项目五物位检测任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置任务导入电涡流式接近开关的特性检测 按图 a）或图 b）所示将电感式接近开关与继电器连接，分别用金属块和塑料板靠近、远离电感式接近开关，观察继电器的动作情况。任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置一、了解电涡流式接近开关 电涡流式接近开关固定在支架上，工件在传送带上依次自左向右运动，当工件进入接近开关的额定动作距离范围内之后，接近开关动作，内部晶体管导通，常开触点闭合，常闭触点断开。接近开关动作可以触发别的机械动作或程序处理，从而对工件进行统计。加工、分类等。图（b）所示是一个手持式电动机转速测量仪，可以实时检测电动机的转速。任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置二、电涡流式接近开关的结构和原理 金属导体放置于变化的磁场中时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。1.涡流任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置二、电涡流式接近开关的结构和原理 由印刷电路板石英晶体振动器产生的中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。2. 电涡流式接近开关的结构和原理任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置二、电涡流式接近开关的结构和原理 上图是电感式接近开关的工作框图，它由LC高频振荡器探头和放大处理电路组成，接通电源后探头形成固定频率的交变振荡磁场。当金属物体靠近接近开关达到检测距离时，金属物体内产生涡流，吸收振荡器的能量，使接近开关的振荡能力衰减而停振，开关的状态发生变化，从而识别出金属物体。2. 电涡流式接近开关的结构和原理任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置三、电涡流式接近开关的特性（1）动作距离：检测物体按照一定的方式移动时，从接近开关的检测表面到开关动作时的基准位置的空间距离。（2）复位距离：与动作距离类似，复位距离指的是检测物体离开检测表面到开关动作复位时的位置之间的空间距离，复位距离大于动作距离，两者的关系如图所示。任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置三、电涡流式接近开关的特性（3）设定距离：接近开关在实际工作中的整定出来的距离，一般为额定动作距离的0.8倍。（4）回差值：动作距离与复位距离之差的绝对值。（5）响应频率：在1s内，接近开关频繁动作的次数。（6）响应时间：指从接近开关检测头检测到有效物体，到输出状态出现电平翻转所经过的时间。（7）导通压降：指接近开关在导通状态时，开关内输出晶体管上的电压降。任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置四、电涡流式接近开关的接线交流二线输出接近开关的接线直流四线输出接近开关的接线直流三线输出接近开关的接线任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置五、电涡流式接近开关的应用1. 电磁炉 电磁炉就是利用涡流效应工作的，它将工频交流电通过内部电路转换成高频交流电流，高频交流电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内食物。电磁炉的工作原理示意图如左上所示，其内部励磁线圈如左下所示。任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置五、电涡流式接近开关的应用2. 电子探雷器 电子探雷器如图所示，其原理与电涡流式传感器相同，是利用探雷器辐射电磁场，使地雷的金属零件受激产生涡流，涡流电磁场又作用于探雷器的电子系统，使之失去原来的平衡状态，或者通过探雷器的接收系统检测涡流电磁场信号，从而得知金属物体（地雷）的位置。它能可靠地发现带有金属零件的地雷，但容易受到战场上弹片等金属物体的干扰。任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置五、电涡流式接近开关的应用连接电涡流式接近开关和西门子S7-200 结合左图可以知道，当电涡流式接近开关检测到有金属物靠近时，在黄色线上输出高电平，在黑色线上输出低电平。相反地，没有金属物靠近时，黄色线上输出低电平，黑色线上输出高电平。实际选用的接近开关是24V直流供电，分别将红、蓝色线连接到24V电源的正负端即可，然后按照图5-15所示，将接近开关的黄色线和黑色线分别连接到西门子S7-200 CPU上集成的两个数字量输入点。任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置五、电涡流式接近开关的应用连接电涡流式接近开关和西门子S7-200名称型号规格数量名称型号数量电涡流式接近开关PNPNC+NO型（直流24V）1PLC西门子S7-2001直流稳压电源24V1小金属块1主要实验器材任务一使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置五、电涡流式接近开关的应用连接电涡流式接近开关和西门子S7-200操作步骤1）按照上面步骤完成接线之后，先给24V直流电源上电，然后再给西门子S7-200 CPU上电。观察此时S7-200 CPU上输入点指示灯的。