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常見主流傳感器類型及選型要點分析
來源:傳感器專家 發表於 2020/1/2

隨著信息時代的到來,傳感器成為人們獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。在現代工業生產過程中,要用各種傳感器來監視和控製生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,並使產品達到最好的質量;在基礎學科研究中,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生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等極其廣泛的領域。可見,傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方麵的重要作用是十分明顯的。統計數字顯示,全球智能傳感器市場的年營業收入會以每年10的速度遞增。目前全球安裝有處理器的傳感器設備數量為6500萬部,到2019年這一數字將達到2.8萬億部。


傳感器選型要點


傳感器知識也是一個比較龐大的電氣學科,需要豐富的經驗才能熟練的掌握,以後我們還會講解到,那麽今天我們主要說下選型。

1、根據測量對象與輸出條件確定類型

要進行某個具體的測量工作,首先要考慮采用何種原理的傳感器,這需要分析多方麵的因素之後才能確定。因為,用流量計舉例,有電磁流量計和渦街流量計還有超聲波流量計,我們需要針對具體目標去選擇流量計,除此之外,還需要參考需要使用哪種輸出模式,比如說2線製還是四線製電流信號,0-20ma,4-20ma,0-10v電壓信號或者是某種協議的通訊。

2、依據靈敏度的選擇

通常,在傳感器的線性範圍內,希望傳感器的靈敏度越高越好。因為隻有靈敏度高時,與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大,有利於信號處理。但要注意的是,傳感器的靈敏度高,與被測量無關的外界噪聲也容易混入,也會被放大係統放大,影響測量精度。因此,要求傳感器本身應具有較高的信噪比,盡量減少從外界引入的幹擾信號。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量,而且對其方向性要求較高,則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量,則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、判斷頻率響應特性

傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率範圍,必須在允許頻率範圍內保持不失真。實際上傳感器的響應總有-定延遲,希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應越高,可測的信號頻率範圍就越寬。在動態測量中,應根據信號的特點(穩態、瞬態、隨機等)響應特性,以免產生過大的誤差。

4、根據傳感器的穩定性

傳感器使用一段時間後,其性能保持不變的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身結構外,主要是傳感器的使用環境。因此,要使傳感器具有良好的穩定性,傳感器必須要有較強的環境適應能力。在選擇傳感器之前,應對其使用環境進行調查,並根據具體的使用環境選擇合適的傳感器,或采取適當的措施,減小環境的影響。

5、傳感器的量程和精度是最難以協調的一對冤家

精度是傳感器的一個重要的性能指標,它是關係到整個測量係統測量精度的一個重要環節。然而傳感器精度卻受量程的製約,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,因此也就導致了高精度大量程的傳感器非常昂貴。所以選擇的時候需要適當調節它們的關係。

在選擇采樣傳感器時,需確保裝置能滿足應用的基本運營條件(可參考基於製造商的數據手冊)。6個最重要的運行條件包括:

1)溫度範圍;


2) 規格;


3) 保護等級;


4) 電壓範圍;


5) 離散或模擬輸出;


6) 參數變化,即“參數可更改是否有益”?


在考慮使用配置IO-Link鏈路的傳感器時,還有其它6個需要注意的事項:


1) 響應速度;


2) 傳感範圍;


3) 重複精度;


4) 電氣連接;


5) 安裝類型;


6) 可視顯示:應用是否需要在傳感器上可視化顯示?


在現代工業生產尤其是自動化生產過程中,要用各種傳感器來監視和控製生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,並使產品達到最好的質量。因此可以說,沒有眾多的優良的傳感器,現代化生產也就失去了基礎。接下來,將詳細介紹製造業中幾種最常見的傳感器類型,並提供一些應用技巧和見解。


最常見的主流傳感器選型分析

接近式傳感器


接近式傳感器可檢測附近區域物體是否存在,並且無需物理接觸。存在傳感器,是離散輸出設備。通常情況下,磁性趨近式傳感器通過感應位於執行器中的磁體,來檢測執行器是否到達特定位置。


