工業(yè)自動化中常見傳感器類型及選型技巧

傳感器是電子信息裝備制造業(yè)中的基礎類產(chǎn)品，是重點發(fā)展的新型電子元器件中的特種元器件。傳感器產(chǎn)業(yè)作為國內(nèi)外公認的具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人矚目。在蓬勃發(fā)展的電子信息產(chǎn)業(yè)市場的推動下，我國傳感器已形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎，并在技術(shù)創(chuàng)新、自主研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和競爭能力等方面有長足進展，為促進國民經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。

隨著信息時代的到來，傳感器成為人們獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量;在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位。

如今，傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等極其廣泛的領(lǐng)域?？梢?，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用是十分明顯的。統(tǒng)計數(shù)字顯示，全球智能傳感器市場的年營業(yè)收入會以每年10的速度遞增。目前全球安裝有處理器的傳感器設備數(shù)量為6500萬部，到2019年這一數(shù)字將達到2.8萬億部。

傳感器知識也是一個比較龐大的電氣學科，需要豐富的經(jīng)驗才能熟練的掌握，以后我們還會講解到，那么今天我們主要說下選型。

1、根據(jù)測量對象與輸出條件確定類型

要進行某個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，用流量計舉例，有電磁流量計和渦街流量計還有超聲波流量計，我們需要針對具體目標去選擇流量計，除此之外，還需要參考需要使用哪種輸出模式，比如說2線制還是四線制電流信號，0-20ma，4-20ma，0-10v電壓信號或者是某種協(xié)議的通訊。

2、依據(jù)靈敏度的選擇

通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、判斷頻率響應特性

傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真。實際上傳感器的響應總有-定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應越高，可測的信號頻率范圍就越寬。在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。

4、根據(jù)傳感器的穩(wěn)定性

傳感器使用一段時間后，其性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。

5、傳感器的量程和精度是最難以協(xié)調(diào)的一對冤家。

精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。然而傳感器精度卻受量程的制約，一般量程越大，精度越低，但高精度的傳感器很有可能量程不夠，因此也就導致了高精度大量程的傳感器非常昂貴。所以選擇的時候需要適當調(diào)節(jié)它們的關(guān)系。

在選擇采樣傳感器時，需確保裝置能滿足應用的基本運營條件（可參考基于制造商的數(shù)據(jù)手冊）。

6個最重要的運行條件包括：

1)溫度范圍；

2)規(guī)格；

3)保護等級；

4)電壓范圍；

5)離散或模擬輸出；

6)參數(shù)變化，即“參數(shù)可更改是否有益”。

在考慮使用配置IO-Link鏈路的傳感器時，還有其它6個需要注意的事項：

1)響應速度；

2)傳感范圍；

3)重復精度；

4)電氣連接；

5)安裝類型；

6)可視顯示:應用是否需要在傳感器上可視化顯示。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎。接下來，將詳細介紹制造業(yè)中幾種最常見的傳感器類型，并提供一些應用技巧和見解。

最常見傳感器類型

接近式傳感器

接近式傳感器可檢測附近區(qū)域物體是否存在，并且無需物理接觸。存在傳感器，是離散輸出設備。通常情況下，磁性趨近式傳感器通過感應位于執(zhí)行器中的磁體，來檢測執(zhí)行器是否到達特定位置。

從一家公司購買執(zhí)行器，而從另一家公司購買磁性趨近式傳感器，通常來說并不是一個好主意。雖然傳感器制造商可能會說，傳感器與X、Y和Z執(zhí)行器兼容，但實際情況是磁鐵和安裝位置的變化，可能會導致傳感問題。例如，當磁體未處于正確位置時，傳感器可能會勵磁，或者根本無法勵磁。如果執(zhí)行器制造商提供與執(zhí)行器匹配的趨近式傳感器，那它應該是首選的傳感器。

基于晶體管的趨近式傳感器沒有移動部件，使用壽命長?；诨善内吔絺鞲衅鞑捎脵C械觸點，使用壽命要短，但成本要低于晶體管類型?；善瑐鞲衅髯钸m合于需要交流電源的應用場合和高溫應用場合。

