㊀２０２１年㊀第４期
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ
２０２１㊀Ｎｏ．４㊀
收稿日期：２０２０－０５－２２
杨路超，郭琳娜，陈㊀啸，沈婷婷，邱自学
（南通大学机械工程学院，江苏南通㊀２２６０１９）
㊀㊀摘要：片式氧传感器陶瓷芯片电阻检测人工操作劳动强度大㊁生产效率低㊂在分析片式氧传感器陶瓷芯片结构及检测工艺要求的基础上，设计了片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统㊂根据控制系统要求，选择ＰＬＣ为主控制器，触摸屏为人机交互界面，设计了ＰＬＣ控制流程及系统操作界面㊂片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统结构简单㊁操作方便㊁运行效果良好，满足工厂使用要求㊂关键词：片式氧传感器；陶瓷芯片；加热电阻检测；ＰＬＣ
中图分类号：ＴＰ２３㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０４－００７１－０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｅａｔｉｎｇＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣｅｒａｍｉｃ
ＣｈｉｐｏｆＣｈｉｐＯｘｙｇｅｎＳｅｎｓｏｒ
ＹＡＮＧＬｕ⁃ｃｈａｏ，ＧＵＯＬｉｎ⁃ｎａ，ＣＨＥＮＸｉａｏ，ＳＨＥＮＴｉｎｇ⁃ｔｉｎｇ，ＱＩＵＺｉ⁃ｘｕｅ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ２２６０１９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｈｉｐｏｘｙｇｅｎｓｅｎｓｏｒｃｅｒａｍｉｃｃｈｉｐｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｈａｓｈｉｇｈｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｌｏｗｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｅｒａｍｉｃｃｈｉｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｈｉｐｏｘｙｇｅｎｓｅｎｓｏｒａｎｄｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｈｅａｔｉｎｇｒｅ⁃ｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｃｈｉｐｏｘｙｇｅｎｓｅｎｓｏｒｃｅｒａｍｉｃｃｈｉｐｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓ⁃ｔｅｍ，ＰＬＣｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄｔｈｅｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎｉｓｔｈｅｈｕｍａｎ⁃ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ＴｈｅＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｓｙｓｔｅｍｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｃｈｉｐｏｘｙｇｅｎｓｅｎｓｏｒｃｅｒａｍｉｃｃｈｉｐｈｅａｔｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｔ
ｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｈａｓ
ａｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｇｏｏｄｒｕｎｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈｉｐｏｘｙｇｅｎｓｅｎｓｏｒ；ｃｅｒａｍｉｃｃｈｉｐ；ｈｅａｔｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＰＬＣ
０㊀引言
氧传感器分为管式氧传感器和片式氧传感器㊂其中，片式氧传感器因其起效快㊁发热功率小和响应时间短等优点［１］，逐渐成为市场上的主流产品㊂
芯片技术是片式氧传感器的核心技术，目前，国
内片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测主要依靠人工检测，需要工人将陶瓷芯片逐个进行识别，并按照指定摆放形式连接到检测装置，完成电阻检测㊂这种依靠人工检测的方式劳动强度大，检测效率低，难以满足生产要求㊂
针对陶瓷芯片检测过程中存在的问题，并结合陶瓷芯片的结构特点及实际工艺要求，设计了片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统，该系统运行可靠，生产效率高，满足企业生产要求㊂
