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1、第十九章传感器与自动检测系统第十九章传感器与自动检测系统第十九章传感器与自动检测系统第十九章传感器与自动检测系统一一、差动变压器的典型应用差动变压器的典型应用二二、接近开关的推广应用接近开关的推广应用三三、差动电容式加速度差动电容式加速度 传感器的典型应用传感器的典型应用四四、CCDCCD图像传感器的典型应用图像传感器的典型应用五五、光电传感器的典型应用光电传感器的典型应用随着科学技术的发展随着科学技术的发展，电电 子技术特别是微电子技术的发子技术特别是微电子技术的发 展展，促进了传感与检测技术的促进了传感与检测技术的 迅速发展迅速发展，其应用领域也在迅其应用领域也在迅 速扩大速扩大，从人们日
2、常生活的衣从人们日常生活的衣 食住行到各种复杂的工程系统食住行到各种复杂的工程系统 随处都可以看到传感与检测技随处都可以看到传感与检测技 术的实际应用术的实际应用根据所讲述的差动变压器根据所讲述的差动变压器互感式传感互感式传感器的工作原理器的工作原理、特性和测量电路特性和测量电路，可以制作可以制作出各种各样的应用于工业现场的传感器出各种各样的应用于工业现场的传感器。图图19. 119. 1是是 STSSTS- -040040互感式压力传感器结构原互感式压力传感器结构原理的示意图理的示意图，实际上它是把压力转变成铁芯实际上它是把压力转变成铁芯微小位移的机构微小位移的机构，在通过差动变压器将微小在
3、通过差动变压器将微小位移转换成与其成比例的电信号位移转换成与其成比例的电信号一一、差动变压器的典型应用差动变压器的典型应用DC5VDC5V输出输出 160mV图图19.1 STS19.1 STS- -040040压力传感器原理结构图压力传感器原理结构图负载负载档块档块整流器整流器+-STS-040互感式压力传感器互感式压力传感器也叫张力传感器也叫张力传感器，因为在印刷包装机因为在印刷包装机 械对卷绕的箔膜械对卷绕的箔膜、纸张进行印刷纸张进行印刷、加工的加工的 过程中过程中，随处都存在张力随处都存在张力，当存在张力的当存在张力的 箔膜箔膜、纸张通过某些可以转动的辊或轴纸张通过某些可以转动的辊或轴
4、， 就可以把压力变成张力就可以把压力变成张力，进而转变成位进而转变成位 移移，产生代表当前张力大小的电信号产生代表当前张力大小的电信号，所所 以称之为压力传感器以称之为压力传感器收卷收卷加加工工区区张力控制器张力控制器张力控制器张力控制器E/PE/P变频器变频器传传感感器器传传感感器器制动电流制动电流磁粉制动器磁粉制动器放卷放卷张力控制区张力控制区1张力控制区张力控制区2图图19.2张力控制原理张力控制原理张力控制器内部包含有信号调理张力控制器内部包含有信号调理、放大放大 电路电路，PIDPID调节器等内容调节器等内容，如图如图19.319.3所示所示。控控 制器的前端与制器的前端与STSST
5、S- -040040张力传感器连接张力传感器连接，将来将来 自张力传感器的微弱信号进行调理自张力传感器的微弱信号进行调理、放大后放大后 送入送入PIDPID调节器调节器，经经PIDPID调节后产生输出控制调节后产生输出控制 信号信号，控制执行机构控制执行机构，产生适当张力产生适当张力，形成形成 闭环控制闭环控制张力传感器信号调理及放大电路PID调节产生张 力机构张力张力图图1919- -3 3张力控制器组成框图张力控制器组成框图简单的简单的PIDPID调节器可由电阻调节器可由电阻、电容电容 和运算放大器等元器件构成和运算放大器等元器件构成，这是经典这是经典 的模拟式的模拟式PIDPID调节器调
