工業(yè)自動(dòng)化中常見(jiàn)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(chǔ)類產(chǎn)品，是重點(diǎn)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(guó)內(nèi)外公認(rèn)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(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人矚目。在蓬勃發(fā)展的電子信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的推動(dòng)下，我國(guó)傳感器已形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，并在技術(shù)創(chuàng)新、自主研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和競(jìng)爭(zhēng)能力等方面有長(zhǎng)足進(jìn)展，為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，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(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量;在基礎(chǔ)學(xué)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(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等極其廣泛的領(lǐng)域?？梢?jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用是十分明顯的。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，全球智能傳感器市場(chǎng)的年?duì)I業(yè)收入會(huì)以每年10的速度遞增。目前全球安裝有處理器的傳感器設(shè)備數(shù)量為6500萬(wàn)部，到2019年這一數(shù)字將達(dá)到2.8萬(wàn)億部。

傳感器選型要點(diǎn)

傳感器知識(shí)也是一個(gè)比較龐大的電氣學(xué)科，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)才能熟練的掌握，以后我們還會(huì)講解到，那么今天我們主要說(shuō)下選型。

1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象與輸出條件確定類型

要進(jìn)行某個(gè)具體的測(cè)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?yàn)椋昧髁坑?jì)舉例，有電磁流量計(jì)和渦街流量計(jì)還有超聲波流量計(jì)，我們需要針對(duì)具體目標(biāo)去選擇流量計(jì)，除此之外，還需要參考需要使用哪種輸出模式，比如說(shuō)2線制還是四線制電流信號(hào)，0-20ma，4-20ma，0-10v電壓信號(hào)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?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測(cè)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(yīng)特性

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真。實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)越高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就越寬。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。

4、根據(jù)傳感器的穩(wěn)定性

傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)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(dāng)?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(duì)冤家

精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)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(dǎo)致了高精度大量程的傳感器非常昂貴。所以選擇的時(shí)候需要適當(dāng)調(diào)節(jié)它們的關(guān)系。

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

6個(gè)最重要的運(yùn)行條件包括：

1)溫度范圍；

2)規(guī)格；

3)保護(hù)等級(jí)；

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(shí)，還有其它6個(gè)需要注意的事項(xiàng)：

1)響應(yīng)速度；

2)傳感范圍；

3)重復(fù)精度；

4)電氣連接；

5)安裝類型；

6)可視顯示:應(yīng)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(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)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(chǔ)。接下來(lái)，將詳細(xì)介紹制造業(yè)中幾種最常見(jiàn)的傳感器類型，并提供一些應(yīng)用技巧和見(jiàn)解。

最常見(jiàn)的傳感器類型

接近式傳感器

接近式傳感器可檢測(cè)附近區(qū)域物體是否存在，并且無(wú)需物理接觸。存在傳感器，是離散輸出設(shè)備。通常情況下，磁性趨近式傳感器通過(guò)感應(yīng)位于執(zhí)行器中的磁體，來(lái)檢測(cè)執(zhí)行器是否到達(dá)特定位置。

從一家公司購(gòu)買執(zhí)行器，而從另一家公司購(gòu)買磁性趨近式傳感器，通常來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)好主意。雖然傳感器制造商可能會(huì)說(shuō)，傳感器與X、Y和Z執(zhí)行器兼容，但實(shí)際情況是磁鐵和安裝位置的變化，可能會(huì)導(dǎo)致傳感問(wèn)題。例如，當(dāng)磁體未處于正確位置時(shí)，傳感器可能會(huì)勵(lì)磁，或者根本無(wú)法勵(lì)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(yīng)該是首選的傳感器。

基于晶體管的趨近式傳感器沒(méi)有移動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)?；诨善内吔絺鞲衅鞑捎?a target="_blank">機(jī)械觸點(diǎn)，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(yīng)用場(chǎng)合和高溫應(yīng)用場(chǎng)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(lái)顯示執(zhí)行器的位置。從控制角度來(lái)講，位置傳感器提供了很大的靈活性。控制工程師可以確定一系列的設(shè)定值點(diǎn)，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(gòu)買傳感器和執(zhí)行器(如果可能的話)。通過(guò)IO-Link功能，可以獲取位置傳感器的數(shù)據(jù)，這也可以簡(jiǎn)化控制，實(shí)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(yīng)定律，來(lái)測(cè)量物體的存在或模擬輸出位置。選擇電感式傳感器時(shí)，最關(guān)鍵的因素是確定傳感器檢測(cè)的金屬類型，從而確定感應(yīng)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(cè)應(yīng)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(jì)量的測(cè)量壓力范圍。指定最適合所分配空間的外形尺寸。在設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)考慮傳感器是否應(yīng)配置指示燈或顯示屏幕，以方便運(yùn)行人員使用。如果需要快速更改設(shè)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(guò)流量范圍、尺寸、設(shè)定值的可變性來(lái)選擇。在訂購(gòu)傳感器時(shí)，可以指定顯示選項(xiàng)?？梢詾樵O(shè)備的某個(gè)區(qū)域和整個(gè)設(shè)備應(yīng)用，選擇相對(duì)較低流速的流量傳感器。

光學(xué)傳感器

最常見(jiàn)的光學(xué)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(xué)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(guò)反射光或阻斷光束，來(lái)檢測(cè)物體。由于成本低、通用性強(qiáng)、可靠性高，這些傳感器是制造業(yè)中應(yīng)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(jià)比很高的傳感器，用于檢測(cè)附近物體的存在。

