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在工业自动化中常用的传感器介绍
2021-05-10 22:01:43
在工业自动化中， 传感器 起着至关重要的作用，以使产品智能化和超自动化。传感器帮助人们检测，分析， 测量 和处理各种变化，例如在工业生产场所发生的位置，长度，高度，外部和错位的变化。
传感器是一种设备，可以识别电气或物理或其他数量的进度，并以确认产量进度的方式交付收益。简而言之，工业自动化传感器是输入设备，可提供有关特定物理量（输入）的输出（信号）。
传感器在预测和预防众多潜在过程中也起着举足轻重的作用，从而满足了许多工业传感应用的需求。
是自动化中使用的各种传感器：
1、 压力传感器
压力传感器是一种可感知压力并将其转换为电信号的仪器，其数量取决于所施加的压力。
工业自动化中使用的主要压力传感器包括压力传感器和真空传感器。
压力传感器：压力传感器广泛用于工业和 液压系统 ，这些高压工业自动化传感器也用于气候控制系统。
真空传感器：当真空压力低于大气压时，会使用真空传感器，并且很难通过 机械 方法进行检测。这些传感器通常取决于 电阻 与温度相关的加热丝。当真空压力增加时，对流下降，导线温度上升。电阻成比例增加，并在压力附近进行校准，以便对真空进行有效测量。
压力传感器的应用：用于在给定位置测量低于大气压的压力；用于气象仪器，飞机，车辆和其他已实现压力功能的机械；用于系统中以测量其他变量，例如流体/气体流量，速度，水位和高度。
2、 温度传感器
温度传感器是一种从资源中收集有关温度的信息并将其更改为其他设备可以理解的形式的设备。它是传感器的常用类别，可以检测温度或热量，并且可以测量介质的温度。
自动化中使用的主要温度传感器包括数字温度传感器和温湿度传感器。
数字温度传感器：数字温度传感器是基于硅的温度感应IC，可通过数字表示所测量的温度来提供准确的输出。与涉及外部信号调理和 模数转换器 （ ADC ）的方法相比，这简化了控制系统的设计。
温 湿度传感器 ：温湿度传感器将温度传感器和湿度传感器组合，再归因于测量的数字信号输出。通过利用该技术和温度以及有限的数字信号采集湿度感测技术，可确保高度一致性和出色的长期稳定性。
温度传感器的应用：连续测量空气，土壤或水中的温度；用于复杂工业应用中的测量；用于在恶劣的工作条件下进行测量。
3、MEMS传感器（微机电系统）
MEMS工业自动化传感器将测量的机械信号转换为电信号。
工业自动化中使用的重要传感器是加速度和运动MEMS.
加速度传感器：微机电系统（MEMS）加速度传感器是主要的惯性传感器之一。并且具有动态传感器能力，具有更大范围的传感能力。
运动传感器 ：微机电系统（MEMS）运动传感器使用在运动交互平台上设计的数据处理算法，该平台将众多低成本MEMS运动传感器与 ZigBee 无线技术集成在一起，可在与机器一起工作时进行个性化交互。传感器信号处理系统主要解决噪声消除，信号平滑，重力影响分区，坐标系变更和位置信息恢复等问题，广泛用于汽车工业的ABS技术。
MEMS传感器的应用：
MEMS传感器应用范围广泛，从工业，娱乐，体育到教育。例如，触发安全气囊展开或监视核反应堆。以及用于测量静态加速度（重力），物体倾斜，飞机中的动态加速度，对汽车中物体的震动，还有手机，洗衣机或电脑的 振动 。还有用于检测运动等等。
4、扭矩传感器
扭矩传感器具有基本的机械挡块，可提高过载能力，并在安装和操作期间提供额外的保护。
工业自动化中使用的重要传感器包括旋转扭矩和扭矩传感器。
旋转扭矩传感器：旋转扭矩工业自动化传感器用于测量旋转扭矩的反作用力。这些扭矩计配有基本的机械挡块，可增加剩余容量，并在安装和操作期间提供额外的安全性。
扭矩传感器：扭矩传感器利用卓越的应变计技术，满足了传感器静态和动态应用中最具挑战性的需求。
扭矩传感器的应用：
用于测量旋转速度和维护必要性；用于测量质量和质量惯性矩；从准静态过程的角度来看要计算的扭矩量；用于测量最高旋转速度，振荡扭矩。
5、磁性开关
磁性开关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。
气缸用磁性开关，可用于设备提速，气缸运动完成，磁性开关感应到，马上进行下一步工作。一个气缸一般配备两个磁性开关，当然也有配一个磁性开关的情况，比如气缸的一个动作推一个物件而夹紧物件，对于这一气缸来讲，推出的是否到位置是重要的，推出的地方要有一个磁性开关，但是如果对于气缸退回时是否退到位不是很在意，只要气缸不是在推出的位置即可，则气缸只需要配备一个磁性开关。
另外一个需要特别关注的地方是气缸不一定就配置磁性开关来检测位置，如果气缸本体在比较狭窄的位置，设置磁性开关不易于调节，则需将感应点引出，由槽型开关来感应气缸的动作。