6、节器，模拟模拟（连续连续）PIDPID 控制系统的组成控制系统的组成: :比例调节器比例调节器比例比例+ +积分调节器积分调节器)()(tektup itpTdtte tektu0)( )()(比例+积分+微分（PID）调节器 dttdeT Tdtte tektuditp)()( )()(0pkiTdT式中比例放大系数 积分时间 微分时间KPKi/sKd/s对象r(t)-e(t)y(t)图19.4 PID控制系统框图比例控制能迅速反应误差， 从而减少稳态误差，但是比例控 制不能消除稳态误差，比例放大 系数的加大，会引起系统的不稳 定。积分控制作用时，只要系统 有误差存在，积分控制就不断积 累，
7、输出控制以消除误差。因 而，只要有足够的时间，积分控 制器将能完全消除误差，使系统 误差为零积分作用太强会使系统超调 加大，甚至使系统出现振荡；微 分控制可以减少超调量，克服振 荡，使系统的稳定性提高；同时 加快系统的动态响应速度，减少 调整时间，从而改善系统的动态 性能。应用PID控制，必须适当 的调整比例放大系数、积分时间 和微分时间，使整个控制系统得 到良好性能。接近开关是感知近距离内有接近开关是感知近距离内有、无物体的传无物体的传 感器感器，其输出是开关信号其输出是开关信号（高电平或低电高电平或低电 平平）。）。接近开关广泛应用于工业自动化接近开关广泛应用于工业自动化、自自 动控制系统
8、中动控制系统中，在现代工业现场中几乎无所在现代工业现场中几乎无所 不在不在。接近开关主要有以下几大门类接近开关主要有以下几大门类： 1.1. 电感式接近开关电感式接近开关（感知金属物体感知金属物体） 2.2. 电容式接近开关电容式接近开关（感知金属感知金属、非金属物体非金属物体） 3.3. 霍尔接近开关霍尔接近开关（感知磁性物体感知磁性物体） 4.4. 磁性干簧管接近开关磁性干簧管接近开关（感知磁性物体感知磁性物体）二、接近开关的推广应用 各类接近开关都有各自的特点和适用范围各类接近开关都有各自的特点和适用范围， 选用何种接近开关是根据检测选用何种接近开关是根据检测、控制要求以控制要求以 及现
9、场条件而定及现场条件而定。在自动控制设备中接近开在自动控制设备中接近开 关主要用于位置检测关主要用于位置检测、行程限位行程限位、计数计数、转转 速测量等速测量等，这些方面的应用例子很多这些方面的应用例子很多，工作工作 原理也比较简单原理也比较简单，下面介绍一个接近开关推下面介绍一个接近开关推 广应用的例子广应用的例子解算式张力控制解算式张力控制 在卷绕箔膜加工过程中在卷绕箔膜加工过程中，张力来源于阻力张力来源于阻力。 图图19.419.4中中，放卷张力来源于磁粉制动器对放放卷张力来源于磁粉制动器对放 卷轴的制动力卷轴的制动力，磁粉制动器的制动力与所施磁粉制动器的制动力与所施 加的电流成正比加的
10、电流成正比图图19.419.4 解算式张力控制原理解算式张力控制原理I I I IV V V VF F F FR R R Rx x x xR Rm m磁粉制动器磁粉制动器R Rx x放卷半径放卷半径R Rm m主轴半径主轴半径F F放卷张力放卷张力V V放卷线速度放卷线速度I I磁粉制动器电磁粉制动器电 流流根据力矩守恒原理根据力矩守恒原理，有有F FR Rx x= =K KI I （K K与磁粉制动器的特性有关与磁粉制动器的特性有关），），可知可知： F F= =K KI/RI/Rx x 为了保持张力为了保持张力F F恒定恒定，则则I/RI/Rx x必须必须 不变不变，但在箔膜加工过程中但在
11、箔膜加工过程中，放料卷半放料卷半 径径R Rx x随时间逐渐变小随时间逐渐变小，因此只有知道当因此只有知道当 前的前的R Rx x值值，并根据并根据R Rx x值调节磁粉制动器值调节磁粉制动器 的电流的电流I I才能使张力才能使张力F F保持恒定保持恒定如何求取的Rx值呢？根据线速度 相等的原理有：mxRwRwV10220w1w式中放料轴的角频率 主轴的角频率01 wwRRm x可得可得测量测量和和的方法很多的方法很多，但最简单但最简单 的还是接近开关的还是接近开关，因为他安装简单因为他安装简单、方方 便便，只需在放卷轴和主轴的末端各安装只需在放卷轴和主轴的末端各安装 一个齿数分别为一个齿数分