位置傳感器

位置傳感器具有模擬量輸出，根據(jù)執(zhí)行器上磁體的位置指示器來顯示執(zhí)行器的位置。從控制角度來講，位置傳感器提供了很大的靈活性?？刂乒こ處熆梢源_定一系列的設定值點，與組件變化相匹配。

由于這些位置傳感器基于磁體(如趨近式傳感器)，因此最好從同一制造商處購買傳感器和執(zhí)行器(如果可能的話)。通過IO-Link功能，可以獲取位置傳感器的數(shù)據(jù)，這也可以簡化控制，實現(xiàn)參數(shù)化。

電感式傳感器

電感趨近式傳感器使用法拉第感應定律，來測量物體的存在或模擬輸出位置。選擇電感式傳感器時，最關(guān)鍵的因素是確定傳感器檢測的金屬類型，從而確定感應距離。與黑色金屬相比，有色金屬的傳感范圍要減少50%以上。傳感器制造商的產(chǎn)品手冊應提供樣品選擇所需的信息。

壓力、真空傳感器

確保壓力或真空傳感器，能夠滿足以英制（磅/平方英寸）和公制（巴）計量的測量壓力范圍。指定最適合所分配空間的外形尺寸。在設備安裝時，應考慮傳感器是否應配置指示燈或顯示屏幕，以方便運行人員使用。如果需要快速更改設定值，可考慮采用配置了IO-Link的壓力和真空傳感器。

流量傳感器

與壓力和真空傳感器一樣，流量傳感器可通過流量范圍、尺寸、設定值的可變性來選擇。在訂購傳感器時，可以指定顯示選項?？梢詾樵O備的某個區(qū)域和整個設備應用，選擇相對較低流速的流量傳感器。

光學傳感器

最常見的光學傳感器是光電散射、反射以及直通光束。激光傳感器和光纖傳感裝置也屬于光學傳感器類型。

光電傳感器大多是存在傳感器光電傳感器通過反射光或阻斷光束，來檢測物體。由于成本低、通用性強、可靠性高，這些傳感器是制造業(yè)中應用最廣泛的傳感器之一。漫反射光電傳感器不需要反射器。它是性價比很高的傳感器，用于檢測附近物體的存在。

直通光束光電傳感器可以提供最長的傳感范圍，這種傳感器分別在兩個點安裝發(fā)射單元和接收單元。車庫門安全傳感器就是光束傳感器。當光束中斷時，表示目標存在。槽型光電傳感器，是一種有趣的直通光束變體；它將一個發(fā)射器和接收機，安裝在同一個緊湊的單元上。槽型光傳感器，用于檢測小部件的存在和缺失。

反射式光電傳感器具有傳感器和反射器，用于中距離存在感測。從精確度和成本上來說，這是介于漫反射和直通光束之間的傳感器。

光纖傳感裝置用于存在和距離傳感。這些多功能傳感器上的參數(shù)可以進行調(diào)整，以檢測各種顏色、背景和距離范圍。

激光傳感器可用于長距離存在感測，其在短距離測量應用中是最精確的。

視覺傳感器可用于條碼讀取、計數(shù)、形狀驗證等。視覺傳感器是一種經(jīng)濟高效的視覺應用，在使用相機系統(tǒng)成本較高而且比較復雜的場合，可以使用視覺傳感器。視覺傳感器用于條碼讀取，跟蹤單個組件，并執(zhí)行為該組件匹配的工藝過程。傳感器可以驗證部件上存在的功能數(shù)量。視覺傳感器可以確定是否已達到指定的曲線或其它形狀。由于這些傳感器需要處理光線，因此在環(huán)境光和背景反射率方面，盡可能接近運行環(huán)境的場合下，對傳感器進行測試至關(guān)重要。在大多數(shù)應用中，建議將視覺傳感器放置在外殼內(nèi)，使其與外部光源隔離開來。在傳感器測試中，尋求視覺傳感器制造商的幫助是一個好主意。此外，別忘了確保選擇合適的現(xiàn)場總線。

信號轉(zhuǎn)換器，將從傳感器的模擬輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栟D(zhuǎn)換器上的開關(guān)量，另一種選擇是轉(zhuǎn)換為IO-Link過程數(shù)據(jù)。

