机械工程检测技术-第7章开关量和数字量的测量.pdf
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1、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
2、)、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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