项目四 磁感应式传感器的应用

项目四 磁感应式传感器的应用

任务二 电动机速度检测

任务一 气缸行程定位检测

自动化控制元件及应用高等教育出版社

任务三 旋转角度检测

任务一 气缸行程定位检测

【知识要点】

自动化控制元件及应用高等教育出版社

【任务引入】

【任务要求】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】

任务一 气缸行程定位检测

【知识要点】

1.理解干簧式磁性开关的构造与检测原理2.了解干簧式磁性开关的功能与参数。3.掌握干簧式磁性开关的引线颜色及其功能。4.了解干簧式磁性开关使用注意事项。

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图 4-1-1 磁性开关气缸1---- 动作指示灯 2---- 保护电路 3---- 开关外壳 4---- 导线 5---- 活塞 6---- 磁环 7---- 缸筒 8---- 舌簧开关

【任务引入】

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机械手模块在整个流水生产线中是不可或缺的重要组成部分之一，它是各个设备模块之间连接的桥梁，它将完成的主要功能是实现工件的搬运。在气压传动机械手中的气动执行机构多采用磁性开关气缸。这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，在缸筒上直接安装磁性开关，磁性开关用来检测气缸行程的位置，控制气缸往复运动。

图 4-1-2 亚龙 YL-236 单片机安装与调试装备

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【任务要求】 本任务要求在亚龙 YL-236单片机安装与调试装备（图 4-1-2）上调整机械手气缸上磁性开关的位置，当气缸伸出和缩回到位时，输出 TTL电平给单片机控制系统。

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【任务分析】 要检测气缸伸出和缩回是否到位，需要在气缸上（图 4-1-

3 ）的前后端各装磁簧管型的 D-C73磁性开关，当气缸活塞永久磁铁经过磁性开关时，磁性开关闭合，使输出电平发生变化，单片机监测到信号变化说明气缸运动到指定位置，从而控制电磁阀换向，控制气缸往复运动。

图 4-1-3 亚龙 YL-236 机械手气缸

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由于在工控场合下使用的磁性开关传感器通常采用直流 24V作为工作电压，而单片机使用的 5V电源，因此检测到的信号通过光电隔离器进行电平转换，输出 TTL电平信号给单片机；同时光电隔离器耦合信号也能起到抗干扰的作用，接法如下图4-1-4所示：

图 4-1-4气缸行程定位检测接线图

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【任务实施】

1.安装传感器

4.实验结果

3.调节传感器的安装位置

2.连接电路

5.元器件选择

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1 ．安装传感器 D-C73的外壳为塑封，可通过气缸磁性开关固定码或磁性固定带把磁性开关 D-C73安装在气缸外壁上，安装时注意要使D-C73磁性开关（图 4-1-5）的指示灯向外，拧紧螺钉的力矩要适当。力矩过大会损坏开关，力矩太小有可能使开关的最佳安装位置出现偏移。

图 4-1-5(b) 气缸磁性开关 D-C73的安装

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2 ．连接电路 按图 4-1-4连接电路，该反射式光电传感器的引线共有二条，表皮颜色分别为棕、蓝。其中棕色线用于连接光电隔离器，蓝色线接 24V电源的负极。

图 4-1-4气缸行程定位检测接线图

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3 ．调节传感器的安装位置 开关的安装位置可按照如下方法确定。在活塞应停止位置使活塞固定，接通电源，让磁性开关在活塞的上方左右移动，找出开关开始吸合时的位置（磁性开关的红色发光二极管用于显示磁性开关是否闭合），则左右吸合位置的中间位置便是开关的最高灵敏度位置。磁性开关应固定在这个最高灵敏度位置。

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4 ．实验结果 当气缸活塞靠近，磁性开关接通，驱动光电隔离器里的发光二极管（ LED）发光，驱动光电隔离器里光控晶闸管导通，在光电隔离器的 4 脚输出” 0”信号给单片机系统。当没有气缸活塞靠近时， 磁性开关输出不动作，光电隔离器里的发光二极管不发光，导致光电隔离器里光控晶闸管不导通，在光电隔离器的 4 脚输出” 1”信号给单片机系统

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5 ．元器件选择

器件名称 型号 参数 备注

磁性开关 D-C73 (SMC)

