傳感器開(kāi)關(guān)量和數(shù)字量的測(cè)量應(yīng)用案例
接近開(kāi)關(guān)又稱無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)。它能在一定的距離（約幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無(wú)物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)，而不像機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)那樣，需要施加機(jī)械力。它給出的是開(kāi)關(guān)信號(hào)（即高電平或低電平），多數(shù)接近開(kāi)關(guān)具有較大的負(fù)載能力，能直接驅(qū)動(dòng)中間繼電器。
常用的接近開(kāi)關(guān)可分為電感式（多為電渦流式）、電容式、磁性干簧管式、霍爾式接近開(kāi)關(guān)，它們的測(cè)量對(duì)象如下：
（1）電渦流式（常稱為電感接近開(kāi)關(guān)） 它只對(duì)導(dǎo)電良好的金屬起作用。
（2）電容式 它對(duì)接地的金屬或地電位的導(dǎo)電物體起作用，對(duì)非地電位的導(dǎo)電物體靈敏度稍差。
（3）磁性干簧管 它只對(duì)磁性較強(qiáng)的物體起作用。
（4）霍爾式 它只對(duì)磁性物體起作用。
1）非接觸檢測(cè)，不影響被測(cè)物的運(yùn)行工況；
（2）不產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷，工作壽命長(zhǎng)；
（3）響應(yīng)快，一般響應(yīng)時(shí)間可達(dá)幾毫秒或十幾毫秒；
（4）采用全密封結(jié)構(gòu)，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強(qiáng)；
（5）無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)噪聲，所以適用于要求防爆的場(chǎng)合（防爆型）；
（6）輸出信號(hào)大，易于與計(jì)算機(jī)或PLC等接口；
（7）體積小，安裝、調(diào)整方便。它的缺點(diǎn)是“觸點(diǎn)”容量較小，輸出短路時(shí)易燒毀。
1）額定動(dòng)作距離 在規(guī)定的條件下所測(cè)定到的接近開(kāi)關(guān)的動(dòng)作距離（單位為mm）。
（2）工作距離 接近開(kāi)關(guān)在實(shí)際使用中被設(shè)定的安裝距離。在此距離內(nèi)，接近開(kāi)關(guān)不應(yīng)受溫度變化、電源波動(dòng)等外界干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作。
（3）動(dòng)作滯差 指動(dòng)作距離與復(fù)位距離之差的**值。滯差大，對(duì)外界的干擾以及被測(cè)物的抖動(dòng)等的抗于擾能力就強(qiáng)。
（4）重復(fù)定位精度 它表征多次測(cè)量動(dòng)作距離。其數(shù)值的離散性的大小一般為動(dòng)作距離的1％～5％。離散性越小，重復(fù)定位精度越高。
（5）動(dòng)作頻率 指每秒連續(xù)不斷地進(jìn)入接近開(kāi)關(guān)的動(dòng)作距離后又離開(kāi)的被測(cè)物個(gè)數(shù)或次數(shù)。
1.電容接近開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理
電容接近開(kāi)關(guān)的核心是以電容極板作為檢測(cè)端的LC振蕩器，圓柱形電容接近開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及原理框圖如圖7.4所示。兩塊檢測(cè)極板設(shè)置在接近開(kāi)關(guān)的*前端，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開(kāi)關(guān)殼體內(nèi)，并用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹(shù)脂充填、灌封。
當(dāng)沒(méi)有物體靠近檢測(cè)極板時(shí)，檢測(cè)上、下極板之間的電容量C非常小，它與電感（在測(cè)量轉(zhuǎn)換電路板3中）構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)的LC振蕩電路，Q=1/ωCR。
當(dāng)被檢測(cè)物體為導(dǎo)電體（例如金屬、水等）時(shí)，檢測(cè)上、下極板經(jīng)過(guò)與導(dǎo)電體之間的耦合作用，形成變極距電容C1、C2。LC振蕩電路中的電容C可以看成是C1、C2的串聯(lián)結(jié)果，電容量C比圓柱形電容接近開(kāi)關(guān)未靠近導(dǎo)電體時(shí)增大了許多，引起LC回路的Q值下降，輸出電壓Uo下降，Q值下降到一定程度時(shí)振蕩器停振。
干簧繼電器中的干簧管接近開(kāi)關(guān)其實(shí)是一種十分簡(jiǎn)單的傳感器，它與一塊磁鐵就可以組成接近開(kāi)關(guān)。它在水位控制、電梯“平層”控制、防盜報(bào)警等方面得到應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是體積較小，觸點(diǎn)可靠性較高，屬于“無(wú)源”傳感器。
光電開(kāi)關(guān)與光電斷續(xù)器都是用來(lái)檢測(cè)物體的靠近、通過(guò)等狀態(tài)的光電傳感器。近年來(lái)，隨著生產(chǎn)自動(dòng)化、機(jī)電一體化的發(fā)展，光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器已發(fā)展成系列產(chǎn)品，其品種及規(guī)格日增，用戶可根據(jù)生產(chǎn)需要，選用適當(dāng)規(guī)格的產(chǎn)品，而不必自行設(shè)計(jì)光路和電路。
從原理上講，光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器沒(méi)有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測(cè)距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離可達(dá)幾米至幾十米。
u 反射型分為：反射鏡反射型；被測(cè)物漫反射型（簡(jiǎn)稱散射型）