從一家公司購買執行器,而從另一家公司購買磁性趨近式傳感器,通常來說並不是一個好主意。雖然傳感器製造商可能會說,傳感器與X、Y 和Z 執行器兼容,但實際情況是磁鐵和安裝位置的變化,可能會導致傳感問題。例如,當磁體未處於正確位置時,傳感器可能會勵磁,或者根本無法勵磁。如果執行器製造商提供與執行器匹配的趨近式傳感器,那它應該是首選的傳感器。


基於晶體管的趨近式傳感器沒有移動部件,使用壽命長。基於簧片的趨近式傳感器采用機械觸點,使用壽命要短,但成本要低於晶體管類型。簧片傳感器最適合於需要交流電源的應用場合和高溫應用場合。


位置傳感器


位置傳感器具有模擬量輸出,根據執行器上磁體的位置指示器來顯示執行器的位置。從控製角度來講,位置傳感器提供了很大的靈活性。控製工程師可以確定一係列的設定值點,與組件變化相匹配 。


由於這些位置傳感器基於磁體 ( 如趨近式傳感器),因此最好從同一製造商處購買傳感器和執行器 ( 如果可能的話)。通過IO-Link 功能,可以獲取位置傳感器的數據,這也可以簡化控製,實現參數化。


電感式傳感器


電感趨近式傳感器使用法拉第感應定律,來測量物體的存在或模擬輸出位置。選擇電感式傳感器時,最關鍵的因素是確定傳感器檢測的金屬類型,從而確定感應距離。與黑色金屬相比,有色金屬的傳感範圍要減少50% 以上。傳感器製造商的產品手冊應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,能夠滿足以英製(磅/ 平方英寸)和公製(巴)計量的測量壓力範圍。指定最適合所分配空間的外形尺寸。在設備安裝時,應考慮傳感器是否應配置指示燈或顯示屏幕,以方便運行人員使用。如果需要快速更改設定值,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,流量傳感器可通過流量範圍、尺寸、設定值的可變性來選擇。在訂購傳感器時,可以指定顯示選項。可以為設備的某個區域和整個設備應用,選擇相對較低流速的流量傳感器。


光學傳感器


最常見的光學傳感器是光電散射、反射以及直通光束。激光傳感器和光纖傳感裝置也屬於光學傳感器類型。



光電傳感器大多是存在傳感器光電傳感器通過反射光或阻斷光束,來檢測物體。由於成本低、通用性強、可靠性高,這些傳感器是製造業中應用最廣泛的傳感器之一。漫反射光電傳感器不需要反射器。它是性價比很高的傳感器,用於檢測附近物體的存在。


直通光束光電傳感器可以提供最長的傳感範圍,這種傳感器分別在兩個點安裝發射單元和接收單元。車庫門安全傳感器就是光束傳感器。當光束中斷時,表示目標存在。槽型光電傳感器,是一種有趣的直通光束變體;它將一個發射器和接收機,安裝在同一個緊湊的單元上。槽型光傳感器,用於檢測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,用於中距離存在感測。從精確度和成本上來說,這是介於漫反射和直通光束之間的傳感器。


光纖傳感裝置用於存在和距離傳感。這些多功能傳感器上的參數可以進行調整,以檢測各種顏色、背景和距離範圍。


激光傳感器可用於長距離存在感測,其在短距離測量應用中是最精確的。


視覺傳感器可用於條碼讀取、計數、形狀驗證等。視覺傳感器是一種經濟高效的視覺應用,在使用相機係統成本較高而且比較複雜的場合,可以使用視覺傳感器。視覺傳感器用於條碼讀取,跟蹤單個組件,並執行為該組件匹配的工藝過程。傳感器可以驗證部件上存在的功能數量。視覺傳感器可以確定是否已達到指定的曲線或其它形狀。由於這些傳感器需要處理光線,因此在環境光和背景反射率方麵,盡可能接近運行環境的場合下,對傳感器進行測試至關重要。在大多數應用中,建議將視覺傳感器放置在外殼內,使其與外部光源隔離開來。在傳感器測試中,尋求視覺傳感器製造商的幫助是一個好主意。此外,別忘了確保選擇合適的現場總線。