使用电压范围 5 ～ 240V DC/AC最大开关电流 100mA感应灵敏度 60高斯

亚龙 YL-236机械手上使用该种器件

光电隔离器 TLP-521

集电极－发射极电压： 55V电流传输比： 50% （最小值）隔离电压： 2500 Vrms正向电流： 50mA(极限值 )总功耗： 150mW

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【相关知识】

　 　　干簧管又称干式舌簧管，是一种在玻璃管内封装两个或三个由既导磁又导电材料做成的簧片所组成的开关元件，玻璃管内充有惰性气体 ( 如氮、氦等 ) 。管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点，如图 4-1-6所示。    　　

图 4-1-6 干簧管内部结构

一、干簧管

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当永久磁铁靠近干簧管时，或者由绕在干簧管上面的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时，簧片的接点就会感应出极性相反的磁极，如图 4-1-7所示。由于磁极极性相反而相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的抗力时，分开的接点便会吸合 ; 当磁力减小到一定值时，在簧片抗力的作用下接点又恢复到初始状态。这样便完成了一个开关的作用。

图 4-1-7 干簧管的工作原理

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二、簧片式磁性开关磁性开关有两线、三线之分，内部结构图与接线图如下图所示

　 图 （ a ）二线式磁性开关 图（ b ）三线式磁性开关

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三、簧片式磁性开关使用注意事项1 ）安装时，不得给开关过大的冲击力，如打击、抛扔开关等。2 ）避免在周围有强磁场，大电流（象大型磁铁、电焊机等）的环境中使用磁性开关。不要把连接导线与动力线并在 一起。3 ）不宜让磁性开关处于水或冷却液的环境中。如需在这种环境中使用，可用盖子加以遮挡。4 ）配线时，导线不宜承受拉伸力和弯曲力。用于机械手等可动部件场合，应使用具有耐弯曲性能的导线，以避免开关受损伤或断线。5 ）磁性开关的配线不能直接接到电源上，必须串接负载。6 ）负载电压和最大负载电流都不要超过磁性开关的最大允许容量，否则其寿命会大大降低。7 ）带指示灯的有触点磁性开关，当电流超过最大电流时，发光二极管会损坏；若电流在规定范围以下，发光二极管会变暗或不亮。8 ）选择气缸配件：按照动作和连接的要求，选择气缸配件。

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【任务拓展】 在任务中，把两线式的磁性开关 D-C73 换成三线性的磁性开关，如何改变图 4-1-4 的电路接法 ?

图 4-1-4气缸行程定位检测接线图

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【任务测评】1.　光耦隔离器具有什么功能？2.　带簧片式的磁性开关传感器的引线有三种颜 色？其功能分别是什么？3.　简述簧片式磁性磁性开关在气缸上的安装注 意事项？

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【任务评价】

任务要求 分值 评分标准

学生自评

小组互评

教师评价

任务总评

了解簧片式磁性开关传感器 D-C73的功能与参数

10能叙述簧片式磁性开关传感器 D-C73 的功能与参数

掌握簧片式磁性开关的引线颜色及其功能

20 能分辨引线的功能

连接电路 30 独立连接好整个电路学会如何在气缸上安装和调节磁性开关

20当气缸伸出和缩回到位时，磁性开关能闭合。

安全操作 10 工具使用、仪表安全现场管理

10出勤情况、现场纪律、协作精神

【知识要点】

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【任务引入】

【任务目标】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】

任务二 电动机速度检测

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任务二 电动机速度检测

【知识要点】

1.了解常用集成霍尔器件传感器的功能与参数。2.理解霍尔传感器的工作原理，了解其结构及分类。3.了解霍尔元件接入测量电路的方式及测量电路的 功能。4.熟悉霍尔元件的分类。

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【任务引入】 在 ABS 中，速度传感器是十分重要的部件。在制动过程中，控制器不断接收来自车速齿轮传感器和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，采用霍尔齿轮转速传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是 ABS （汽车防抱死制动系统）中的关键部件之一。

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【任务目标】

本任务要求用霍尔元件对电动机进行转速测量。

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【任务分析】 霍尔传感器是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔传感器往往用于被测旋转轴上已经装有铁磁材料制造的齿轮，或者在非磁性盘上安装若干个磁钢，也可利用齿轮上的缺口或凹陷部分来实现检测。目前，用于测速的霍尔传感器主要为霍尔开关集成传感器及霍尔接近开关。 其基本工作原理是当施加于传感器的磁通小于某一值（如 SH111A 型为 10mT ）时，其输出开关是断开的；否则，输出开关为导通。利用其这一特性，在被测转轴上装一非磁性转盘，并在转盘四周均匀地安装若干个磁钢（磁钢数量越多，每转一圈产生的脉冲数就越多），每转一圈可以产生若干个脉冲信号。

