传感器在工业领域的应用

传感器在工业领域的应用案例

当工程师在评估技术进步时，通常注重于处理能力的大大提高，处理能力使工业设备日趋“智能”。

针对这种形势，人们很容易忽视传感器为当今中央处理器提供处理其工作机会的作用。例如，无电容和电阻传感技术的话，如何让一部智能手机显得“智能”？如果未采用先进的加速计技术控制家庭视频游戏机，人们的生活将多么乏味？

工业控制领域内同样如此。如今，所有设备都能被工程师测量或检测，并用作输入系统。传感器和变送器的构造适用于各种环境；同时，与获取信号是确保其安全传输至中央处理器的调节和输送系统一样重要。

在工业领域，最突出的趋势可能是视觉信息用作系统输入的急剧增长。根据行业分析师IMS研究估计，2011年的机器视觉市场增长10%（达到近29亿美元）。尽管在宏观经济气候下困难持续存在，但是，在随后五年内，该市场可能继续增长（即使是以较为适度的个位数增长）。如今，制造业所占比例超过机器视觉收入的80%；但IMS还确定，该技术将在交通监测、安全和监督、管理和医学应用等领域广泛使用。

例如Omron制造的ZFV系列智能视觉传感器可使工程师使用视觉系统，这在几年前是不可能实现的。此类设备包括配有高速CCD摄像机（电荷耦合摄像机）的探头，以及与放大器/控制器模块进行数字通信的智能可调LED照明电源。探头可选用5 mm至50 mm不等的各种视场规格，放大器则为单功能或编程/多功能放大器，其取决于应用程序和客户要求。

放大器模块配有一个LCD屏幕和允许用户通过键盘输入定义其检验应用程序的“教学和驱动”软件。预编程基本算法包括区域、亮度、宽度、位置、字符、计数和模式。在检验过程中，该屏幕还用于显示通过/失败信息，并显示一张已检产品的图像。

图1-专为外观检验设计的Omron ZFV系列

ZFV系列有彩色版和黑白版本，可以编程，进行12 ms、6 ms 或4 ms检验（即，每秒检验高达250次）。单一控制器总线可连接多达五个传感器，确保一次进行五项不同检验，大大提高了生产效率。每个系统内可存储高达八个不同检验对象，增强了灵活性。

毫无疑问，视觉系统近年来发展显著，与此同时，更多传统传感器类型也迅速发展。需实现的最重要功能之一是位置和运动感应，以及各式各样目前可供使用的线性和旋转编码器。当提供一些绝对编码时，即在关闭电源后保存系统上次位置的记忆，增量编码器可为绝大多数应用程序提供服务。

新一代设备以SICK Stegmann的DFS60线为代表。这些设备分辨率高达65,536脉冲/转（PPR），但是其基于自由编程平台，允许用户通过软件界面设置输出电压、零位以及PPR计数。电机轴和编码器为电绝缘型，增强了抗干扰度，并允许此类设备可在通电条件下使用。设备物理设计增强了其电子硬件的稳健性，该物理设计采用创新的轴承设计以及镍编码盘，使其可操作温度介于-20°C至+100°C之间。

图2-SICK Stegmann的DFS60系列是新一代增量编码器之一

DFS60系列具有轴向和径向两种安装方式，且可选TTL/RS422和HTL/推拉式输出信号，适用于各种应用程序，包括打印、纺织和包装机械。

需要根据电气环境、应用程序和外部信号调节装置谨慎选择编码器输出。因此，Baumer等制造商专门设计了一系列应对此类不同要求的多种配置。

例如，互补线路驱动程序输出可用于电缆线路过长且存在EMI（电磁干扰）噪音的情况。当电缆线路较短时，带短路保护的推拉式输出将更加适用；如果信号需要采用外部内插法检查，可能需要使用正弦波输出。

与编码一样，非接触式接近感应是一项历史悠久的技术，这项技术广泛应用于各类定位应用程序，从工业环境吊装到移动式升降、牲畜自动给料系统、食品及饮料自动化行业等。这种趋势旨在通过使用传统基础技术以及先进产品规格（例如传感器速度、稳健性、较小尺寸）改善性能。同时，进步体现在成本降低和灵活性增强（例如能通过AC和DC电源运行）。因此，产品系列（例如Schneider OsiSense系列）包括通用设备和特殊应用专用传感器。例如，在食品行业和专业领域（例如洗车中心），经常遇到的需要承受高压冲洗或蒸汽清洗的IP69K组件。

图3-OsiSense XS系列感应传感器-可用于位置感应和非铁/有色金属探测

OsiSense系列包括XS感应技术（感应高达60 mm的金属物体）和XT电容技术（能够感应高达20 mm 的任何材料）。

当需要超小物体位置和存在探测时，光纤传感器的应用日益广泛。除体积小以外，此类传感器还能探测较小物体和运动，并具有许多其他优点：光纤传感器能够抵抗电气噪音，这在许多环境中是其一大优势；相反，此类传感器自身不发出任何噪音，因此，可在有起火危险的环境中安全使用；同时，由于此类传感器采用玻璃而非塑料和纤维制成，因此，能够在高温环境中使用。

操作原理与任何其他光学传感方案的方案非常相似。发自LED的光耦合为一束光纤，这束光纤将LED光传递至需要感应的位置。光在探头处被分散。附近物体将产生一定数量的光线，沿光纤反射回来。

因此，光纤传感系统包括两个主要组件：产生光线和感应反射的放大器和光纤。放大器可为数字型和手动型。顾名思义，数字型提供了感应光线值的数字显示，且转换点采用数字化设置。手动型提供条形图，且能通过电位计对转换点进行设置。

该传感器可使用多种不同类型的纤维。最常用的是单束塑料纤维。为了更加准确，用户可选择同轴结构，其中央核心用于传输入射光线，并采用较小的环绕纤维将反射传输回传感器。同时，此种纤维能更加有效地感应可能从任何方向进入感应区域的物体。第三种纤维是一大束小纤维构成的多芯纤维。多芯纤维相当灵活，因此，这种纤维经常用于需要远距离移动探头的机器人应用程序。

E3X系列可编程光纤放大器和Omron的E32探头是多功能用途的最佳示范。标准E32圆柱探头为所有通用应用程序提供可靠的物体探测、简易安装和较长的传感器使用寿命，以及简易安装用带六角形背面的模型。为实现平整表面的快速简易安装，E32系列还包括3 mm或4 mm方形探头，供用户选择感应X、Y 或Z轴。对于大小介于500µm-3mm之间物体的感应以及受限空间内的感应，可选用微型探头。分散同轴传感器和正透镜沿感应范围延伸至100µm。最终，带内置聚焦镜的长距离探头感应距离可达20m。

E3X系列放大器包括E3X-HD（由显示清楚读数和设置点的双数字显示屏和快速而简便的一键式教学动态电源控制器组成）、EtherCAT及ComponNet通信单元。