１㊀片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测设备１．１㊀片式氧传感器陶瓷芯片结构特点片式氧传感器陶瓷芯片为集成式感应与加热一
体化芯片［２］，其结构如图１所示
㊂
图１㊀陶瓷芯片外形结构示意图
１．２㊀设备功能要求
根据企业生产要求，片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测设备需实现以下功能：陶瓷芯片出料均匀，无卡料现象；能快速㊁准确地识别陶瓷芯片摆放状态；能将陶瓷芯片调整到指定摆放状态（陶瓷芯片正面朝上㊁反面朝下㊁后端与加热装置同侧㊁前端与接插件同侧）㊂
１．３㊀设备总体方案
为实现上述功能要求，设计了片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测设备，其机械结构如图２所示，主要由上料识别机构㊁吸盘抓取机构㊁旋转机构㊁翻转机构㊁芯
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㊀７２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ａｐｒ．２０２１㊀
片检测机构㊁合格品收料盒和不合格品收料盒等组成
㊂
图２㊀陶瓷芯片加热电阻检测设备结构示意图
图２中，上料识别机构主要由上料筒㊁送料板㊁图像识别传感器和送料气缸组成㊂工人将陶瓷芯片放入上料筒，设备启动后，送料气缸动作带动送料板经过上料筒和图像识别传感器完成陶瓷芯片的取料及其摆放状态识别㊂吸盘抓取机构中的吸盘通过吸盘气缸实现上升和下降，再由线性模组驱动，实现陶瓷芯片各工位间的切换㊂吸盘抓取机构通过反馈的陶瓷芯片摆放状态信息，将陶瓷芯片送至相应的调整机构；旋转机构通过摆动气缸带动芯片摆台旋转１８０ʎ实现陶瓷芯片前后端调整；翻转机构通过气动滑台带动翻转板顺时针旋转９０ʎ实现陶瓷芯片正反面调整㊂芯片检测机构用于陶瓷芯片加热电阻的检测，主要由加热装置㊁芯片检测台㊁接插件和接插件气缸组成；吸盘抓取机构将调整到指定摆放状态的陶瓷芯片送至芯片检测台，加热装置对陶瓷芯片后端加热，陶瓷芯片前端与接插件连接，接插件与检测仪表连接实时检测陶瓷芯片的电阻值㊂将检测到的加热电阻与理论阻值比较，判断其是否合格，再由吸盘抓取机构送至合格品收料盒以及不合格品收料盒进行分类收集㊂２㊀气动系统设计
片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统的气动控制原理如图３所示㊂气源即压缩空气，经过气动三联件处理后共分为６路，其中有５路经过５通先导式电磁阀和速度控制阀后分别到达相应的气缸内；有
１路通过真空发生器组件控制吸盘动作，完成对陶瓷芯片的吸取和释放㊂电磁阀通过ＰＬＣ程序控制
其通断情况，进而控制气缸的伸出与缩回动作［３］；速度控制阀采用排气节流型，对排出气流有所限制，不会造成活塞杆急速伸出或缩回，保证气缸动作的平稳性［４－５］㊂
３㊀控制系统设计
片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统采用图３㊀气动控制原理图
ＰＬＣ实现对各传感检测器及气缸㊁电机等的控制；采用人机界面对系统参数进行实时显示和调整［６］㊂
３．１㊀传感检测模块
为了保证装置能够正常运行，控制系统利用了图像识别传感器㊁接近传感器㊁光纤传感器㊁磁性开关等来监测装置的工作状态［７］㊂其中，图像识别传感器用于记录陶瓷芯片的摆放状态特征，反馈给ＰＬＣ系统㊂根据检测要求和性价比，选用型号为ＩＶ－
ＨＧ５００ＭＡ的图像识别传感器㊂利用ＩＶ－Ｎａｖｉｇａｔｏｒ软件进行传感器设定，以实现对陶瓷芯片摆放状态信息
的识别和判定㊂采用２次面积工具为判断工具，检测到的陶瓷芯片摆放状态共有４种可能，如图４所示：
状态一：摆放状态正确，可直接送至芯片检测机构进行检测；
状态二：摆放状态错误，需由旋转机构进行前后端调整才可送至芯片检测机构进行检测；
状态三：摆放状态错误，需由翻转机构进行正反面翻转才可送至芯片检测机构进行检测；
状态四：摆放状态错误，需依次经过旋转机构前后端调整和翻转机构正反面翻转才可送至芯片检测机构进行检测㊂
３．２㊀ＰＬＣ选型及Ｉ／Ｏ口分配
根据实际使用要求及系统输入㊁输出端口的数量，综合考虑后选用型号为ＦＸ３Ｕ－６４ＭＴ／ＥＳ－Ａ的ＰＬＣ，该型号ＰＬＣ采用了直流２４Ｖ输入电压，晶体管输出（漏型），可提供３２个输入点，３２个输出点，同时自带２路高速通讯接口（ＲＳ４２２＆ＵＳＢ），方便了上位机㊁ＰＬＣ及触摸屏之间的通讯及调试㊂
片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统共含有２４个输入点，１１个输出点，共计３５个点，其Ｉ／Ｏ口分配表如表１所示㊂
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㊀第４期杨路超等：片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统设计
７３㊀
㊀
（ａ）状态一