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【任务实施】

1.安装传感器

3.实验结果

2.连接电路

4.元器件选择

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图 4-2-1 霍尔传感器安装示意图

a） b）

霍尔开关传感器

1.安装传感器

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2 ．连接电路

图 4-2-2 转数检测电路测电路

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当磁性转子转动时，霍尔 IC 的输出也随之变化， B 点是经过三极管反相后的输出。将其输出端接到数字式频率计的输入端，即可根据相应的情况计算出被测机械的转速。

设频率计的频率为 n ，小磁铁数量为 Z， f 为频率计测量出的波形频率，则转轴转速为 n=60*f/Z (r/min) （公式 4-2-1 ）

3 ．实验结果

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4 ．元器件选择

参数

型号

截止电源电流 /mA

导通电源电流 /mA

输出低电平 /V

高电平输出电流 /μA

导通磁通

/mT

截止磁通 /mT

SH111SH112SH113

A

≤5 ≤8≤0.4

≤10

80 10

B 60 10

C 40 10

D 20 10

表 4-2-1 国产霍尔集成开关传感器的主要参数

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4 ．元器件选择

表 4-2-2 美国产霍尔集成开关传感器的主要参数

参数型号

导通磁通 /mT 截止磁通 /mT

最大值 典型值 典型值 最小值

UGN/UGS

50 42 30 10

35 22 16 5

20 15 10 5

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【相关知识】一、霍尔效应和工作原理1 、霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH ，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔器件，用霍尔器件做成的传感器称为霍尔传感器。

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【相关知识】

2 、工作原理

霍尔电压 UH ，其大小为。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （公式 4-2-2 ）式中　　 KH——霍尔元件的灵敏度； I—— 控制电流，单位为 A ； B—— 磁感应强度，单位为 B ；

图 4-2-3 霍尔效应原理图

IBKU HH

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【相关知识】 若磁感应强度 B 不垂直于霍尔元件，而是与其法线成一角度 θ 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向的分量，即 Bcosθ ，此时的霍尔电压为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（公式 4-2-3 ） 由式（ 4-2-2 ）、（ 4-2-3 ）可知，霍尔电压的大小与输入电流 I、磁感应强度 B 成正比。当电流方向改变时，霍尔电压的方向也随之改变。若所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电压为同频率的交变电压。

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【相关知识】二、集成霍尔传感器1 、霍尔线性电路它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压与外加磁场强度的大小呈线性比例关系，它的功能框图和输出特性示于图 4-2-5（ a ） 和图 4-2-5（ b ）。

（ a ）功能框图 （ b）特性曲线图 7-27 霍尔线性集成传感器

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【相关知识】2 、霍尔开关电路霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。这种集成传感器一般对外为三只引脚，分别是电源、地及输出端。典型的霍尔开关集成传感器有 UGN-3020、UGN-3050 等，图 4-2-6（ a） UGN-3020 的外形图，其输出特性如图 4-2-6（ c ）所示。

(a)UG-3020 外形图 b） UG-3020 内部结构框图 （ c） UGN-3020 输出磁电特性曲线

图 4-2-6 UGN-3020

3020

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【相关知识】

霍尔集成开关传感器常用于接近开关、速度检测及位置检测，其典型应用电路如图 4-2-7 所示。

R

VCC

3020

输出

图 4-2-7 霍尔开关集成传感器应用电路

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【任务拓展】

图 4-2-8 霍尔式位移传感器原理示意图

位移测量 在两个极性相反、磁感应强度相同的磁钢气隙中，放置一个霍尔元器件，保持霍尔元器件的控制电流恒定，而使霍尔元器件在一个均匀的梯度磁场中沿着 x方向移动，如图 4-2-8 所示，则输出的霍尔电动势为 EH=kx （公式 4-2-4 ） 式中　 k---- 位移传感器的灵敏度。

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【任务测评】

1.什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关？2.何谓霍尔集成电路？常见的有哪些？各用于哪些 方面？

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【任务评价】

任务要求 分值 评分标准

学生自评

小组互评

教师评价

任务总评

了解霍尔集成开关传感器的功能与参数 10

能叙述霍尔集成开关传感器的功能与参数

掌握霍尔集成开关传感器管脚功能 20

能识别 UGN3040 管脚功能

连接电路 30 独立连接好整个电路学会频率计的使用和根据实验结果计算转轴转速

20能根据实验结果计算转轴转速

安全操作 10 工具使用、仪表安全

现场管理 10出勤情况、现场纪律、协作精神

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【知识要点】

【任务引入】

【任务目标】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】

任务三 旋转角度检测

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任务三 旋转角度检测

【知识要点】　　　　1.解光电旋转编码器、旋转变压器的结构。　　　　2.理解光电旋转编码器、旋转变压器的工作原理。　　　　3.掌握应用光电旋转编码器、旋转变压器进行角度（位移）检测、转速（速度）检测的方法。　　　　4.解光电旋转编码器、旋转变压器使用的注意事项。