2）如果指示灯不亮，则应马上关闭S7-200，再关闭24V直流电源，检查电路，确认无误后再上电测试，直至指示灯被点亮。3）用一个小金属块靠近检测头，观察S7-200 CPU上指示灯的点亮情况。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置任务导入自制霍尔开关 把一块可以导电的物体置于磁场之中，比如磁力线向北，当你给它施加从西向东的电流时，根据左手定则，这个电流会受到一个向上的力。这时把电流表的正极放在物体的上边，负极接在物体的下边，电流表中就会有电流通过。通常进入电流表的电流比较微弱，需用放大电路进行放大，放大之后的电流再去控制开关（实际上是一个继电器），这就是霍尔开关。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置一、了解霍尔开关 霍尔开关是利用半导体的磁电转换的原理，将磁场信息变换成相应的电信息的元器件。它可以直接测量磁场及微小位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置一、了解霍尔开关1. 霍尔接近开关的工作原理 将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，如图所示，当有电流I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（称为霍尔电动势），这种现象称为霍尔效应。作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。这种半导体薄片称为霍尔元件。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置一、了解霍尔开关1. 霍尔接近开关的工作原理 霍尔接近开关工作原理电路如图所示，当磁性物体靠近霍尔元件时，霍尔元件产生电动势EH与基极直流电压叠加使晶体管VT饱和导通，其集电极的继电器吸合或光耦合器工作，使霍尔接近开关动作，改变电路原来的通、断状态，即接通或断开电路。需要注意的是，霍尔接近开关检测的对象必须是磁性物体。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置一、了解霍尔开关2. 霍尔接近开关的分类1）霍尔式传感器按被测量的性质可分成电量型（电流型、电压型）和非电量型（开关型和线性型）两大类。 2）按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线形器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。 3）按被检测的对象的性质可将霍尔开关的应用分为：直接应用和间接应用。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置一、了解霍尔开关3. 霍尔接近开关的特点1）霍尔接近开关为非接触检测，不影响被测物的运动状况；无机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长。2）霍尔接近开关为电子器件，响应快（一般响应时间可达几毫秒或几十毫秒）。3）霍尔接近开关采用全封闭结构，防潮、防尘，可靠性高且维护方便。4）霍尔接近开关可以输出标准电信号，易与计算机或PLC配合使用。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置二、霍尔接近开关的应用1. 控制气缸活塞运动的位置 左图为气缸活塞运动位置的测量、控制元件实物。在气缸活塞的两端部装上磁性物质（如磁铁），在气缸两端安装霍尔接近开关（也称磁性开关）即可检测、控制活塞运动的极限位置。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置二、霍尔接近开关的应用1. 控制气缸活塞运动的位置 如图所示，在机械手的手臂上安装两个磁极，刺激与霍尔接近开关处于同一水平面上，当磁铁随机械手运动到距霍尔开关几毫米时，霍尔接近开关工作驱动电路使控制机械手动作的继电器或电磁阀释放，控制机械手停止运动，起到限位的作用。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置二、霍尔接近开关的应用2. 转盘（转轴）的速度测量 在转盘上均匀地固定几个小磁铁，如图所示，当转盘转动时，固定在转盘附近的霍尔接近开关便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间内脉冲数即频率，结合转盘上小磁铁的数目便可测定转盘的转速。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置实践操作数控车床换刀效果模拟 如图所示，用直流电动机的旋转模拟刀架伺服电动机的转动，人为移动磁钢模拟刀架在电动机拖动下的运动，霍尔式接近开关模拟刀架上的位置检测元件。任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置实践操作数控车床换刀效果模拟名称代号数量名称代号数量霍尔接近开关HA101K型M820mm1中间继电器KA1直流电源DC24V1续流二极管V11小型直流电动机M1磁钢1主要实验器材任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置实践操作数控车床换刀效果模拟1）使霍尔接近开关固定，而让贴有磁钢的被测物体从侧面向传感器靠近。2）当两者相距较远时，观察直流电机动作（VOUT输出高电平，中间继电器线圈不得电，常闭触点闭合，直流电机旋转）。