來源：iPEBG設備健康管理處

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在工業自動化中，傳感器起著至關重要的作用，以使產品智能化和超自動化。傳感器幫助人們檢測，分析，測量和處理各種變化，例如在工業生產場所發生的位置，長度，高度，外部和錯位的變化。

傳感器是一種設備，可以識別電氣或物理或其他數量的進度，并以確認產量進度的方式交付收益。簡而言之，工業自動化傳感器是輸入設備，可提供有關特定物理量(輸入)的輸出(信號)。

傳感器在預測和預防眾多潛在過程中也起著舉足輕重的作用，從而滿足了許多工業傳感應用的需求。

以下是自動化中使用的各種傳感器：

01

壓力傳感器

壓力傳感器是一種可感知壓力并將其轉換為電信號的儀器，其數量取決于所施加的壓力。工業自動化中使用的主要壓力傳感器包括壓力傳感器和真空傳感器。

壓力傳感器：壓力傳感器廣泛用于工業和液壓系統，這些高壓工業自動化傳感器也用于氣候控制系統。

真空傳感器：當真空壓力低于大氣壓時，會使用真空傳感器，并且很難通過機械方法進行檢測。這些傳感器通常取決于電阻與溫度相關的加熱絲。當真空壓力增加時，對流下降，導線溫度上升。電阻成比例增加，并在壓力附近進行校準，以便對真空進行有效測量。

壓力傳感器的應用：

用于在給定位置測量低于大氣壓的壓力；

用于氣象儀器，飛機，車輛和其他已實現壓力功能的機械；

用于系統中以測量其他變量，例如流體/氣體流量，速度，水位和高度。

02

溫度傳感器

溫度傳感器是一種從資源中收集有關溫度的信息并將其更改為其他設備可以理解的形式的設備。它是傳感器的常用類別，可以檢測溫度或熱量，并且可以測量介質的溫度。

自動化中使用的主要溫度傳感器包括數字溫度傳感器和溫濕度傳感器。

數字溫度傳感器：數字溫度傳感器是基于硅的溫度感應IC，可通過數字表示所測量的溫度來提供準確的輸出。與涉及外部信號調理和模數轉換器(ADC)的方法相比，這簡化了控制系統的設計。

溫濕度傳感器：溫濕度傳感器將溫度傳感器和濕度傳感器組合，再歸因于測量的數字信號輸出。通過利用該技術和溫度以及有限的數字信號采集濕度感測技術，可確保高度一致性和出色的長期穩定性。

溫度傳感器的應用：

連續測量空氣，土壤或水中的溫度；

用于復雜工業應用中的測量；

用于在惡劣的工作條件下進行測量。

03

MEMS傳感器(微機電系統)

MEMS工業自動化傳感器將測量的機械信號轉換為電信號。工業自動化中使用的重要傳感器是加速度和運動MEMS.

加速度傳感器：微機電系統(MEMS)加速度傳感器是主要的慣性傳感器之一。并且具有動態傳感器能力，具有更大范圍的傳感能力。

運動傳感器：微機電系統(MEMS)運動傳感器使用在運動交互平臺上設計的數據處理算法，該平臺將眾多低成本MEMS運動傳感器與ZigBee無線技術集成在一起，可在與機器一起工作時進行個性化交互。傳感器信號處理系統主要解決噪聲消除，信號平滑，重力影響分區，坐標系變更和位置信息恢復等問題，廣泛用于汽車工業的ABS技術。

MEMS傳感器的應用：

MEMS傳感器應用范圍廣泛，從工業，娛樂，體育到教育。例如，觸發安全氣囊展開或監視核反應堆。以及用于測量靜態加速度(重力)，物體傾斜，飛機中的動態加速度，對汽車中物體的震動，還有手機，洗衣機或電腦的振動。還有用于檢測運動等等。

04

扭矩傳感器

扭矩傳感器具有基本的機械擋塊，可提高過載能力，并在安裝和操作期間提供額外的保護。

工業自動化中使用的重要傳感器包括旋轉扭矩和扭矩傳感器。

旋轉扭矩傳感器：旋轉扭矩工業自動化傳感器用于測量旋轉扭矩的反作用力。這些扭矩計配有基本的機械擋塊，可增加剩余容量，并在安裝和操作期間提供額外的安全性。

扭矩傳感器：扭矩傳感器利用卓越的應變計技術，滿足了傳感器靜態和動態應用中最具挑戰性的需求。

扭矩傳感器的應用：

用于測量旋轉速度和維護必要性；

用于測量質量和質量慣性矩；

從準靜態過程的角度來看要計算的扭矩量；

用于測量最高旋轉速度，振蕩扭矩。

05

磁性開關

磁性開關是氣缸用傳感器的一個專用稱呼，主要應用于檢測氣缸活塞位置。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。