其它傳感器

1、磁性開關(guān)：它是氣缸用傳感器的一個專用稱呼，主要應用于檢測氣缸活塞位置。通常，都由氣缸供應商根據(jù)客戶使用情況配套提供。顧名思義，磁性開關(guān)是通過電磁感應來檢測目標物，所以，其檢測精度相當?shù)汀?/p>

2、接近開關(guān)：接近開關(guān)也是依據(jù)電磁感應的原理設計制造的，所以，它只能應測金屬目標物，并且不同的金屬感應距離略有差距。目前常用的接近開關(guān)檢測距離大約有如下幾種：1mm、2mm、4mm、8mm、12mm等。接近開關(guān)通常有兩種：埋入型和非埋入型。所謂埋入型就是指接近開關(guān)的感應頭不檢測其圓周方向的金屬目標，只檢測其前方的金屬目標，即傳感器感應頭可以不露出金屬安裝支架；所謂非埋入型就是指接近開關(guān)感應頭既檢測其前方的金屬目標也同時會檢測其圓周方向的金屬目標，即傳感器感應頭必須露出金屬安裝支架一段距離且圓周方向一定范圍內(nèi)不得有金屬目標物以免引起錯誤判斷。接近開關(guān)的檢測精度較磁性開關(guān)高。接近開關(guān)通常用于判斷產(chǎn)品有無、工裝夾具是否到位等對位置精度要求相對較低的場合。

3、光電開關(guān)：光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。我們通常所說的光電開關(guān)大致有三種：一種是反射式光電傳感器、一種是對射式光電傳感器、一一種是使用反射板反射光朿的光電傳感器。其中后兩種都是通過目標物遮光實現(xiàn)檢測的，前一種是通過目標物反射光線來實現(xiàn)檢測功能。所以，通常后兩種檢測距離更遠、精度更高。由于光電傳感器具有相當高的檢測精度，所以，通常用于檢測產(chǎn)品或者機械手等工件的精確位置以及步進、伺服系統(tǒng)的反饋裝置中。

4、光纖傳感器：光纖傳感器也是一種應用光電信號轉(zhuǎn)換的檢測元件，相比較于光電開關(guān)而言，它通常能檢測更小的目標物、檢測距離更遠、精度更高。所以，光纖傳感器通常應用于更為精準的檢測場合和步進、伺服系統(tǒng)的定位反饋裝置中。

5、光柵：光柵也是一種利用光電信號的傳感器。光柵檢測區(qū)域大，所以通常也稱區(qū)域傳感器。光柵通常最主要的應用領(lǐng)域是設備之間的互鎖和安全作用，特別是應用于對人的保護上比較多。

6、電熱偶：電熱偶主要是用于檢測其周圍的環(huán)境溫度。

7、激光檢測儀：激光檢測儀最主要的功能是精確地測量目標物的外形尺寸。

8、工業(yè)照相機：工業(yè)照相機在工程上也通常稱為CCD(Charge-coupledDevice),它主要應用于檢測目標物的外形和位置。隨著目前CCD技術(shù)的提高，高分辨率的工業(yè)相機已經(jīng)可以應用于精確測量領(lǐng)域。

9、編碼器：按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置府應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。編碼器通常與步進電機或者伺服電機配使用構(gòu)成閉環(huán)或者半閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

10、微動開關(guān)：微動開關(guān)是一種接觸式傳感器，目前主要應用于設備之間的連接或者設備的安全防護門狀態(tài)的檢測。

小結(jié)

回顧我國的敏感元件與傳感器行業(yè)發(fā)展，雖然迅速，但是也存在一些不足，如產(chǎn)品技術(shù)水平偏低、產(chǎn)業(yè)基礎薄弱、產(chǎn)品種類欠缺、企業(yè)研發(fā)能力弱。因此，國家正在陸續(xù)制定有利于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。另外，新興技術(shù)的不斷出現(xiàn)，也成為傳感器行業(yè)發(fā)展的利好因素。隨著應用于物聯(lián)網(wǎng)、低碳經(jīng)濟等領(lǐng)域的新型傳感器的研發(fā)和應用，傳感器產(chǎn)業(yè)將在電子元器件行業(yè)中占據(jù)更為重要的地位，發(fā)揮更大的作用。