3）移动物体接近霍尔接近开关一定位置时，观察霍尔接近开关及电机的动作（开关动作，VOUT输出低电平，中间继电器线圈得电，触点断开，电动机停转）。4）移开被测物体，观察电动机动作（中间继电器失电，常闭触点恢复导通，电动机又开始转动）。操作步骤任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置任务导入电容式接近开关检测物体实验 按左图所示将NPN-NO型电容式接近开关（直流24V）与三菱FP系列PLC连接，检查接线正确后给电路上电，然后将金属、塑料圆柱体慢慢靠近电容式接近开关到一定的距离时，观察到继电器动作或PLC相应的输入指示灯点亮。任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置 一、了解电容式接近开关1. 认识电容式接近开关任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置 一、了解电容式接近开关2. 电容式接近开关的基本结构及原理任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置 一、了解电容式接近开关2. 电容式接近开关的基本结构及原理 图（a）通过改变极距来改变电容量，可用作线位移传感器；图（b）通过改变平板相对变面积改变电容量，也可用作线位移传感器；图（c）通过改变扇形面积改变电容量，可用作角位移传感器；图（d）通过改变极板间的介质即改变介电常数来改变电容量，常用于固体或液体的物位测量以及各种介质的湿度、密度的测定。任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置 一、了解电容式接近开关3. 电容式接近开关的工作原理 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制接近开关的接通和关断。任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置二、电容式接近开关的应用1. 电容式液位限位仪 左图所示为某电容式液位限位仪的实物。智能化液位限位仪的设定方法十分简单，如右图所示，液体快到需要限定的位置时，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能限位仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，液位限位仪即可发出报警信号和控制信号。任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置二、电容式接近开关的应用2. 压力测量 电容式压力传感器的结构示意图如图所示，图中膜片电极1为电容器的动极板，2为电容器的固定电极。当被测压力作用于膜片电极上时，膜片电极产生位移，两极板间距离发生改变，使电容器的电容量改变。当两极板间距离d很小时，压力和电容量之间为线性关系。任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置二、电容式接近开关的应用3. 转速测量 在齿状物如齿轮旁边安装一个电容式传感器（接近开关），如图5-所示，当转轴转动时，电容式接近开关周期地检测到齿轮的齿端端面，就能输出周期性的变化信号。该信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速。任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置二、电容式接近开关的应用4. 带材厚度测量 被测金属带材与其两侧电容器极板构成两个电容C1和C2，把两电容极板连接起来，它们和带材间的电容为C=C1+C2。当带材厚度发生变化时，电容量也随之变化。任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置实践操作使用电容式接近开关测量水箱水位任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置实践操作使用电容式接近开关测量水箱水位名称代号数量名称代号数量带玻璃连通管的水箱1电容式接近开关GDKG2可调直流电源025V1万用表1主要实验器材任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置实践操作使用电容式接近开关测量水箱水位操作步骤1）清空水箱，手动打开进水阀门，观察水箱液位由低到高，分别经过两个电容式接近开关，它们会产生什么动作。2）然后再打开放水阀门，同样观察水箱液位由高到低，分别经过两个电容式接近开关时，它们又产生什么动作。3）记录两次操作电容式接近开关的动作，比较两次动作的特点，填写完成下表。液位变化检测元件动作低高电容式接近开关1（上）电容式接近开关2（下）高低电容式接近开关1（上）电容式接近开关2（下）任务四 使用光敏电阻检测接近物体任务导入用万用表电阻档测量光敏电阻的亮电阻与暗电阻 用万用表电阻档测量光敏电阻受光照射时的电阻，这种状态下的电阻称为亮电阻。在用黑纸将光敏电阻严密包封起来，露出引脚，测量其电阻值，这种没有光照时的电阻，称为暗电阻。比较亮电阻与暗电阻，对于同一光敏电阻，暗电阻一定大于亮电阻。任务四 使用光敏电阻检测接近物体 一、了解光敏电阻1. 认识光敏电阻任务四 使用光敏电阻检测接近物体 一、了解光敏电阻2. 