生产自动化(培训)
63页1、生產自動化 -感測器感測器概述感測器概述 甚麼是感測器感測器分類感測器需要的特性感測器物理量轉換甚麼是感測器 控制系統中可量測物理量(諸如:溫度,壓力,或位置 )、監視系統輸出,並可轉換系統輸出成電氣信號,再饋回控制器的元件,稱為感測器。控制器 加熱系統 恆溫受控系統 溫度感測系統 輸出(系統溫度值 ) 輸入(設定恆溫值 ) +-感測器分類感測器分類 分類 測定量 機械 壓力、力、重量、速度、加速度、轉速、動量、長度、厚度、振動 頻率 頻率、時間 電電壓、電流、電力、電荷、電阻、電容、電感、電磁波磁磁通、磁場 光照度、色、光、紅外線、紫外線溫度 溫度、熱量、比熱音響 噪音、音壓、音頻生醫 心音、血壓、體溫、腦波圖、心電圖、血氧飽和度化學 濃度、成分、 PH值、密度、比重 感測器需要的特性 1.尺寸。2.準確度。3.精確度。4.操作範圍。5.響應速度。6.校正。7.可靠度。8.經濟性。9.穩定性。10.溫度限制。11.容易應用。感測器物理量轉換感測器物理量轉換 基本上,感測器對物理量的變化會變換成電阻、電流或電壓等形式之變化量,最後需以一轉換電路轉換成電壓輸出。其方塊圖如下圖:物理量的變
2、化電流變化電阻變化電壓輸出轉換電路電壓變化:感測器物理量轉換感測器物理量轉換一般而言,圖中最後的電壓輸出均相當小,因此通常需要再利用放大電路來加以放大訊號,然後才可以經由控制單元介面擷取至電腦中進行處理做各種自動化控制的應用,完整感測電路應如下圖:感測元件物理量變化 轉換電路 放大電路 控制單元介面 依據變化量分類變化量在 1m 10000m範圍:有應變計(STRAIN GAGE),或光之干涉作用產生的明暗變化之測定方式等。變化量在 0.01mm 10mm:有差動變壓器(LVDT),光電開關脈波數測定法,磁場強度測定法,電容量測定法等。變化量在 1mm 1000mm:可使用電位計(Potentiometer),光電開關脈波數測定法,電磁感應脈波數測定法等。變化量在 0.1m以上者 :可使用超音波反射測距法,光波反射測距等方式。應變計 (STRAIN GAGE)應變計又稱為負荷囊(loadcell),在 1856年由 LoadKelvin所發現,由金屬材料加壓變形後,金屬阻抗產生變化所做成的。當金屬材料受到拉力或張力時,金屬材料變細,電氣阻抗增加。反之,受到壓縮時,則金屬阻抗變小。應用這
3、種方法做成的被稱為應變計。此類感測裝置可以將物理現象中的壓力變換成電氣信號輸出,因此常被用在荷重、張力、壓力轉換的場合之中。應變計的構造下圖是一個標準典型的應變規。一個只有幾微米厚度金屬阻抗薄片固著在一片電子絕緣材料上使用一特定的接著劑。為適合所需的外形,在照相蝕刻過程中已將不需要的部份去除掉,如此輸出阻抗改變值的導線就可以固定了。應變計阻抗一般皆設為120、350。應變計原理應變在測量金屬線(或金箔)上由於應變而改變電子阻抗,現在我們就來研究當金屬線產生應變時,電子阻抗改變的情況。 應變計原理金屬樣本的電阻,可由下式定出R0l0A0式中R0樣本的電阻 () 樣本電阻係數 (resistivity)(-m)l0樣本長度 (m)A0截面積 (m2)應變計原理Rl0lA0ARl0A0(1+2ll0)2R0ll0RVl0A0(l0l)(A0A)電阻的變化應變計原理例題有一電阻值為 120的金屬線,試求 1000m/m應變所造成的電阻變化。解:2R0ll0RRR(2)(120)(10-3)0.24應變計的一般特性1.非線性。2.應變 計電流。3.感應頻率。4.破壞。 1.非線性雖然應變計會由於
4、型式、外形、尺寸及構造的差異而使線性有所差別,但應變在3000到4000*10-6所測得的應變值,大約近似 1%的非線性。應變在增加時應變計常數有降低的傾向。在應變 6000到8000*10-6時會有 3到5%的改變。假若應變繼續增加,應變計會剝離或不與測試體接觸。一般而言,應變計大致會在應變10000到30000*10-6時剝離。 2.應變計電流 應變計所使用電流的上限為20mA,雖然會因為應變計的尺寸和測試體的熱當量(此因素會影響熱能的消散)而有差異產生。所以,應變計適用的最大電壓為:橋式應變規 120電壓 5V,350應變規電壓 14V。3.響應頻率 在使用應變計測量動態現象時,應變是經由基座及黏膠而傳送到電阻感應器上。此傳送過程非常的迅速。例如震動現象,應變計上的應力分佈並不是均勻的,因為會受到測試體內部結構元件所傳送彈性應力波的影響。從實驗獲得,在應變計長 10mm及3mm時各別的傳送節點大約近似 1.6s及0.47s(至少頻率為170KHZ及360KHZ)。因此除了特例外,機件或結構元件的快速應變行為可僅僅使用應變計量測。4.破壞假若施於應變計上的應變非常多且大,就可能導致
5、阻抗增加,導線及抗阻器無法接續,且由於揚起的導線而使接著的基座剝離,這些因素會導致應變計無法繼續使用,稱之應變計”破壞 ”。應變計破壞的耐久性和應變所施於及循環有關,且和型式、外形、尺寸都有關。生命週期的設定是用高於100*10-6的應變變化的週期應變和示波器上1500*10-6反覆應變的長釘形波形作比較而得。一般應變計的生命週期為 105次循環。 磁感測器 (Magnetic Sensor)將一個線圈安置於一磁場中,當有物體接近,干擾了磁場,線圈即根據此一磁場之變化而輸出電壓信號,以此作為應用即為磁感測器。磁感測原理1.安培定律:電流 I通過一導體時,會在周圍空間產生一垂直於電流方向分佈的磁場B如下圖所示,電流越大,磁場就越強而離導線越近,磁場也增強。磁感測原理2.科學家楞次 (Lentz)在做電磁鐵實驗時,他把磁鐵由線圈中拿出,結果注意到線圈中有電流發生,再把磁鐵放進去,又發現有反方向的電流產生。磁感測原理3.法拉第 亨利定律 : 假設有一個封閉的導電回路。如果將之放在一個因時間而交變的磁場中,將在此回路中產生一個交變的電流。此電流被一個電動勢所推動,此電動勢之大小視磁場變化率(包
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