第一章傳感器1.1概述1.2位置式傳感器1.3位移傳感器1.4速度傳感器1.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)

1返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.1概述一、傳感器的作用與定義1.傳感器的作用將被測量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的易于處理的電量，它獲得的信號(hào)正確與否，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度。

2.傳感器的作用根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-1987）《傳感器通用術(shù)語》，傳感器的定義是：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。2返回下一頁上一頁結(jié)束首頁二、傳感器的組成3敏感元件：轉(zhuǎn)換電路：是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分；是指感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件：是把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換為便于處理、顯示、記錄、控制和傳輸?shù)目捎秒娦盘?hào)。圖1-1傳感器的構(gòu)成返回下一頁上一頁結(jié)束首頁三、傳感器的分類傳感器的分類方法很多，常用的分類方法有按工作原理和按被測量性質(zhì)分類。1.按工作原理分類

參量傳感器：發(fā)電式傳感器：特殊傳感器：這種分類便于從原理上認(rèn)識(shí)輸入與輸出之間的變換關(guān)系，有利于從業(yè)人員從原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用上進(jìn)行歸納性的分析與研究。包括觸點(diǎn)傳感器、電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器等；包括光電池、熱電偶傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器和磁電式傳感器等。包括超聲波探頭、紅外探測器和激光檢測等。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁三、傳感器的分類2.按被測量性質(zhì)分類5這種分類方法對使用者比較方便，容易根據(jù)測量對象來選擇所需用的傳感器。檢測機(jī)械量（力、長度、位移、速度和加速度等）；檢測熱工量（溫度、壓力和流量等）；檢測各種氣體、液體、固體化學(xué)成分的傳感器，如檢測可燃性氣體泄漏的氣敏傳感器；檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的傳感器，如由干簧管、霍爾元件做成的各種接近開關(guān)；用來檢測金屬制品內(nèi)部的氣泡和裂縫、檢測人體內(nèi)部器官的病灶的傳感器，如超聲波探頭、CT探測器等。機(jī)械量傳感器：熱工量傳感器：

成分量傳感器：

狀態(tài)量傳感器：

探傷傳感器：

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位置式傳感器——是通過信息檢測來確定焊接工件或者焊槍是否已經(jīng)達(dá)到某一位置的傳感器。位置式傳感器不需要通過產(chǎn)生連續(xù)變化的模擬量，只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關(guān)量就可以了。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)位置檢測主要使用各種接近開關(guān)。

接近開關(guān)——是利用位移傳感器對接近物體的敏感特性，控制開關(guān)通斷的一種裝置，當(dāng)物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距離時(shí)，傳感器才有“感知”，開關(guān)才會(huì)動(dòng)作，通常把這個(gè)距離叫檢出距離。不同的接近開關(guān)檢出距離不同。

6返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.2位置式傳感器

一、電容式接近開關(guān)

電容式接近開關(guān)是利用物體間的電容變化來確定物體位置。根據(jù)電容的變化檢測物體接近程度的方法有多種，但最簡單的方法是將電容器作為振蕩電路的一部分，并設(shè)計(jì)成只有在傳感器的電容值超過預(yù)定閾值時(shí)才產(chǎn)生振蕩，然后再經(jīng)過變換，使其成為輸出電壓，用以確定被檢測物體的位置。7圖1-2電容式接近開關(guān)的工作原理返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.2位置式傳感器二、電感式接近開關(guān)電感式接近開關(guān)是一種開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。當(dāng)金屬物體靠近接近開關(guān)時(shí)，探頭產(chǎn)生電磁振蕩，金屬物體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流。金屬物體產(chǎn)生的渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能量衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，從而識(shí)別出金屬物體。也常稱為渦流式接近開關(guān)。

8返回下一頁上一頁結(jié)束首頁電感式接近開關(guān)只能檢測金屬材料，不能用于非金屬材料。電容傳感器卻能克服以上缺點(diǎn)，它幾乎能檢測所有的固體和液體材料。由于目前的工程結(jié)構(gòu)中金屬材料仍然是主體，因此，在焊接自動(dòng)化中，電感式接近開關(guān)應(yīng)用是非常普遍的。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.2位置式傳感器三、霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān)是利用檢測磁感應(yīng)強(qiáng)度來檢測位置。目前經(jīng)常采用霍爾開關(guān)集成傳感器?；魻栭_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長，無觸點(diǎn)磨損，無火花干擾，無轉(zhuǎn)換抖動(dòng)，工作頻率高，溫度特性好，能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。在焊接自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。

10集成霍爾元件

返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.2位置式傳感器四、光電式接近傳感器光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。所有能反射光線的物體均可被檢測。根據(jù)工作原理不同，分為對射型和反射型兩種。11返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.2位置式傳感器四、光電式接近傳感器12圖1-3對射型光電開關(guān)圖1-4反射型光電開關(guān)將投光器與受光器置于相對的兩個(gè)裝置，光束也是在相對的兩個(gè)裝置之間，穿達(dá)投光器與受光器之間的物體會(huì)阻斷光束并啟動(dòng)受光器；將投光器與受光器置于一體內(nèi)，光電開關(guān)反射的光被檢測物體反射回受光器反射型光電開關(guān)：對射式光電開關(guān)：返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.2位置式傳感器五、位置傳感器的應(yīng)用