氣缸用磁性開關，可用于設備提速，氣缸運動完成，磁性開關感應到，馬上進行下一步工作。一個氣缸一般配備兩個磁性開關，當然也有配一個磁性開關的情況，比如氣缸的一個動作推一個物件而夾緊物件，對于這一氣缸來講，推出的是否到位置是重要的，推出的地方要有一個磁性開關，但是如果對于氣缸退回時是否退到位不是很在意，只要氣缸不是在推出的位置即可，則氣缸只需要配備一個磁性開關。另外一個需要特別關注的地方是氣缸不一定就配置磁性開關來檢測位置，如果氣缸本體在比較狹窄的位置，設置磁性開關不易于調節，則需將感應點引出，由槽型開關來感應氣缸的動作。

06

接近開關

接近開關也是依據電磁感應的原理設計制造的，所以，它只能應測金屬目標物，并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，只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范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。接近開關通常用于判斷產品有無、工裝夾具是否到位等對位置精度要求相對較低的場合。

07

光電傳感器

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制中應用非常廣泛。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。

其中后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，通常后兩種檢測距離更遠、精度更高。由于光電傳感器具有相當高的檢測精度，所以，通常用于檢測產品或者機械手等工件的精確位置以及步進、伺服系統的反饋裝置中。

由于在自動化設計中使用最多的是U型光電，在此重點介紹。不同品牌的U型光皆有不同的安裝形式在此不做具體討論。如下圖所示為某公司插件式U型光電，在選用這一種類的U型光電時需要特別注意的是尾部留出足夠大的空間來供插件的插入，當然很多時候選用電器元件的時候，這一條均需注意。另外對于自制的短行程模組在設計時一定要考慮行程范圍內是否夠距離設置3個U型光電，如果距離不夠可以在模組兩側均設計U型光電。

一般一條模組上面會配備3條U型光電，其中兩個是模組兩行程終點的極限限位光電，中間的一條為模組找原點的U型光電，下面主要說明兩種找原點的方式：

(1)光電開關感應到感應片，電機繼續運動在電機旋轉一周內找到程序設置的一個原點作為模組的原點，這種方式定位精度高，主要影響精度的因素絲桿，電機本身，聯軸器等，主要受模組本身的一些參數影響，定位精度高，能達到0.01mm；

(2)光電開關感應到感應片之后，電機開始剎車制動直到整個系統停下作為模組的原點，此方式的精度會受到溫度，光照條件，光電開關響應速度等影響，定位精度較低，一般在0.05-0.1mm左右。

08

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。光纖傳感器一般需要光纖放大器配合使用，價格上來說稍微貴一點，但是就性質上來說，比之前提到的光電和接近傳感器有本質的區別，它可以進行質的測量，怎么說呢?也就是說他可以定量的進行檢測，如可以測量距離多少毫米。

相比較于光電開關而言，光纖傳感器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于更為精準的檢測場合和步進、伺服系統的定位反饋裝置中。

光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經由光纖送入調制器，在調制器內與外界被測參數的相互作用，使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化，成為被調制的光信號，再經過光纖送入光電器件、經解調器后獲得被測參數。整個過程中，光束經由光纖導入，通過調制器后再射出，其中光纖的作用首先是傳輸光束，其次是起到光調制器的作用。

光纖傳感器設計時要考慮光纖頭的防撞問題，一般設計保護光纖頭的支架。另外不管是對射光電還是對射光纖受周圍環境影響相對于普通反射光纖而言要小，在設計時需要重點考慮。

09

位移傳感器

顧名思義，即是檢測目標物位置變化的傳感器。位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬于金屬感應的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。

在生產過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數字式兩種。

模擬式又可分為物性型和結構型兩種。常用位移傳感器以模擬式結構型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、自整角機、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。數字式位移傳感器的一個重要優點是便于將信號直接送入計算機系統。這種傳感器發展迅速，應用日益廣泛。

10

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，特別是應用于對人的保護上比較多，常用于沖壓機械、剪切設備、金屬切削設備、自動化裝配線、自動化焊接線、機械傳送搬運設備等。

11

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。

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工業照相機

工業照相機在工程上也通常稱為CCD(Charge-coupledDevice),它主要應用于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于精確測量領域。

13

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沖，用脈沖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，因此它的示值只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制系統。

14

微動開關

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

15

智能傳感器

最后一種傳感器也可能是未來自動化工業中最重要的一種——智能傳感器。新一代高級智能傳感器將成為工業自動化的心臟。“智能工廠”是指在數字化工廠的基礎上，利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務，清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預、即時正確地采集生產線數據，以及合理的生產計畫編排與生產進度。智能工廠可實現的技術包括無線感測、控制系統網路化和工業通信無線化等稱重傳感器。

對某些產品質量指標(例如，黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進行快速直接測量并在線控制。而融合智能技術的傳感器將可以很好的解決上述問題。目前，工業生產的確在大規模向自動化方向轉變，但隨著物聯網及云平臺應用的不斷投放商用化，工業領域的自動化發展有向更高層次升級的趨勢，即智能化生產。

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光子產業報告【500頁】