传感器原理及应用

基于物料分拣系统的传感器原理介绍

《传感器原理及应用》讨论课报告书

电感式传感器的基本原理及典型应用

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：李响资料查询，整理 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

基于物料分拣系统的传感器原理介绍

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 -

2.1.1 漫反射光电接近开关 ......................................................................... - 3 -

2.1.2 电容式接近开关 ................................................................................. - 4 -

2.1.3 霍尔接近开关 ..................................................................................... - 4 -

2.1.4 电感式接近开关 ................................................................................. - 4 -

2.1.5传感器应用比较 .................................................................................. - 4 -

2.2 物料计数用传感器 ........................................................................................ - 5 -

2.2.1 对射型红外光电开关 ......................................................................... - 5 -

2.2.2 电涡流式传感器 ................................................................................. - 5 -

2.2.3 霍尔传感器 ......................................................................................... - 6 -

2.3 测速及定位传感器 ........................................................................................ - 6 -

2.3.1 光电耦合器，码盘 ............................................................................. - 7 -

2.3.2 增量编码器 ......................................................................................... - 7 -

2.3.3 传感器功能对比 ................................................................................. - 7 -

2.4 物料分类传感器 ............................................................................................ - 7 -

2.4.1色标传感器 .......................................................................................... - 8 -

2.5 固态继电器 .................................................................................................... - 8 -

3 传感器前景展望 ....................................................................................................... - 9 -

3.1 传感器在科技发展中的重要性 .................................................................... - 9 -

3.2 先进传感器的发展趋势 ................................................................................ - 9 -

4 反思与收获 ............................................................................................................... - 9 - 参考文献 ..................................................................................................................... - 10 -

基于物料分拣系统的传感器原理介绍

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。在讨论课中，充分考虑到实际应用中的工况，增加电涡流传感器以区分金属物料与非金属物料并能够对金属物料进行计数。漫反射接近开关可由具体工况采用多种传感器进行替换，譬如电容传感器，电感传感器，霍尔传感器等。

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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，各继电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。产品有电感式、电容式、霍尔式、漫反射光电型。

2.1.1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。

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2.1.2电容式接近开关

电容式接近开关这种开关的测量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。

2.1.3霍尔接近开关

霍尔接近开关是基于霍尔效应所制作的一种开关型霍尔元件，属于这种有源磁电转换器件，是一种磁敏元件。它是在霍尔效应原理的基础上，把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关就是利用霍尔元件的这一特性制作的，它的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，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。输出端一般采用晶体管输出。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。

当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，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。

2.1.4 电感式接近开关

电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。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，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，从而达到非接触式之检测目的。

2.1.5传感器应用比较

接近开关避免了机械触点的接触，大大延长了工作寿命。上述的四种接近开关，分别基于不同的传感器原理制作而成，其适用于不同的工作情况。漫反射接近开关适用于各种工作条件，大部分的物体遮挡均能触发漫反射传感器，在实际的试验台搭建中我们

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所使用的传感器即为漫反射接近开关。其有效的工作距离取决于作用物体的表面性质，而且工作距离一般较远。电容式接近开关的接近物体也较为广泛，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。霍尔接近开关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。电感式接近开关只能检测到金属物体的接近。接近开关的选用应当结合生产工况，选择最准确，最经济的安装方案。

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。对物料统一计数以及对各类型物料区分计数，均可由传感器采集信号送入PLC系统后实现。系统物料的统一计数选用对射型红外传感器采集信号，金属物料与非金属物料的区分计数可用电涡流传感器采集金属物料的信号进行计数，磁性物料与非磁性物料可采用霍尔传感器进行区分信号采集。

2.2.1对射型红外光电开关

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。

2.2.2 电涡流式传感器

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。

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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，所以在此系统中用作金属物料与非金属物料的区分以及对金属物料的计数。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，进而进行计数。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。所以除区分计数功能外，还可以用作测量位移、振动、厚度、转速、温度等物理量，以及对金属材料进行无损探伤。但也正因如此，其测量结果容易受到其他因素影响，所以电涡流传感器多用于定性测量。在定量测量时，必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补偿等措施。

2.2.3 霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，其本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转，从而在霍尔元件两侧面产生霍尔电动势。接入电路中可作为变化的电压信号，经过应用电路调整后，转化为脉冲信号送入控制系统中，以实现对磁性物料及非磁性物料分类计数的目的。

霍尔传感器的霍尔电势决定了其灵敏度的高低，而霍尔电势取决于元件材料的载流子迁徙率和电阻率以及霍尔元件的厚度。所以霍尔传感器一般使用半导体材料制成，厚度取0.1mm左右。在计数功能中，传感器的电压变化转化为脉冲信号送入控制系统中，实际霍尔传感器在其中是作为接近开关使用的，所以对其温度误差和回零误差的纠正要求较为宽松。

霍尔传感器除了作为分类计数器外，还能够实现对位移、力、角度、加速度、电流、功率、转速等物理量的检测，但检测目标仅限于磁性物体。对各个物理量的检测本质上都是转化为其电动势的变化，通过不同的调整电路，获得所需信息。

2.3 测速及定位传感器

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

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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有光电耦合器与码盘组成的光电编码器或编码器，两者均通过对脉冲的计数来测速以及定位。

2.3.1 光电耦合器，码盘

将发光器件与光敏元件集成在一起而成，灵敏度高、反应能力快、抗干扰能力强。与码盘（也叫光栅盘）结合形成光电编码器。它通过码盘上的光栅可将码盘的转动转化为脉冲信号，再将脉冲送入控制系统的计数程序，通过计算可实现位移的测量，从而给物料准确的定位。

2.3.2 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。

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。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。

2.3.3 传感器功能对比

编码器和码盘都测量位移，实现物料的定位，两者所依据的原理相同。但实际中码盘为薄金属片，安装上后可能会受力变形，对结果造成误差，且单个码盘不能辨别运动方向，需有两个以上的码盘组协同检测。但码盘的价格低廉，对于精度不高的场合较为实用，编码器精度高，准确性好，且能实现绝对位置的测量，适用于要求较高的场合。

2.4 物料分类传感器

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

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中，采用物料颜色来区分不同的种类以确定其分拣操作所在位置。在这一过程中，选用色标传感器来实现这一功能。

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系列的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。

2.5 固态继电器

光控晶闸管和发光二极管组合可构成固态继电器，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

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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。

3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。

3.1 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。

3.2 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。

4 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。我们在这一次课程中，深入的了解

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了各个物理量的测量方法与各种传感器的应用条件和工作方式。而且此次讨论课是与三级项目相结合来完成的，更加强化了对三级项目任务的理解。在讨论课进行的过程中，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，并通过查询资料来寻找可实现同样功能的其他传感器并比较其优劣。对传感器有了新的认识。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，为将来在实际生活中能够更好地使用传感器打下了良好的基础。

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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3z1j.html