光敏电阻的主要参数1）光电流、亮电阻2）暗电流、暗电阻3）灵敏度4）光谱响应5）伏安特性任务四 使用光敏电阻检测接近物体二、光敏电阻的应用由SG555构成的光控开关电路任务四 使用光敏电阻检测接近物体实践操作利用光敏电阻设计制作光电报警器任务四 使用光敏电阻检测接近物体实践操作利用光敏电阻设计制作光电报警器名称型号数量名称型号数量整流二极管VD1VD41N40071电容C1100MF/16V1集成电路IC178061电容C20.033F1三极管VT190111电阻R12K1三极管VT290131电阻R247K1三极管VT390121电阻R31K1三极管VT490131可调电阻RP100K1光敏电阻R扬声器B1主要实验器材任务四 使用光敏电阻检测接近物体实践操作利用光敏电阻设计制作光电报警器操作步骤1）按照原理图制作电路板；2）调节报警点。采用遮挡的方法来调节，观察当R有光照和无光照时，电路的工作状态。正常情况下，适当调节RP，当遮住照射到R的光线时，扬声器应发出声响，且光线越暗，声音越大。若电路不发出声响，则应检测相应的电路。任务五 使用光敏二极管检测接近物体任务导入测试光敏二极管的反向电阻 测试光敏二极管的方法与测试普通二极管的极性方法一样，可以用带有二极管极性测试功能的万用表进行测试，先测试有光照情况下的反向电阻，记录下阻值；然后在黑暗环境或者用墨纸包封住二极管，只露出管脚，然后进行测试，记录下测试值，对比两次测量结果，能得到什么结论？任务五 使用光敏二极管检测接近物体 一、了解光敏二极管1. 光敏二极管的结构 光敏二极管的结构与一般二极管相似，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。任务五 使用光敏二极管检测接近物体 一、了解光敏二极管2. 光敏二极管工作原理光敏二极管的反向偏置连接法光敏二极管的工作原理 任务五 使用光敏二极管检测接近物体 一、了解光敏二极管3. 光敏二极管的类型（1）PIN型光敏二极管任务五 使用光敏二极管检测接近物体 一、了解光敏二极管3. 光敏二极管的类型（2）雪崩光敏二极管（APD）任务五 使用光敏二极管检测接近物体二、光敏二极管的应用防入侵报警器的结构示意图任务五 使用光敏二极管检测接近物体实践操作利用光敏二极管制作路灯控制器 光线较暗时，VD1产生的光电流很小，经R1和VR1电阻后，产生的电压比较小（3V），此时，IC1输出高电平（4.9V），VT1导通，继电器K得电，常开触点闭合，被控电器得电工作；当光线逐渐增强时，VD1中光电流逐渐增大，当IC1输入电压超过3V时，其输出电压变为低电平（0.1V），VT1截止，继电器K失电，常开触点断开，被控电器失电停止工作。任务五 使用光敏二极管检测接近物体实践操作利用光敏二极管制作路灯控制器名称型号数量名称型号数量整流二极管VD11N41481电阻R1100K1集成电路IC1401061电阻R22K1三极管VT190131显敏度调节电阻VR150K1光敏二极管VD12CU2B1继电器K1主要实验器材任务五 使用光敏二极管检测接近物体实践操作利用光敏二极管制作路灯控制器操作步骤1）根据电路选择合适的元器件；2）制作电路板并焊接元件；3）调试电路，调节给VD1的光线，看被控电器是否按设计要求工作，并可适当调节VR1，改变电路的起控点，以便达到控制的要求。任务六 使用热释红外传感器检测接近物体任务导入练习使用热释电元件1、观察传感器探头，探头表面的滤光片使传感器对10m左右的红外光敏感，可以安装在传感器前的菲涅尔透镜是一种特殊的透镜组，每个透镜单元都有一个不大的视场，相邻的两个透镜单元既不连续也不重叠，都相隔一个盲区，它的作用是将透镜前的运动的发热体发出的红外光转变成一个又一个断续的红外信号，使传感器能正常工作。2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，转换电路输出端接电压表。3、开启主机电源，待传感器稳定后，人体从传感器探头前移过，观察输出信号电压变化，再用手放在探头前不动，观察输出信号变化（热释电红外传感器只对变化的温度信号敏感，这一特性也决定了它的应用范围）。4、将传感器探头对准加热炉方向，开启加热炉并将温度控制在50左右，用遮挡物断续探头前面的热源，观察并记录传感器输出信号的变化情况。5、在传感器探头前加装菲涅尔透镜，试验传感器的探测视场和距离，以验证菲涅尔透镜的功能。任务六 使用热释红外传感器检测接近物体一、了解热释电传感器任务六 使用热释红外传感器检测接近物体二、热释电传感器的应用1）非接触式温度检测器任务六 使用热释红外传感器检测接近物体二、热释电传感器的应用2）在卫浴设备中的应用任务六 使用热释红外传感器检测接近物体二、热释电传感器的应用3）反射式红外防盗报警器任务六 使用热释红外传感器检测接近物体实践操作利用热释电红外传感器制作公共照明开关电路公共照明开关电路原理图任务六 使用热释红外传感器检测接近物体实践操作利用热释电红外传感器制作公共照明开关电路名称型号数量名称型号数量热释电红外探测模块IC1HN911L1稳压二极管VS12CW541V-MOS管V2BUZ3581稳压二极管VS22CW541三极管VT190121稳压二极管VS32CW541二极管VD11N40071增益调节电阻VR11M1二极管VD21N41481调整电位器VR2470k1二极管VD31N40071电阻R22001二极管VD41N5408电阻R470k1主要实验器材任务六 使用热释红外传感器检测接近物体实践操作利用热释电红外传感器制作公共照明开关电路操作步骤1）根据ICl的大小，在无孔开关盖板上开一个适当大小的孔，将ICl的传感面朝外，与盖板外表面平齐，用502胶水粘牢。2）其余元件焊在一块电路板上，用软线与ICl连接。光敏电阻最好和ICl同样安装，以便受光，整个装置置于开关盒内。由于人进出楼道时身体离红外感应开关很近，所以该开关一般均能可靠工作。如欲增大探测距离，可在传感器前面配上相应的菲涅耳透镜。3）调试时，首先断开光敏电阻，调整VRl，让人通过传感器旁边时灯泡点亮。接着焊上光敏电阻，遮住光线再细调一次便可。然后调整VR2让灯泡发光时间长短适当即可。Thank You！