6、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。
7、光电传感器
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。
由于在自动化设计中使用最多的是U型光电，在此重点介绍。不同品牌的U型光皆有不同的安装形式在此不做具体讨论。如下图所示为某公司插件式U型光电，在选用这一种类的U型光电时需要特别注意的是尾部留出足够大的空间来供插件的插入，当然很多时候选用电器元件的时候，这一条均需注意。另外对于自制的短行程模组在设计时一定要考虑行程范围内是否够距离设置3个U型光电，如果距离不够可以在模组两侧均设计U型光电。
一般一条模组上面会配备3条U型光电，其中两个是模组两行程终点的极限位光电，中间的一条为模组找原点的U型光电，下面主要说明两种找原点的方式：
（1）光电开关感应到感应片，电机继续运动在电机旋转一周内找到程序设置的一个原点作为模组的原点，这种方式定位精度高，主要影响精度的因素丝杆，电机本身，联轴器等，主要受模组本身的一些参数影响，定位精度高，能达到0.01mm；
（2）光电开关感应到感应片之后，电机开始刹车制动直到整个系统停下作为模组的原点，此方式的精度会受到温度，光照条件，光电开关响应速度等影响，定位精度较低，一般在0.05-0.1mm左右。
8、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。光纤传感器一般需要光纤放大器配合使用，价格上来说稍微贵一点，但是就性质上来说，比之前提到的光电和接近传感器有本质的区别，它可以进行质的测量，怎么说呢？也就是说他可以定量的进行检测，如可以测量距离多少毫米。
相比较于光电开关而言，光纤传感器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。
光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。
光纤传感器设计时要考虑光纤头的防撞问题，一般设计保护光纤头的支架。另外不管是对射光电还是对射光纤受周围环境影响相对于普通反射光纤而言要小，在设计时需要重点考虑。
9、位移传感器
顾名思义，即是检测目标物位置变化的传感器。
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。
在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。
模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。
数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
10、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，常用于冲压机械、剪切设备、金属切削设备、自动化装配线、自动化焊接线、机械传送搬运设备等。
11、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。
12、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。
13、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复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。
14、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。
15、智能传感器
最后一种传感器也可能是未来自动化工业中最重要的一种——智能传感器。
新一代高级智能传感器将成为工业自动化的心脏。“智能工厂”是指在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务，清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、及时正确地采集生产线数据，以及合理的生产计画编排与生产进度。智能工厂可实现的技术包括无线感测、控制系统网路化和工业通信无线化等称重传感器。
对某些产品质量指标（例如，黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。而融合智能技术的传感器将可以很好地解决上述问题。
目前，工业生产的确在大规模向自动化方向转变，但随着物联网及云平台应用的不断投放商用化，工业领域的自动化发展有向更高层次升级的趋势，即智能化生产。
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