（ｃ）
状态三
（ｂ）状态二
（ｄ）状态四
图４㊀陶瓷芯片的４种摆放状态检测图像
表１㊀ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ口分配表
输入
输出
地址号功能说明
地址号功能说明
地址号功能说明Ｘ０检测上料筒内芯片有无Ｘ１４检测芯片检测台上芯片有无
Ｙ１０步进电机脉冲控制Ｘ１检测送料板上芯片有无
Ｘ１５送料气缸左磁性开关Ｙ１１步进电机方向控制Ｘ２检测合格品储料盒是否满料Ｘ１６送料气缸右磁性开关Ｙ１２步进电机电源控制
Ｘ３检测不合格品储料盒是否满料
Ｘ１７吸盘气缸上磁性开关Ｙ１３送料气缸电磁阀线圈Ｘ４图像识别传感器工具０１Ｘ２０吸盘气缸下磁性开关Ｙ１４吸盘气缸电磁阀线圈Ｘ５图像识别传感器工具０２Ｘ２１摆动气缸左磁性开关Ｙ１５摆台电磁阀线圈Ｘ６步进电机起始位置（接近）Ｘ２２摆动气缸右磁性开关Ｙ１６滑台电磁阀线圈Ｘ７
步进电机接近位置（接近）
Ｘ２３气动滑台左磁性开关Ｙ１７接插件气缸电磁阀线圈
Ｘ１０步进电机左极限位置（接近）Ｘ２４气动滑台右磁性开关
Ｙ２０三灯 红Ｘ１１步进电机右极限位置（接近）Ｘ２５接插件气缸前磁性开关Ｙ１０三灯 黄Ｘ１２检测芯片摆台内芯片有无Ｘ２６接插件气缸后磁性开关
Ｙ１１
三灯 绿Ｘ１３检测翻转板上芯片有无Ｘ２７
启动按钮３．３㊀系统控制流程图
片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测设备控制系统采用ＧＸＷｏｒｋｓ２进行ＰＬＣ的程序设计㊂根据设备的实际工作情况，设计了如图５所示的ＰＬＣ自动控制程序流程㊂３．４㊀触摸屏画面设计
触摸屏是人机交互的窗口，用户可通过触摸屏实时进行系统状态监测和参数设定［８］㊂选择型号为ＧＳ２１０７－ＷＴＢＤ型的触摸屏，该型号触摸屏拥有ＲＳ４２２和ＲＳ２３２等多个通信端口，能快速与ＰＬＣ实现数据交换通信，满足工况使用要求㊂利用ＧＴ－
Ｄｅｓｉｇｎｅｒ３进行触摸屏界面设计，触摸屏操作界面示意图如图６所示㊂
触摸屏界面主要包括以下几部分：
（１）主界面㊂如图６（ａ）所示，由 设备调试 ㊁ 芯片检测 和 设备概要 组成，手动按下即可进入相应的界面㊂
（２）设备调试界面㊂如图６（ｂ）所示，由 吸盘抓
取模块调试 ㊁ 上料识别模块调试 ㊁ 旋转模块调试 ㊁ 翻转模块调试 ㊁ 检测模块调试 和 警报模块调试 组成，手动按下即可实现对步进电机㊁气缸㊁三灯等进行点动控制㊂
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㊀７４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
汽车仪表识别Ａｐｒ．２０２１㊀
图５㊀ＰＬＣ
控制流程图
（ａ）
主界面
（ｂ）
设备调试界面
（ｃ）设备运行监控界面
图６㊀触摸屏界面
（３）设备运行界面㊂在主界面点击 芯片检测 即
开始芯片自动检测，同时触摸屏进入设备运行界面，如图６（ｃ）所示㊂
图６（ｃ）中，设备运行界面包括系统状态指示栏和运行监控指示栏㊂系统状态指示栏能够实时显示上料筒陶瓷芯片是否充足㊁收料盒是否已满㊁各工位有无工件；运行监控指示栏能够实时显示各部件运行状态㊁当前陶瓷芯片初始摆放状态㊁当前陶瓷芯片电阻值㊁已完成检测数㊁合格品数以及不合格品数［９］㊂
４㊀结论
根据片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻的检测工艺，设计了片式氧传感器陶瓷芯片加热电阻检测系统㊂该系统基于ＰＬＣ控制，能够实现陶瓷芯片的自动
上料㊁摆放状态识别㊁摆放状态调整㊁电阻值检测㊁分类收集等工序的自动连续运行㊂系统已投入实际生产使用，运行状态良好，降低了工人的劳动强度，提高了产品检测效率㊂
参考文献：
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系统研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１１，３２（４）：７９５－８００．［６］㊀王璐璐，郭琳娜，邱雪峰，等．氧传感器组件装配系统设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（５）：５５－５９．
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系统设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０２０（４）：４６－４９．
作者简介：杨路超（１９９６ ），硕士研究生，主要研究领域为机电
一体化装备及测控技术㊂
Ｅ⁃ｍａｉｌ：２９１７２１８１３９＠ｑｑ．ｃｏｍ
通信作者：邱自学（１９６３ ），博士，教授，博士生导师，研究领域
为机电一体化装备及测控技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｑｉｕ．ｚｘ＠ｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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