接近觉传感器的技术指标及应用

在弧焊机器人系统中，机器人本体和外围的配套设备协调运动，构成了一个有机的整体。外围设备或用于拖动机器人本体运动，或用于工件的位置和姿态的调整。无论做何种运动，总存在对机械装置的定位问题。在定位机械装置时，常采用接近传感器（接近开关）来做机械零位或者限位。

用于定位的接近觉传感器有电涡流式、光电式和超声波式等接近传感器。

1．电涡流接近觉传感器
    
电涡流式接近觉传感器一般也称为电涡流式接近开关。电涡流传感器用于检测的对象是金属材料。传感器内部有振荡电路，振荡电路含电感、电容和正反馈电路等。当振荡电路靠近金属物体时，在金属内部会产生感应电流称为电涡流，电涡流所产生的磁场和振荡电路中磁场方向相反，导致振荡电路的阻抗发生变化，振荡电路中的电流发生相应变化。通过检测振荡电路电流的变化可以推断感应物和传感器之间的距离变化。电涡流接近觉传感器既可以做成开关量输出的接近开关，也可以设计成模拟量输出的测距传感器。

在做接近开关用时，一般在被检测的机械设备上安装一金属感应物，当感应物逐渐靠近接近开关时，到了传感器的感应距离后，传感器常闭节点接通，常开节点断开。接近开关分三线式和两线式，三线式又分为NPN输出和PNP输出。
    
模拟量输出的电涡流位移传感器，用于检测机械设备的运动和位移。传感器一般分成两部分，一部分是金属的感应物，一部分是带振荡电路的传感器本体。使用时，通常这两部分之一固定不动，另一部分和机械设备连接在一起，当设备运动时，传感器的两部分产生运动，导致传感器的输出发生相应的变化，传感器的输出和感应物到传感器本体的距离呈线性关系。

电涡流接近传感器不能在强磁场环境工作。建议感应物的厚度在1mm以上，感应物如果是正方形A3钢，正方形的边长应是传感器感应头直径的2.5倍以上。如环境温度过高，则检测距离会有比较明显的变化，在使用时，应留出足够的余量。

 
在选用传感器时，主要关注的技术指标包括：

①检测距离，此类传感器检测距离一般在几毫米到几十毫米，根据检测物的要求选择合适的检测距离；

②检测频率，指传感器在单位时间内能够检测的信号次数，一般在几百赫兹，性能较好的可达到数千赫兹；

③接线和输出形式，此类传感器接线形式多样，有两线式和三线式，两线式分为交流供电两线式和直流供电两线式，三线式分为NPN和PNP型，输出有常开触点、常闭触点或模拟量，在选型时，应根据实际需要先确定供电形式，再根据控制器的输入接口，选择两线还是三线接口，如果三线接口的传感器应该根据控制器的输入接口电路确定选NPN或PNP输出；

④安装形式，传感器外形多是圆形，分为齐平和非齐平。齐平型的传感器感应头嵌入在传感器外壳内，坚固可靠，而非齐平的灵敏度要高于同类型的齐平型传感器，安装时，齐平型传感器的感应头可以和设备金属壳体齐平，而非齐平式传感器的感应头则应伸出安装的金属物体。
 
2．光电传感器

光电式接近觉传感器涵盖了光电开关、模拟量或者数字量输出的光电测距传感器。光电传感器的光源有激光、红外或者自然光等多种形式，光源的结构也有点光源、线光源（结构光）和面光源等。光电开关用于检测“检测距离”内有无受检物，可用于检测机械设备是否到达了特定位置。

而光电测距传感器常用于检测机械装置的整体或部分的相对移动量。光电开关以光线为介质，用接收元件的光电效应实现检测，当光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致接收元件的受光量变化时可检测到受检物的有无，并输出开关信号。
 
光电传感器的检测形式多样，常见的有对射型、镜片反射性和漫反射型。对射型传感器的两个主要部件投光器和受光器相向布置，当物体通过其间，透光量产生变化从而实现物体的检测。