信號轉換器,將從傳感器的模擬輸出信號轉變為信號轉換器上的開關量,另一種選擇是轉換為IO-Link 過程數據。

其它傳感器選型分析

1.磁性開關:它是氣缸用傳感器的一個專用稱呼,主要應用於檢測氣缸活塞位置。通常,都由氣缸供應商根據客戶使用情況配套提供。顧名思義,磁性開關是通過電磁感應來檢測目標物,所以,其檢測精度相當低。

2.接近開關:接近開關也是依據電磁感應的原理設計製造的,所以,它隻能應測金屬目標物,並且不同的金屬感應距離略有差距。目前常用的接近開關檢測距離大約有如下幾種:1mm、2mm、4mm、8mm、12mm等。接近開關通常有兩種:埋入型和非埋入型。所謂埋入型就是指接近開關的感應頭不檢測其圓周方向的金屬目標,隻檢測其前方的金屬目標,即傳感器感應頭可以不露出金屬安裝支架;所謂非埋入型就是指接近開關感應頭既檢測其前方的金屬目標也同時會檢測其圓周方向的金屬目標,即傳感器感應頭必須露出金屬安裝支架一段距離且圓周方向一定範圍內不得有金屬目標物以免引起錯誤判斷。接近開關的檢測精度較磁性開關高。接近開關通常用於判斷產品有無、工裝夾具是否到位等對位置精度要求相對較低的場合。

3.光電開關:光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點,而且可測參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控製中應用非常廣泛。我們通常所說的光電開關大致有三種:一種是反射式光電傳感器、一種是對射式光電傳感器、一種是使用反射板反射光束的光電傳感器。其中後兩種都是通過目標物遮光實現檢測的,前一種是通過目標物反射光線來實現檢測功能。所以,通常後兩種檢測距離更遠、精度更高。由於光電傳感器具有相當高的檢測精度,所以,通常用於檢測產品或者機械手等工件的精確位置以及步進、伺服係統的反饋裝置中。

4.光纖傳感器:光纖傳感器也是一種應用光電信號轉換的檢測元件,相比較於光電開關而言,它通常能檢測更小的目標物、檢測距離更遠、精度更高。所以,光纖傳感器通常應用於更為精準的檢測場合和步進、伺服係統的定位反饋裝置中。

5.光柵:光柵也是一種利用光電信號的傳感器。光柵檢測區域大,所以通常也稱區域傳感器。光柵通常最主要的應用領域是設備之間的互鎖和安全作用,特別是應用於對人的保護上比較多。

6.電熱偶:電熱偶主要是用於檢測其周圍的環境溫度。

7.激光檢測儀:激光檢測儀最主要的功能是精確地測量目標物的外形尺寸。

8.工業照相機:工業照相機在工程上也通常稱為CCD(Charge-coupledDevice),它主要應用於檢測目標物的外形和位置。隨著目前CCD技術的提高,高分辨率的工業相機已經可以應用於精確測量領域。

9.編碼器:按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號,再把這個電信號轉變成計數脈衝,用脈衝的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置府應一個確定的數字碼,因此它的示值隻與測量的起始和終止位置有關,而與測量的中間過程無關。編碼器通常與步進電機或者伺服電機配使用構成閉環或者半閉環的控製係統。

10.微動開關:微動開關是一種接觸式傳感器,目前主要應用於設備之間的連接或者設備的安全防護門狀態的檢測。

小結

回顧我國的敏感元件與傳感器行業發展,雖然迅速,但是也存在一些不足,如產品技術水平偏低、產業基礎薄弱、產品種類欠缺、企業研發能力弱。因此,國家正在陸續製定有利於傳感器產業發展的政策。另外,新興技術的不斷出現,也成為傳感器行業發展的利好因素。隨著應用於物聯網、低碳經濟等領域的新型傳感器的研發和應用,傳感器產業將在電子元器件行業中占據更為重要的地位,發揮更大的作用。


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