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【任务引入】

在工业生产装备中，我们经常会对角度、长度，转速、速度等参数的检测和控制，用什么元器件检测这些参数呢？

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【任务目标】

本任务要求运用增量式旋转编码器验证所测量的角度（位移）、转速（速度）及方向；并理解增量式旋转编码器的结构和工作原理；掌握测量值和真实值的换算。

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【任务分析】 要验证增量式旋转编码器检测角度（位移）、转速（速度）及方向，需用到一个增量式光电旋转编码器，联轴器，可正反转的电机，双踪示波器，计数器，如图 4-3-3所示。将增量式光电旋转编码器和电动机固定在平台上，并用联轴器连接。电动机为 4 极交流异步电动机，电动机旋转一圈，增量式光电旋转编码器图 4-3-3　 增量式旋转编码器与电动机的连则输出 1000个脉冲。

图 4-3-3 增量式旋转编码器与电动机的连接

光电编码器

联轴器

电机

固定平台

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【任务实施】

1.连接电路 , 安装传感器

3.转速 ( 速度 )　检测

2.角度（位移）

4.数据分析及转换计算和工程实施

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1.连接电路，安装传感器

图 4-3-4 增量式光电旋转编码器输出接口电路

RA

光

电

编

码

器

+24V

RB RZ

A

B

Z

GND

屏蔽线

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2 ．角度（位移）

用手旋转联轴器一周，记录计数器数据；连续三次

表 4-3-1 计数器记录表

次数 1 2 3 平均值计数器显示值

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接通电机电源，使电机正转，调整示波器使显示波形基本稳定，读出波形频率，画出通道 1 ，通道 2 的相位图；使电机反转，重复上面工作。

3 ．转速 ( 速度 ) 检测

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4 ．数据分析及转换计算和工程实施

(1)角度与位移

(2)方向判断

(3)转速与速度

(4)工程实施

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5 ．元器件选择

名称 规格 ( 数值 ) 名称 规格 ( 数值 )

增量式光电旋转编码器 1000点 /每圈

RA 1KΩ

联轴器 配套编码器 RB 1KΩ

小功率交流异步电动机 180W,1440转

RZ 1KΩ

备注 元器件可适当选取，能满足任务实施即可

表 4-3-2 元器件选择参考表

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【相关知识】一、光电旋转编码器

　　1.光电旋转编码器原理

图 4-3-5 光电旋转编码器结构图

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【相关知识】2.光电旋转编码器分类

图 4-3-6 增量式光电旋转编码器编码盘原理图

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【相关知识】2.光电旋转编码器分类

图 4-3-8 绝对式光电旋转编码盘结构与原理图

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【相关知识】二、旋转变压器

1.旋转变压器的结构与工作原理 D1

D2

D3 D4

D1D2 定子激磁绕组

D3D4 定子交轴绕组

图 4-3-11 旋转变压器定子绕组结构图

Z1

Z2

Z3

Z4

图 4-3-12 旋转变压器转子绕组结构图

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【相关知识】二、旋转变压器

2. 旋转变压器的信号变换及专用模块

图 4-3-13 AD2S80A 应用电路

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【任务扩展】

用旋转变压器和解码器实施角度（位移）及转速（速度）测量验证。

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【任务测评】

1.光电旋转编码器和旋转变压器具有什么功能？2.实训用光电旋转编码器内部结构是怎样的？3.如何将脉冲数转换成角度、位移量的实际值读数？

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【任务评价】 表 4-8 任务评价表

任务要求分值 评分标准

学生自评

小组互评

教师评价

任务总评

光电旋转编码器的技术参数及使用方法

15

能掌握光电旋转编码器技术参数、能正确使用光电旋转编码器

光电旋转编码器测量旋转角度和换算

15能正确测量旋转角度和换算出结果

光电旋转编码器测量旋转速度、换算及旋转方向判别

25能正确测量旋转速度和换算出结果及正确判别旋转方向

旋转变压器的应用 25旋转变压器的应用

安全操作 10工具使用、仪表安全

现场管理 10出勤情况、现场纪律、协作精神