工业自动化中常见的传感器类型及选型技巧

        在我刚开始工程师生涯时，某传感器公司的销售工程师来到我们工厂，在会议室的桌子上，放下一个包装良好的样品箱，里面是排列的整整齐齐的传感器，他对我们说: “让我们来测试一下你们的零件”。

 

        他很清楚工程师们在确定选择前需要用零件来测试传感器。为应用选择合适的传感器，需要不断缩小选择范围，直到拿出传感器短名单，开始订购样品。然后，在与传感器安装工况类似的条件下，用零件、执行器或设备来进一步测试传感器。 

 

         在选择采样传感器时，需确保装置能满足应用的基本运营条件（可参考基于制造商的数据手册）。6个最重要的运行条件包括: 1) 温度范围； 2) 规格；3) 保护等级；4) 电压范围；5) 离散或模拟输出；6) 参数变化，即“参数可更改是否有益？在考虑使用配置IO-Link链路的传感器时，还有其它6个需要注意的事项: 1) 响应速度；2) 传感范围；3) 重复精度；4) 电气连接；5) 安装类型；6) 可视显示: 应用是否需要在传感器上可视化显示？  

 

        接下来，本文将详细介绍制造业中几种种最常见的传感器类型，并提供一些应用技巧和见解。

 

        趋近式传感器

 

        趋近式传感器可检测附近区域物体是否存在，并且无需物理接触。存在传感器，是离散输出设备。通常情况下，磁性趋近式传感器通过感应位于执行器中的磁体，来检测执行器是否到达特定位置。  

图1 磁性趋近式传感器，可检测执行机构的位置（本文图片来源: Festo）

 

        从一家公司购买执行器，而从另一家公司购买磁性趋近式传感器，通常来说并不是一个好主意。虽然传感器制造商可能会说，传感器与X、Y和Z执行器兼容，但实际情况是磁铁和安装位置的变化，可能会导致传感问题。例如，当磁体未处于正确位置时，传感器可能会励磁，或者根本无法励磁。如果执行器制造商提供与执行器匹配的趋近式传感器，那它应该是首选的传感器。

 

        基于晶体管的趋近式传感器没有移动部件，使用寿命长。基于簧片的趋近式传感器采用机械触点，使用寿命要短，但成本要低于晶体管类型。簧片传感器最适合于需要交流电源的应用场合和高温应用场合。 

 

        位置传感器

 

        位置传感器具有模拟量输出，根据执行器上磁体的位置指示器来显示执行器的位置。从控制角度来讲，位置传感器提供了很大的灵活性。控制工程师可以确定一系列的设定值点，与组件变化相匹配 。

图2 模拟电感式传感器可用于测量位置  

 

        由于这些位置传感器基于磁体 (如趋近式传感器)，因此最好从同一制造商处购买传感器和执行器 (如果可能的话)。通过IO-Link功能，可以获取位置传感器的数据，这也可以简化控制，实现参数化。 

 

        电感式传感器

 

        电感趋近式传感器使用法拉第感应定律，来测量物体的存在或模拟输出位置。选择电感式传感器时，最关键的因素是确定传感器检测的金属类型，从而确定感应距离。与黑色金属相比，有色金属的传感范围要减少50%以上。传感器制造商的产品手册应提供样品选择所需的信息。 

图3 对于类型、位置和旋转方向检测，智能紧凑型视觉系统是理想的选择

 

        压力、真空传感器

 

        确保压力或真空传感器，能够满足以英制（磅/平方英寸）和公制（巴）计量的测量压力范围。指定最适合所分配空间的外形尺寸。在设备安装时，应考虑传感器是否应配置指示灯或显示屏幕，以方便运行人员使用。如果需要快速更改设定值，可考虑采用配置了IO-Link的压力和真空传感器。  

图4 可通过压力或真空传感器实现存在控制

 

        流量传感器

　　

        与压力和真空传感器一样，流量传感器可通过流量范围、尺寸、设定值的可变性来选择。在订购传感器时，可以指定显示选项。可以为设备的某个区域和整个设备应用，选择相对较低流速的流量传感器。  

 

        光学传感器

 

        最常见的光学传感器是光电散射、反射以及直通光束。激光传感器和光纤传感装置也属于光学传感器类型。  

图5 光电传感器通过反射光或中断光束，来检测物体是否存在

 

        光电传感器大多是存在传感器光电传感器通过反射光或阻断光束，来检测物体。由于成本低、通用性强、可靠性高，这些传感器是制造业中应用最广泛的传感器之一。  

 

        漫反射光电传感器不需要反射器。它是性价比很高的传感器，用于检测附近物体的存在。  

 

        直通光束光电传感器可以提供最长的传感范围，这种传感器分别在两个点安装发射单元和接收单元。车库门安全传感器就是光束传感器。当光束中断时，表示目标存在。槽型光电传感器，是一种有趣的直通光束变体；它将一个发射器和接收机，安装在同一个紧凑的单元上。槽型光传感器，用于检测小部件的存在和缺失。  

 

        反射式光电传感器具有传感器和反射器，用于中距离存在感测。从精确度和成本上来说，这是介于漫反射和直通光束之间的传感器。 

 

        光纤传感装置用于存在和距离传感。这些多功能传感器上的参数可以进行调整，以检测各种颜色、背景和距离范围。  

 

        激光传感器可用于长距离存在感测，其在短距离测量应用中是最精确的。  

 

        视觉传感器可用于条码读取、计数、形状验证等。视觉传感器是一种经济高效的视觉应用，在使用相机系统成本较高而且比较复杂的场合，可以使用视觉传感器。视觉传感器用于条码读取，跟踪单个组件，并执行为该组件匹配的工艺过程。传感器可以验证部件上存在的功能数量。视觉传感器可以确定是否已达到指定的曲线或其它形状。由于这些传感器需要处理光线，因此在环境光和背景反射率方面，尽可能接近运行环境的场合下，对传感器进行测试至关重要。在大多数应用中，建议将视觉传感器放置在外壳内，使其与外部光源隔离开来。在传感器测试中，寻求视觉传感器制造商的帮助是一个好主意。此外，别忘了确保选择合适的现场总线。

 

        信号转换器，将从传感器的模拟输出信号转变为信号转换器上的开关量，另一种选择是转换为IO-Link 过程数据。