12、别为N N0 0和和N N1 1的齿盘的齿盘，再在齿再在齿 盘的上方安装接近开关即可盘的上方安装接近开关即可。当旋转的当旋转的 轴带着齿盘的齿从接近开关的端面转轴带着齿盘的齿从接近开关的端面转 过过，接近开关就产生一个脉冲接近开关就产生一个脉冲，计数计数N N0 0 个脉冲个脉冲，对应的放卷轴就转了一周对应的放卷轴就转了一周，同同 理理，个脉冲代表主轴转一周个脉冲代表主轴转一周 对于对于N N0 0= =N N1 1=1=1的齿盘的齿盘，则是最简则是最简 单的齿盘单的齿盘（不需齿不需齿），），这时只需在轴的这时只需在轴的 末端打个洞或装一颗螺丝钉就可以了末端打个洞或装一颗螺丝钉就可以了， 对应
13、的轴转一周对应的轴转一周，接近开关就产生接近开关就产生 一个脉冲一个脉冲0w1w随着现代旋转机机械转子转速的不随着现代旋转机机械转子转速的不 断提高断提高，作为直接影响旋转机机械工作作为直接影响旋转机机械工作 效率和可靠性的振动问题越来越突出效率和可靠性的振动问题越来越突出， 解决这一问题最有效的方法就是对其旋解决这一问题最有效的方法就是对其旋 转部分转部分（即转子即转子）进行高精度的平衡进行高精度的平衡。 转子的动平衡就是通过改变转子本身的转子的动平衡就是通过改变转子本身的 质量分布来达到其主惯性轴与旋转轴相质量分布来达到其主惯性轴与旋转轴相 重合的工艺过程重合的工艺过程，直到现在直到现在，
14、一种合理一种合理 的的、可靠的可靠的、适应现代技术发展的自动适应现代技术发展的自动 动平衡装置还不多见动平衡装置还不多见三三、差动电容式加速度传感器差动电容式加速度传感器 的典型应用的典型应用一一、动平衡机原理动平衡机原理 1 1、动平衡测试机原理动平衡测试机原理 超微型转子超微型转子（如专用汽车仪表如专用汽车仪表）动平衡测动平衡测 试机结构如图试机结构如图19.519.5所示所示，图中图中（a a）为其结构为其结构 示意图示意图；图中图中（b b）为转子支承系统振动简化为转子支承系统振动简化 的力学模型的力学模型k/2k/2Cm1e（b）被测转子转速传感器加速度传感器弹簧板振动桥（a） 图1
15、9.5动平衡测试机结构在不平衡量在不平衡量m m1 1e e的激励下的激励下，振动运动微分振动运动微分 方程为方程为002 012 sintemkxdtdx dtxdmm1m cke式中总质量 偏心质量 阻尼簧板的刚度偏心距稳态解为 0000sintAx2022 02 01 0 cmkemA2 00 0arctanmkc式中由于m、k、c的相位滞后角 是固定量，因此通过检测最大 位移A0、模拟角频率以及 便可以确定不平衡量m1e以及其 位置角。在实际动平衡测试机 中，由加速度传感器获得连续变 化的振动信号、转速传感器测量 转速、光电基准信号确定采样的 起始时刻，从而间接获得不平衡 量的幅度和位置000002 2、动平衡去重机原理动平衡去重机原理由测试机完成转子不平衡量幅度和相位由测试机完成转子不平衡量幅度和相位角的测试后角的测试后，要使转子运转平衡要使转子运转平衡，去重机根去重机根 据不平衡幅度的大小在微型转子的角度位置处据不平衡幅度的大小在微型转子的角度位置处 进行相应去重进行相应去重，从而使转子不平衡量减小从而使转子不平衡量减小。微微 型转子结构示意图如图型转子结构示意图如图19.619.6所示所示T TW WH H0图图19.619.6微型转子结构微型转子结构设转子需要去重的质量为设转子