位置控制在自動(dòng)焊接中應(yīng)用非常廣泛。在直縫、環(huán)形焊縫自動(dòng)焊接和焊接生產(chǎn)自動(dòng)流水線的工件傳輸，以及焊接工位的自動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制，都需要采用位置傳感器。13圖1-5直縫自動(dòng)焊圖1-6焊接工位自動(dòng)轉(zhuǎn)換返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.3位移傳感器位移傳感器是用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度和角位移等幾何學(xué)量的一種傳感器。常見的有電感式傳感器、光柵傳感器等。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.3位移傳感器一、差動(dòng)變壓器式位移傳感器差動(dòng)變壓器式位移傳感器是感應(yīng)式位移傳感器中應(yīng)用最廣的一種。

15圖1-7差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)原理圖特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、分辨率高、穩(wěn)定性好和使用壽命長的特點(diǎn)，使用時(shí)只要把傳感器的殼體夾固在參照物上其測桿頂（或夾固）在被測點(diǎn)上，就可以直接測量物體間的相對變位。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.3位移傳感器二、光柵位移傳感器光柵位移傳感器是一種數(shù)字式傳感器，直接把非電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。應(yīng)用：主要用于長度和角度的精密測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的位置檢測等，還可以檢測能夠轉(zhuǎn)換為長度的速度、加速度、位移等其他物理量。光柵位移傳感器由移動(dòng)光柵、固定光柵、光源和受光元件組成。16返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第三節(jié)17特點(diǎn)：檢測精度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、易與微機(jī)接口、便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量。a)位移量檢測b)位移方向檢測圖1-8光柵尺返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.3位移傳感器三、磁柵傳感器磁柵傳感器也是一種用于檢測位移的傳感器。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低于光柵，具有制作簡單、易于安裝、調(diào)整方便、測量范圍（

～十幾米）寬、抗干擾能力強(qiáng)、磁信號(hào)可以重新錄制。目前，可實(shí)現(xiàn)測量分辨率1～55μm，系統(tǒng)精度為±0.01mm/m。缺點(diǎn)：需要屏蔽和防塵。應(yīng)用：（磁柵傳感器可分為長磁柵和圓磁柵）長磁柵主要用于直線位移的測量，圓磁柵主要用于角位移的測量。磁柵又稱磁尺，由磁柵基體和磁性薄膜組成。18返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第三節(jié)圖1-9磁柵傳感器結(jié)構(gòu)圖組成：磁尺：是檢測位移的基準(zhǔn)尺磁頭：用來讀取磁尺上的記錄信號(hào)。檢測電路：主要用來供給磁頭激勵(lì)電壓和把磁頭檢測到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁1.3位移傳感器四、位移傳感器在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用20圖1-10直線光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)211.4速度傳感器測量速度的方法有很多，通常有霍爾傳感器測速、電渦流測速、光電編碼器測速等。其中霍爾傳感器、電渦流傳感器在本章前面已介紹，本節(jié)主要介紹光電編碼器。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)221.4速度傳感器一、光電編碼器與模擬式傳感器相比，數(shù)字傳感器具有以下特點(diǎn)：測量的精度和分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，便于信號(hào)處理與自動(dòng)檢測和控制。在檢測物體旋轉(zhuǎn)角度（位移）、轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)的數(shù)字傳感器中，目前應(yīng)用較多的是光電旋轉(zhuǎn)編碼器。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)231.4速度傳感器一、光電編碼器與光柵傳感器比較：相同：檢測原理相同，都是通過檢測傳感器輸出的脈沖數(shù)來檢測物體的位移與移動(dòng)速度的。區(qū)別：光電編碼器既可以直接檢測旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)的角度和轉(zhuǎn)速，也可以檢測直線平移物體的位移和運(yùn)動(dòng)速度；而光柵傳感器一般只能檢測直線平移物體的位移和運(yùn)動(dòng)速度。優(yōu)點(diǎn)：測量精度高、分辨率高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、便于與計(jì)算機(jī)接口、適宜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。光電編碼器是通過轉(zhuǎn)動(dòng)圓形光柵盤來檢測旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)24圖1-11增量式編碼器的結(jié)構(gòu)圖1.4速度傳感器一、光電編碼器1.增量式編碼器它由光源、光柵板、碼盤和光敏元件組成。碼盤與轉(zhuǎn)軸連在一起，它是用玻璃材料制成，表面涂有一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心透光窄縫，透光窄縫在碼盤周圍上等分，數(shù)量從一百多條到幾千條不等。光源一般用LED。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)251.4速度傳感器一、光電編碼器2.絕對式編碼器