u 散射型安裝*為方便，只要不是全黑的物體均能產(chǎn)生漫反射。散射型光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離與被測(cè)物的黑度有關(guān)，一般較小，只有幾百毫米。用戶可根據(jù)實(shí)際需要決定所采用的光電開(kāi)關(guān)的類型。
光電斷續(xù)器的工作原理與光電開(kāi)關(guān)相同，但其光電發(fā)射、接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，所以兩者能可靠地對(duì)準(zhǔn)，為安裝和使用提供了方便，它也可以分為遮斷型和反射型兩種
數(shù)字式傳感器與其他傳感器（如電感、電渦流、電容等傳感器）不同，它可以直接給出抗干擾能力較強(qiáng)的數(shù)字脈沖或編碼信號(hào)，既有很高的精度，又可測(cè)量很大的位移量，測(cè)量準(zhǔn)確度與量程基本無(wú)關(guān)。
數(shù)字量的測(cè)量以數(shù)字式位置傳感器為主，除了廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)行位置伺服控制之外，還可用于測(cè)量工具，使傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、千分尺、高度尺等實(shí)現(xiàn)了數(shù)顯化，讀數(shù)過(guò)程變得既方便、又準(zhǔn)確。本節(jié)主要介紹常見(jiàn)的數(shù)字式位置傳感器旋轉(zhuǎn)編碼器和光柵兩種。
旋轉(zhuǎn)編碼器又稱碼盤或角編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式角度測(cè)量傳感器，它與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸連接，隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7.10，將被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)的角位移轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼或一串脈沖。角編碼器有兩種基本類型：**式編碼器和增量式編碼器。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式的不同，旋轉(zhuǎn)編碼器有接觸式、光電式、磁阻式等形式。
接觸式編碼器屬于**式角度檢測(cè)裝置，是將被測(cè)角度直接進(jìn)行編碼的傳感器。如圖7.11所示是一個(gè)四位二進(jìn)制接觸式碼盤。它在一個(gè)不導(dǎo)電基體上做成許多有規(guī)律的導(dǎo)電金屬區(qū)，其中涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，用“1”表示，其他部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。碼盤分成4個(gè)碼道，在每個(gè)碼道上都有一個(gè)電刷，電刷經(jīng)取樣電阻接地，信號(hào)從電阻的“熱端”取出。這樣，無(wú)論碼盤處在哪個(gè)角度上，該角度均有4個(gè)碼道上的“1”和“0”組成的4位二進(jìn)制編碼與之對(duì)應(yīng)。碼盤*里面一圈軌道是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，接激勵(lì)電源的正極。
由于碼盤是與被測(cè)轉(zhuǎn)軸連在一起的，而電刷位置是固定的，當(dāng)碼盤隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷和碼盤的位置就發(fā)生相對(duì)變化。若電刷接觸到導(dǎo)電區(qū)域，則該回路中的取樣電阻上有電流流過(guò)，產(chǎn)生壓降，輸出為“1”；反之，若電刷接觸的是絕緣區(qū)域，輸出為“0”，由此可根據(jù)電刷的位置得到由“1”、“0”組成的4位二進(jìn)制碼。例如，在圖7.11b中可以看到，此時(shí)的輸出為0101。
從以上分析可知，碼道的圈數(shù)（不包括*里面的公用軌道）就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)、低位在外。由此可以推斷出，若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，且圓周被均分為2n個(gè)數(shù)據(jù)，來(lái)分別表示其不同位置，所能分辨的角度α（即分辨力）為 ，分辨率為1 / 2n
**式光電碼盤如圖7.12所示。圖中的黑白區(qū)域不表示導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，而是表示透光或不透光區(qū)。其中黑的區(qū)域?yàn)椴煌腹?/span>區(qū)，用“0”表示；白的區(qū)域?yàn)橥腹鈪^(qū)，用“1”表示。這樣，在任意角度都有對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼。與接觸式編碼盤不同的是，不必在*里面一圈設(shè)置公用碼道，取代電刷的是在每一碼道上都有一組光電元件。
增量式光電碼盤結(jié)構(gòu)示意??如圖7.13所示。光電碼盤與轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心的透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個(gè)碼盤圓周上就被等分成n個(gè)透光的槽。增量式光電碼盤也可用不銹鋼薄板制成，然后在圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽。
為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，必須在光欄板上設(shè)置兩個(gè)狹縫，其距離是碼盤上的兩個(gè)狹縫距離的（m＋l／4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組對(duì)應(yīng)的光敏元件，如圖7.13中的A、B光敏元件，有時(shí)也稱為cos、sin元件。光電編碼器的輸出波形如圖7.14所示。
為了得到碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的**位置，還須設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖7.13中的“零位標(biāo)志槽”。碼盤每轉(zhuǎn)一圈，零位標(biāo)志槽對(duì)應(yīng)的光敏元件產(chǎn)生一個(gè)脈沖，稱為“一轉(zhuǎn)脈沖”，