直通光束光電傳感器可以提供最長(zhǎng)的傳感范圍，這種傳感器分別在兩個(gè)點(diǎn)安裝發(fā)射單元和接收單元。車庫(kù)門(mén)安全傳感器就是光束傳感器。當(dāng)光束中斷時(shí)，表示目標(biāo)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(gè)發(fā)射器和接收機(jī)，安裝在同一個(gè)緊湊的單元上。槽型光傳感器，用于檢測(cè)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(cè)。從精確度和成本上來(lái)說(shuō)，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(jìn)行調(diào)整，以檢測(cè)各種顏色、背景和距離范圍。

激光傳感器可用于長(zhǎng)距離存在感測(cè)，其在短距離測(cè)量應(yīng)用中是最精確的。

視覺(jué)傳感器可用于條碼讀取、計(jì)數(shù)、形狀驗(yàn)證等。視覺(jué)傳感器是一種經(jīng)濟(jì)高效的視覺(jué)應(yīng)用，在使用相機(jī)系統(tǒng)成本較高而且比較復(fù)雜的場(chǎng)合，可以使用視覺(jué)傳感器。視覺(jué)傳感器用于條碼讀取，跟蹤單個(gè)組件，并執(zhí)行為該組件匹配的工藝過(guò)程。傳感器可以驗(yàn)證部件上存在的功能數(shù)量。視覺(jué)傳感器可以確定是否已達(dá)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(yùn)行環(huán)境的場(chǎng)合下，對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試至關(guān)重要。在大多數(shù)應(yīng)用中，建議將視覺(jué)傳感器放置在外殼內(nèi)，使其與外部光源隔離開(kāi)來(lái)。在傳感器測(cè)試中，尋求視覺(jué)傳感器制造商的幫助是一個(gè)好主意。此外，別忘了確保選擇合適的現(xiàn)場(chǎng)總線。

信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將從傳感器的模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)轉(zhuǎn)換器上的開(kāi)關(guān)量，另一種選擇是轉(zhuǎn)換為IO-Link過(guò)程數(shù)據(jù)。

其它傳感器

1、磁性開(kāi)關(guān)：它是氣缸用傳感器的一個(gè)專用稱呼，主要應(yīng)用于檢測(cè)氣缸活塞位置。通常，都由氣缸供應(yīng)商根據(jù)客戶使用情況配套提供。顧名思義，磁性開(kāi)關(guān)是通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)檢測(cè)目標(biāo)物，所以，其檢測(cè)精度相當(dāng)?shù)汀?/p>

2、接近開(kāi)關(guān)：接近開(kāi)關(guān)也是依據(jù)電磁感應(yīng)的原理設(shè)計(jì)制造的，所以，它只能應(yīng)測(cè)金屬目標(biāo)物，并且不同的金屬感應(yīng)距離略有差距。目前常用的接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)距離大約有如下幾種：1mm、2mm、4mm、8mm、12mm等。接近開(kāi)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(kāi)關(guān)的感應(yīng)頭不檢測(cè)其圓周方向的金屬目標(biāo)，只檢測(cè)其前方的金屬目標(biāo)，即傳感器感應(yīng)頭可以不露出金屬安裝支架；所謂非埋入型就是指接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)頭既檢測(cè)其前方的金屬目標(biāo)也同時(shí)會(huì)檢測(cè)其圓周方向的金屬目標(biāo)，即傳感器感應(yīng)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(biāo)物以免引起錯(cuò)誤判斷。接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)精度較磁性開(kāi)關(guān)高。接近開(kāi)關(guān)通常用于判斷產(chǎn)品有無(wú)、工裝夾具是否到位等對(duì)位置精度要求相對(duì)較低的場(chǎng)合。

3、光電開(kāi)關(guān)：光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。我們通常所說(shuō)的光電開(kāi)關(guān)大致有三種：一種是反射式光電傳感器、一種是對(duì)射式光電傳感器、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(guò)目標(biāo)物遮光實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，前一種是通過(guò)目標(biāo)物反射光線來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。所以，通常后兩種檢測(cè)距離更遠(yuǎn)、精度更高。由于光電傳感器具有相當(dāng)高的檢測(cè)精度，所以，通常用于檢測(cè)產(chǎn)品或者機(jī)械手等工件的精確位置以及步進(jìn)、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(yīng)用光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的檢測(cè)元件，相比較于光電開(kāi)關(guān)而言，它通常能檢測(cè)更小的目標(biāo)物、檢測(cè)距離更遠(yuǎn)、精度更高。所以，光纖傳感器通常應(yīng)用于更為精準(zhǔn)的檢測(cè)場(chǎng)合和步進(jìn)、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(hào)的傳感器。光柵檢測(cè)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(yīng)用領(lǐng)域是設(shè)備之間的互鎖和安全作用，特別是應(yīng)用于對(duì)人的保護(hù)上比較多。

8、電熱偶：電熱偶主要是用于檢測(cè)其周圍的環(huán)境溫度。

9、激光檢測(cè)儀：激光檢測(cè)儀最主要的功能是精確地測(cè)量目標(biāo)物的外形尺寸。

10、工業(yè)照相機(jī)：工業(yè)照相機(jī)在工程上也通常稱為CCD(Charge-coupledDevice),它主要應(yīng)用于檢測(cè)目標(biāo)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(jī)已經(jīng)可以應(yīng)用于精確測(cè)量領(lǐng)域。

11、編碼器：按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置府應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。編碼器通常與步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)配使用構(gòu)成閉環(huán)或者半閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

12、微動(dòng)開(kāi)關(guān)：微動(dòng)開(kāi)關(guān)是一種接觸式傳感器，目前主要應(yīng)用于設(shè)備之間的連接或者設(shè)備的安全防護(hù)門(mén)狀態(tài)的檢測(cè)。