漫反射型传感器投光和受光一体，当有检测物通过时，物体将光电传感器反射的光线反射到受光器，在受光器上产生了光电信号，一般要求检测物体表面光亮或者反光率高。
    
镜反射和漫反射相同的是投光受光一体，不同的是镜反射需要专门的一个反射镜，光线投到反射镜上，经反射镜反光后，在受光器上形成光电信号，当物体通过投光器和反射镜之间时，光线被遮挡，导致受光器无法接收到反射镜的反射光，光电器件产生开关信号。
    
不同于电涡流式传感器，光电传感器不要求检测物为金属，但是检测物的表面粗糙度和颜色会影响光电传感器检测效果。光电传感器的检测结果易受检测物的表面粗糙程度、颜色等影响，较为先进的背景抑制型光电传感器可降低检测物表面属性对传感器的影响。
    
光电传感器的检测距离较远，可实现涡流传感器无法检测的距离，且对检测物没有磁性要求，所以检测范围更广。但是光电传感器对于工作环境光线、环境粉尘有较严格的要求，在强光直射而无有效遮光措施时，光电传感器无法正常使用。在选用光电传感器时，需关注的主要技术指标包括：

①检测形式，根据检测要求，可选择对射或者反射的光电传感器，对射型对检测物的被测面尺寸有要求，镜反射型适用于被测物表面光线反射能力弱的情况，漫反射型则对被检测物的表面颜色和表面尺寸有要求；

②检测距离，以Omron光电开关为例，不同的传感器可实现检测距离0.1~ 60m，其中对射型检测距离的变化范围较宽，反射型的最大检测距离在数米；

③响应频率，它的选择跟检测物通过光路的频率有关，传感器的响应频率一般在几百赫兹，快速反应型可达l—2kHz。
    
3．超声波传感器
    
超声波传感器是利用声波的反射特性来检测传感器和受检物之间的距离。超声波传感器的超声波探头内含超声波换能器，该换能器能够实现机械波和电信号之间的转换。传感器发出的电信号激励超声换能器，超声换能器把电激励信号转换成机械振动，发出超声波，超声波遇到检测物后发生反射，反射波回到超声波传感器被换能器转换成电信号。

通过检测发出的电信号和反射波产生的电信号之间的时间、相位差可以实现距离的测量。渡越时间( Time of Flight)法、调频法和相位法等是超声波传感器的常用算法，其中，渡越时间法是最常见的一种方法。超声换能器发射超声和接收到超声反射波的时间差就是超声波在超声传感器到受检物之间往返一次所需的时间。利用超声波在空气中的传播速度和渡越时间可以计算出超声传感器和受检物之间的距离。
    
超声波传感器也有模拟输出、数字（通信）输出的测距传感器和开关式输出的接近开关。由于超声波传感器可以检测金属、非金属、固体、液体等各种属性的物质，对物体的透明度也不敏感，所以应用场合非常广，传感器的精度和线性度都较好。目前，我国也在超声传感器的换能器、测量方法和改善测量精度等领域开展了一些研究，并取得了一定的进展。
    
超声波传感器常用于测距、避障（检测物体的有无），国内外学者也开展了基于超声波传感器的焊缝跟踪研究。在弧焊机器人系统中，出于成本的考虑，一般不用超声波做接近开关用，而用于距离测量。
    
超声波传感器对环境的风敏感，工作环境风速过高将影响传感器的测量精度；如果检测物反射超声的面较小，则需将超声波聚焦，否则容易检测不到被检物。在选择超声波测距传感器时，关注的主要指标包括响应时间、测量距离和测量精度。超声测距传感器采用时间渡越法测量距离，所以检测距离和响应时间密切相关，检测距离越大响应越慢，要根据不同的应用目的平衡响应时间和检测距离。

对于检测距离在5m以内的响应时间在几十毫秒，开关量输出的传感器的开关频率为10~ 40Hz。超声波测距传感器的测量精度也和检测距离相关，检测距离在5m以内的传感器，绝对精度在1~ 2mm。

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