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工业自动化中常见传感器类型及选型技巧

助工
2019-07-05 16:42:05    评分

传感器是电子信息装备制造业中的基础类产品,是重点发展的新型电子元器件中的特种元器件。传感器产业作为国内外公认的具有发展前途的高技术产业,以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。在蓬勃发展的电子信息产业市场的推动下,我国传感器已形成了一定的产业基础,并在技术创新、自主研发、成果转化和竞争能力等方面有长足进展,为促进国民经济发展作出了重要贡献。

随着信息时代的到来,传感器成为人们获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量;在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。

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如今,传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。统计数字显示,全球智能传感器市场的年营业收入会以每年10的速度递增。目前全球安装有处理器的传感器设备数量为6500万部,到2019年这一数字将达到2.8万亿部。

传感器选型要点:

传感器知识也是一个比较庞大的电气学科,需要丰富的经验才能熟练的掌握,以后我们还会讲解到,那么今天我们主要说下选型。

1、根据测量对象与输出条件确定类型

要进行某个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,用流量计举例,有电磁流量计和涡街流量计还有超声波流量计,我们需要针对具体目标去选择流量计,除此之外,还需要参考需要使用哪种输出模式,比如说2线制还是四线制电流信号,0-20ma,4-20ma,0-10v电压信号或者是某种协议的通讯。

2、依据灵敏度的选择

通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3、判断频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有-定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高,可测的信号频率范围就越宽。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过大的误差。

4、根据传感器的稳定性

传感器使用一段时间后,其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。

5、传感器的量程和精度是最难以协调的一对冤家。

精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。然而传感器精度却受量程的制约,一般量程越大,精度越低,但高精度的传感器很有可能量程不够,因此也就导致了高精度大量程的传感器非常昂贵。所以选择的时候需要适当调节它们的关系。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?

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。接下来,将详细介绍制造业中几种最常见的传感器类型,并提供一些应用技巧和见解。

最常见的传感器类型

接近式传感器

接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。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。

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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 。

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。

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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。

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。

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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。

其它传感器

1、磁性开关:它是气缸用传感器的一个专用称呼,主要应用于检测气缸活塞位置。通常,都由气缸供应商根据客户使用情况配套提供。顾名思义,磁性开关是通过电磁感应来检测目标物,所以,其检测精度相当低。

2、接近开关:接近开关也是依据电磁感应的原理设计制造的,所以,它只能应测金属目标物,并且不同的金属感应距离略有差距。目前常用的接近开关检测距离大约有如下几种:1mm、2mm、4mm、8mm、12mm等。接近开关通常有两种:埋入型和非埋入型。所谓埋入型就是指接近开关的感应头不检测其圆周方向的金属目标,只检测其前方的金属目标,即传感器感应头可以不露出金属安装支架;所谓非埋入型就是指接近开关感应头既检测其前方的金属目标也同时会检测其圆周方向的金属目标,即传感器感应头必须露出金属安装支架一段距离且圆周方向一定范围内不得有金属目标物以免引起错误判断。接近开关的检测精度较磁性开关高。接近开关通常用于判断产品有无、工装夹具是否到位等对位置精度要求相对较低的场合。

3、光电开关:光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。我们通常所说的光电开关大致有三种:一种是反射式光电传感器、一种是对射式光电传感器、一一种是使用反射板反射光朿的光电传感器。其中后两种都是通过目标物遮光实现检测的,前一种是通过目标物反射光线来实现检测功能。所以,通常后两种检测距离更远、精度更高。由于光电传感器具有相当高的检测精度,所以,通常用于检测产品或者机械手等工件的精确位置以及步进、伺服系统的反馈装置中。

4、光纤传感器:光纤传感器也是一种应用光电信号转换的检测元件,相比较于光电开关而言,它通常能检测更小的目标物、检测距离更远、精度更高。所以,光纤传感器通常应用于更为精准的检测场合和步进、伺服系统的定位反馈装置中。

5、光栅:光栅也是一种利用光电信号的传感器。光栅检测区域大,所以通常也称区域传感器。光栅通常最主要的应用领域是设备之间的互锁和安全作用,特別是应用于对人的保护上比较多。

8、电热偶:电热偶主要是用于检测其周围的环境温度。

9、激光检测仪:激光检测仪最主要的功能是精确地测量目标物的外形尺寸。

10、工业照相机:工业照相机在工程上也通常称为CCD(Charge-coupledDevice),它主要应用于检测目标物的外形和位置。随着目前CCD技术的提高,高分辨率的工业相机已经可以应用于精确测量领域。

11、编码器:按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置府应一个确定的数字码,因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关。编码器通常与步进电机或者伺服电机配使用构成闭环或者半闭环的控制系统。

12、微动开关:微动开关是一种接触式传感器,目前主要应用于设备之间的连接或者设备的安全防护门状态的检测。

小结:

回顾我国的敏感元件与传感器行业发展,虽然迅速,但是也存在一些不足,如产品技术水平偏低、产业基础薄弱、产品种类欠缺、企业研发能力弱。因此,国家正在陆续制定有利于传感器产业发展的政策。另外,新兴技术的不断出现,也成为传感器行业发展的利好因素。随着应用于物联网、低碳经济等领域的新型传感器的研发和应用,传感器产业将在电子元器件行业中占据更为重要的地位,发挥更大的作用。

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