【文章內(nèi)容簡介】 33 傳感器的分類 分類方法 傳感器的種類 說明 按輸入量分類 位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器 傳感器以被測物理量命名 按工作原理分類 應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等 傳感器以工作原理命名 按物理現(xiàn)象分類 結(jié)構(gòu)型傳感器 傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換 特性型傳感器 傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換 按能量關(guān)系分類 能量轉(zhuǎn)換型傳感器 傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量 能量控制型傳 感器 由外部提供給傳感器能量，而由被測量來控制輸出的能量 按輸出信號分類 模擬式傳感器 數(shù)字式傳感器 輸出為模擬量 輸出為數(shù)字量 多。 考慮本設(shè)計(jì)的具體要求最終選擇了 超聲波液位計(jì)，超聲波液位計(jì)是非接觸式，測量反射波時(shí)間的裝置。該裝置應(yīng)為分體式，應(yīng)包括傳感器、變送器、傳感器專用連接電纜及全部安裝附件。 利用超聲波檢測往往速度比較快，方便、計(jì)算簡單、精度高、性能強(qiáng)、易于做到實(shí)時(shí)控制。而且體積小、重量輕、拆裝方便，可以適應(yīng)各種各樣的場合。 該裝置應(yīng)選用國外著名廠商制造的產(chǎn)品，符合以下條件： (1). 被測介質(zhì)：各種料液 (2). 測量范圍： 0～ 15m (3). 輸出： 4～ 20mADC ，隔離，最大負(fù)載阻抗不小于 500 歐 (4). 功能要求：具有獨(dú)立的調(diào)零及調(diào)整量程的功能，有自動溫度補(bǔ)償， 天津工程師范學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 (5). 電源： 220VAC177。10% ， 50HZ177。2% ， ，斷電自動儲存系統(tǒng)數(shù)據(jù) (6). 精度：滿量程的 % (7). 分辨率 : 1 mm (8). 穩(wěn)定性：十二個月 %，并可去除水面巨烈波動的干擾 (9). 零點(diǎn)遷移：盲區(qū)以外任意設(shè)定 (10). 四種超聲波發(fā)射模式，調(diào)節(jié)發(fā)射功率和角度，適應(yīng)現(xiàn)場的障礙物和粉塵、 蒸汽等 。 (11). 顯示 : 高亮度兩行 40 字符 LCD, 帶百分比和溫度顯示 ， 4 1/2 字符顯示， 并具有現(xiàn)場 操作功能 (12). 傳感器與變送器間專用電纜： 10 米 (13). 防護(hù)等級：傳感器： IP68，變送器： IP65。 (14). 工作溫度：變送器 :20～ 60℃ 傳感器 : 40～ 80℃ (15). 故障報(bào)警：開關(guān)量輸出自身報(bào)警 220VAC， 2A（ 3 路） 電動機(jī)的選型 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī) 作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖信號和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。 一、 控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 176。 、 176。 ，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 176。 、 176。 。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為 176。 ；德國百格拉公司（ BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為 176。 、 176。 、 176。 、 176。 、176。 、 176。 、 176。 、 176。( 由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行細(xì)分 )，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn) 2500 線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為 360176。/10000=176。 。對于帶 17 位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收 217=131072個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為 360176。/131072= 秒。是步距角為 176。 的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的 1/655。 二 、低頻特性不同 天津工程師范學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（ FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 三、矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300～ 600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2021RPM 或 3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 四、過載能力不同 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以 **交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服 慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 五、運(yùn)行性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可 靠。 六、速度響應(yīng)性能不同 步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要 200～ 400 毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中綜合考慮控制要求、可靠性 等多方面的因素，選用 異步 電 動 機(jī)。 天津工程師范學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC 控制電路設(shè)計(jì) PLC 是液位控制系統(tǒng)的核心部分，它具有 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高 、 編程方便 、使用方便 、 維護(hù)方便 、 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短 等優(yōu)點(diǎn)。以上種種優(yōu)點(diǎn)決定了 PLC 在控制領(lǐng)域的核心地位，本設(shè)計(jì)利用 PLC 與變頻器之間的通信來控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)動的頻率，從而達(dá)到控制液位的目的。 PLC 的工作原理 圖如圖 41所示。 天津工程師范學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 自 動 按 鈕手 動 按 鈕停 止 按 鈕I 0 . 11 MI 0 . 0I 0 . 2ML +1 LQ 0 . 0Q 0 . 1Q 0 . 2Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 52 LQ 0 . 6Q 0 . 7NL 1S 7 2 0 0P L CC P U 2 2 6A C 2 2 0 VD C 2 4 V3 LK M 1液 位 傳 感 器電 機(jī) 接 觸 器D C O M ED I N 1變 頻 器 運(yùn) 行 、 停 止 信 號I 0 . 3I 0 . 4Q 1 . 0Q 1 . 1聲 光 報(bào) 警I 0 . 5 圖 41 PLC外部接線圖 PLC 采集傳感器、監(jiān)控電機(jī)及變頻器等有關(guān)的各類對象的信息。本系統(tǒng)中，對電機(jī)采用 一臺變頻器來進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)控制。采用 PLC 輸出的模擬量信號作為變頻器的控制端輸入信號，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并且向 PLC 反饋?zhàn)陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)信號，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能夠向 PLC 發(fā)出報(bào)警信號。由于變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，故在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因此具有高效率、寬范圍、高精度的調(diào)速性能。 PLC 在這里直接控制電機(jī)的啟動和停止，它在接收了變頻器的信號后，對當(dāng)前的液位值與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過內(nèi)部程序進(jìn)行運(yùn)行或停止，如果液位滿足報(bào)警條件將會進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)停止自動 運(yùn)行。 I/O 分配如表 41所示。 表 41 系統(tǒng) I/O分配表 輸入 功能 輸出 功能 手動 按鈕 KM1（ 接觸器線圈 ） 自動按鈕 聲光報(bào)警指示 液位傳感器 開關(guān) 變頻器運(yùn)行、停止信號 停止 按鈕 2L 變頻器端子 變頻器的外部電路設(shè)計(jì) 變頻器作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)， 它是采用交一直一交電源變換技術(shù)、電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)利用變頻器接收液位傳感器的電流信號，自天津工程師范學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 身進(jìn)行分析處理，從而達(dá)到變頻調(diào)速的 目的。變頻器外部接線圖如圖 42 所示。 變頻器URD I N 13 L電 位 器 （ 頻 率設(shè) 定 器 ）VWUVW～ 3 8 0 V接 P L C 輸 出 端 子電 機(jī) 圖 42 變頻器外部接線圖 電動機(jī)的外部電路設(shè)計(jì) 電動機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的選用很大程度上決定了系統(tǒng)的成功與否，本設(shè)計(jì)選用的是 步進(jìn) 電動機(jī)，它 本身所 具有 的 性能， 完全 滿足 本設(shè)計(jì)所需要的性能指標(biāo)，所以 完全可以將步進(jìn) 電機(jī) 用 在變頻器調(diào)速過程中。 如圖 43所示。