工業(yè)自動化常見傳感器種類、原理解析

一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

一、工作原理

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成。

1.敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關(guān)系的物理量信號；

2.轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號；

3.變換電路負責對轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行放大調(diào)制；

4.轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。

二、人類五官與傳感器

三、傳感器分類

1.敏感元件的分類：

物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。

化學類，基于化學反應的原理。

生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

2.按用途：

壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器。

3.按輸出信號

模擬傳感器：將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

數(shù)字傳感器：將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。

開關(guān)傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。

4.按其構(gòu)成

基本型傳感器：是一種最基本的單個變換裝置。

組合型傳感器：是由不同單個變換裝置組合而構(gòu)成的傳感器。

應用型傳感器：是基本型傳感器或組合型傳感器與其他機構(gòu)組合而構(gòu)成的傳感器。

四、接近傳感器

又稱接近開關(guān)是一種無需與運動部件進行機械直接接觸而可以操作的位置開關(guān)，當物體接近開關(guān)的感應面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動作，從而驅(qū)動直流電器或給計算機（plc)裝置提供控制指令。

接近開關(guān)是種開關(guān)型傳感器（即無觸點開關(guān)），它既有行程開關(guān)、微動開關(guān)的特性，同時具有傳感性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應快，應用壽命長，抗干擾能力強等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點。

接近開關(guān)分類：

1）電感式接近開關(guān)

2）電容式接近開關(guān)

3）霍爾式接近開關(guān)

4）舌簧式接近開關(guān)

4.1 電感式接近開關(guān)

原理：由電感線圈和電容及晶體管組成振蕩器，并產(chǎn)生一個交變磁場，當有金屬物體接近這一磁場時就會在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩停止，這種變化被后極放大處理后轉(zhuǎn)換成晶體管開關(guān)信號輸出。

特點：

1.抗干擾性能好，開關(guān)頻率高，大于200HZ.

2.只能感應金屬

應用在各種機械設(shè)備上作位置檢測、計數(shù)信號拾取等。

4.2 電容式接近開關(guān)

原理：電容式接近開關(guān)的測量端是構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是開關(guān)的外殼。當有物體移向電容式接近開關(guān)時，無論該物體是否導電，由于它的介電常數(shù)總會不同于原來的環(huán)境介質(zhì)（空氣、水、油等），使得電容量發(fā)生變化，從而使得開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。

▲圓柱形電容式接近開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

特點：

不但能檢測金屬，還能檢測塑料，玻璃，水，油等物質(zhì)。

易受干擾，注意安裝位置。

感應距離可調(diào)整。

頻率約50HZ.

應用：

依據(jù)其特點，特別適合于非金屬物的檢測，如食品、化工等行業(yè)電容式接近開關(guān)對任何介質(zhì)都可檢測，包括導體、半導體、絕緣體，甚至可以用于檢測液體和粉末狀物料。

4.3 霍爾式接近開關(guān)

當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U.

這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。

4.4 舌簧式接近開關(guān)

舌簧接近開關(guān)又稱磁性開關(guān)當磁性物件移近時舌簧閉合，使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關(guān)的通或斷。公眾號《機械工程文萃》，工程師的加油站！

適用于氣動、液動、汽缸和活塞的位置測定。

這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。

五、接近開關(guān)參數(shù)

檢測距離：傳感器能檢測到物體的最大距離。

電源范圍：在此范圍內(nèi)傳感器能正常工作的電源電壓。

輸出電流：傳感器能提供給負載的最大電流。

輸出壓降：傳感器輸出時自身所占的電壓降。

響應頻率：傳感器最大每秒可以檢測多少次物體。

回差范圍：檢測到物體時，拉遠檢測到檢測不到時之間的距離，一般以檢測距離的百分比表示。

消耗電流：傳感器沒有輸出時所消耗的電流。

重復精度：傳感器多次檢測距離之間的差別。

短路保護電流：當輸出負載短路或太大時，輸出電流達到短路保護電流時，傳感器將處于保護狀態(tài)。

5.1 回差的距離

如沒有回差的話，接近動作距離時就會發(fā)生反復ON/OFF的來回轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。

一般回差距離控制在檢測距離的5-15%以內(nèi)。

六、光學傳感器

6.1 光電開關(guān)分類

1）對射式光電開關(guān)

2）漫反射式光電開關(guān)

3）反饋反射式光電開關(guān)

4）定距離式光電開關(guān)

5）色標傳感器

6.2 對射型光電開關(guān)

特點：

檢測距離較長。

投光器/受光器兩者都需要

6.3 U型（槽型）光電開關(guān)

U型光電是把接收和發(fā)射做在一起的對射型光電。

由于發(fā)射和接收做在了一起，安裝適用非常實用方便。

6.4 漫反射型光電開關(guān)

漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器。當有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。公眾號《機械工程文萃》，工程師的加油站！

特點：

檢測距離短。

只需在一處配線，無需反射板。

有投光/受光二個透鏡。

6.5 反饋反射型光電開關(guān)

集發(fā)射器與接收器于一體。光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過專用反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。

特點：檢測距離小于對射型。只需在一處配線，反射板在光的入射方向上形成反射光光軸對合方便。

6.6 定距離式光電開關(guān)

特點：

工作原理類似于漫反射式光電開關(guān)，其投光器與受光器置于一體，只有當物體出現(xiàn)在聚焦點時，光電開關(guān)才會有動作。

6.7 色標傳感器

特點：

用來區(qū)分顏色，常用于檢測標識。

與擴散反射型一樣，只需在一處配線，無需反射板。

色標傳感器工作原理：

以不同顏色物體的發(fā)射率差作為檢測原理。

6.8 光纖與光電傳感器

1、光電傳感器：是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。

2、光纖傳感器：是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(zhì)(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

3、其實光纖傳感器應該屬于光電傳感器中的一種，相對來說，光纖傳感器通常比普通的光電傳感器的精度要高，普通的光電傳感器是指傳感器上直接發(fā)光、收光，由于光的擴散等原因，收光量的大小無法精確控制，即導致檢測的精度無法提高精度，而光纖傳感器通過光纖線傳輸光線，提高光束的聚攏程度，易判斷收光量的大小，檢測精度要高。

七、光電開關(guān)的安裝

1、光電開關(guān)可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行安裝。產(chǎn)品的測量精度與安裝是否恰當有很大關(guān)系。

2、光在發(fā)射時會有發(fā)散現(xiàn)象，即有一個指向角，檢測物或接收器在一定范圍內(nèi)都會接受到光，在安裝時，要注意該項指標，避免產(chǎn)生測量誤差。

3. 漫反射式光電開關(guān)發(fā)出的光線，需要被檢測物表面將足夠的光線反射回漫反射開關(guān)的接受器，所以檢測距離和被檢測物體的表面反射率將是決定接受器接收到光線的強度大小，粗糙的表面反射回的光線必將小于光滑表面反射回的強度。在安裝時，要注意被測物體表面的反射率。

4.光電開關(guān)的應用環(huán)境也是影響其長期工作穩(wěn)定、可靠的重要條件。當光電開關(guān)工作在最大檢測距離狀態(tài)時，由于光學透鏡會被環(huán)境污染，甚至會被強酸性物質(zhì)腐蝕，會降低使用參數(shù)特性，會造成可靠性降低。在應用中，比較簡便的解決方法是根據(jù)光電開關(guān)的最大檢測距離（Sn）降額使用，來保證最佳工作距離。

八、傳感器的接線方式

8.1 兩線輸出

特點：接線簡單,客戶負載可以串接在兩根輸出線中的任意一根上。

交流型不分正負極隨便接，直流棕線接正、藍線接負。

8.2 三線 PNP 輸出（常開）

特點：相對于兩線工作更穩(wěn)定可靠。

8.3 三線 PNP輸出（常閉）

8.4 三線 NPN輸出（常開）

8.5 三線 NPN輸出（常閉）

8.6 四線 NPN一開一閉輸出

特點：多功能輸出，接線靈活方便，可同時接兩個負載也可接任意一個負載。

九、光電開關(guān)的使用注意事項

1.采用反射型光電傳感器時，檢測物體的表面和大小對檢測距離和動作區(qū)域都有影響。

2. 檢測微小物體時，要比檢測較大物體時的靈敏度小，檢測距離小一些。

3.檢測物體的表面的反射率越大，檢測靈敏度越高，檢測距離較大。

4.采用反射型光電傳感器時，最小檢測物體的大小由透鏡直徑來決定。

5.檢測凹凸、等級時反射型光電傳感器最合適。

6.防止光電開關(guān)之間相互干擾。

7. 高壓線，動力線與光電傳感器的配線，應分 開走線，否則會受到感應造成誤動作。

   8 .電源電壓應在規(guī)定的使用范圍內(nèi)使用 。

8. 請勿用在灰塵較多、腐蝕性氣體較多、水、油、藥劑直接濺散的場所使用，室外式太陽等有強光直射的場所。

9. 使用時應在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi) 使用。

10. 安裝時要穩(wěn)固，不能產(chǎn)生松動或偏斜。

11. 安裝光電傳感器時，不能損壞發(fā)射器件或接受器件。