0
气缸
Q0.1
气缸
Q0.2
继电器
Q0.3
调速
PQB 2
按照I/O分配表连接电路，根据I/O地址，编写程序。
3.2 程序编译
程序所需要实现的功能有：控制电机的起停，自动调节速度，色标传感器区分深色浅色物料。线位移传感器甄别金属物料与非金属物料并区分金属物料的高度。其具体程序如下。

程序段6：
线位移识别检测铁块，高块3缸推，低缸2缸推

程序段7：定时推下

程序段9 气缸2动作并调成低速

4 传感器前景展望
在本次讨论课中，我们以物料分拣系统中所涉及到的物理被测量来引出在课程学习中所涉及到的常见的传感器，并对其进行分类介绍。但随着科技的日益进步，各式各样的新型传感器也越来越多，除了基础的机械类传感器，生物、化学等传感器也渐渐出现在生产生活实际中。其未来无可限量。
4.1 传感器在科技发展中的重要性
人类进入信息时代之后，社会活动将主要依赖对信息资源的开发，获取，传输与处理。而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已经为全世界所公认。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器技术的依赖性就越大。传感器技术是现代信息技术的基础。
4.2 先进传感器的发展趋势
先进传感器有两层含义，其一是与传统的常见传感器相比较而言，它是指近年来研制成功的新型传感器。其二是指利用先进的科学技术研制开发出来的。在先进传感器的研制过程中，基础是发现新的物理、化学、生物效应来作为传感器的基本原则，并开发出能够承载其功能的新型材料。譬如应用了超导量子力学的隧道效应的约瑟夫逊效应传感器和各种的气体传感器、有机传感器等。开发新的加工工艺也是发展新型传感器必不可少的条件之一。
对于未来的传感器，我们所追求的是微型化，智能化，多功能集成化。并且要追求扩展检测的上下极限，致力于光、机、电、算的多技术结合，并且向这生物化学型传感器方向靠拢。迄今为止，人类所能获得的传感器在性能上远远逊色于生物器官这种自然造物，所以在仿生学上来研究传感器将会有极大地发展潜力。
5 反思与收获
传感器在我们的生活中处处可见，我们常用的手机与电脑，路上的汽车，教室的投影仪，家里的空调等工作时都离不开传感器的作用。此次的三级项目是在讨论课的基础上完成的，加深了对课程知识的理解。在项目进行的过程中，对整个物料分拣系统的工作方式进行了剖析，分析其所使用传感器的类型与优缺点，通过对传感器工作形式的了解，使用PLC梯形图语言成功的完成了物料分拣系统的设计。对传感器和plc有了新的认识。并且由此深化了解了传感器的发展前景，对未来的传感器进步方向有了初步的认识，将传感器与PLC程序控制有机结合起来，增强了对实际问题的解决能力，为将来在实际工作中能够熟练地使用相关工具打下了良好的基础。
参考文献
1. 何道清, 张禾. 谌海云. 《传感器与传感器技术》. 科学出版社. 2015
2. 刘亮 《先进传感器及其应用》. 化学工业出版社. 2005
3. 高国富，罗均，谢少荣，李小鸥. 《智能传感器及其应用》. 化学工业出版社. 2005
4. 周旭. 《现代传感器技术》. 国防工业出版社. 2007

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