圖1-12絕對式編碼器組成示意圖按照角度直接進(jìn)行編碼，能直接把被測角用數(shù)字代碼表示出來。從代碼大小的變更，即可判別正反方向和轉(zhuǎn)軸所處的位置，而無需判別方向電路。它有一個(gè)絕對零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后，再開機(jī)重新測量時(shí)，仍可準(zhǔn)確讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼，并準(zhǔn)確地找出零位代碼。一般情況下，絕對式編碼器的測量范圍為0～360度。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)26圖1-13電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制圖圖1-14接近開關(guān)測轉(zhuǎn)速1.4速度傳感器二、速度傳感器在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)271.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)一、焊縫跟蹤傳感類型按工作原理通?？煞譃榻佑|式和非接觸式。圖1-15焊縫跟蹤的傳感器的分類返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)281.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)二、機(jī)械接觸式傳感機(jī)械接觸式傳感器所用的傳感元件有靠模、靠輪及探針等幾種形式。焊縫跟蹤的工作原理：將一根金屬探針放置在焊接熔池的前沿，探針沿焊縫移動(dòng)，將焊縫位置信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)探針的信號(hào)對焊槍移動(dòng)軌跡進(jìn)行修正。圖1-16機(jī)械接觸式傳感器機(jī)械探針式傳感器一般用于長、直焊縫的單層焊及角焊縫。目前，在航天運(yùn)載器推進(jìn)系統(tǒng)焊接中使用的這種探針式焊縫跟蹤裝置的跟蹤精度為1mm。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)291.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)二、機(jī)械接觸式傳感探針式傳感器的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、抗弧光、電磁和煙塵干擾的能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：對于結(jié)合比較緊密的焊縫接頭，效果不佳；對不同形式的坡口需要不同形狀的探頭；對坡口的加工要求高，跟蹤表面的任何損傷和粗糙不平都會(huì)影響跟蹤的穩(wěn)定性；探頭磨損大、易變形，尤其是在高速焊接情況下，從而影響跟蹤精度；由于磨損還影響到探頭使用壽命，需要定期更換。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)301.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)三、電極接觸式傳感又稱焊絲接觸式傳感器。這種傳感器以檢測電源代替焊接電源，接在電極與工件之間。一般使用300－600V的電壓，頻率為50或60Hz。

應(yīng)用：主要針對弧焊機(jī)器人研制的，它可以有效檢測機(jī)器人路徑的示教點(diǎn)和實(shí)際位置之間的偏差，在程序中進(jìn)行修改。不能在焊接過程中使用，一般用來檢測焊接起始和終點(diǎn)位置。在許多場合，它與電弧傳感器相配合使用。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)311.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)四、電磁式傳感適用于對接、錯(cuò)接和角焊縫。其體積較大，使用靈活性差，且對于磁場干擾和工件裝配精度比較敏感、一般應(yīng)用于對精度要求不高的場合。圖1-17電磁式傳感器返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)321.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)五、超聲波傳感原理：超聲波傳感焊縫跟蹤實(shí)際上利用了超聲波測距的原理。超聲傳感器發(fā)射超聲波，遇到焊件金屬表面時(shí)，超聲波信號(hào)被反射回來，并由超聲波傳感器接收，通過計(jì)算傳感器發(fā)射到接收的聲程時(shí)間，可以得到傳感器與焊件之間的垂直距離，再與給定的垂直高度相比較，可得到高度方向的偏差大小與方向?？刂葡到y(tǒng)則根據(jù)檢測到的偏差大小及方向在高度方向進(jìn)行糾偏調(diào)整。超聲波傳感器計(jì)算強(qiáng)度較小，但是跟蹤的精度也較低。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第四節(jié)331.5焊縫跟蹤傳感技術(shù)六、電弧傳感工作原理：在焊接過程中，當(dāng)焊槍與工件之間的相對位置發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電弧電壓、電弧電流的變化，這些變化都可以作為特征信號(hào)被提取出來實(shí)現(xiàn)上下和左右兩個(gè)方向的跟蹤控制。類型：擺動(dòng)式電弧傳感器、旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器。返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第五節(jié)34圖1-18擺動(dòng)式電弧傳感器原理圖1-19旋轉(zhuǎn)傳感器原理圖返回下一頁上一頁結(jié)束首頁第五節(jié)35擺動(dòng)掃描式電弧傳感器是電弧傳感器應(yīng)用較早的形式，在控制焊接成形，改善焊接質(zhì)量方法有較大的好處，但是受其擺動(dòng)頻率的限制，采樣數(shù)據(jù)處理周期較長，跟蹤精度不高。與擺動(dòng)電弧傳感器相比，高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器具有如下特點(diǎn)：高速旋轉(zhuǎn)增加了焊槍位置偏差的檢測靈敏度，極大地改善了跟蹤的精度；高速旋轉(zhuǎn)使快速控制的相應(yīng)性能的實(shí)現(xiàn)成為可能。返回下一頁