機電系統中的傳感器及其應用

【摘要】：本文分析了機電系統中常用傳感器的組成及其工作原理，并對各類傳感器的實際應用進行了詳細介紹，指出了應用傳感器時應注意的各種事項。

【關鍵詞】：傳感器;機電;開關;數字;模擬

光機電一體化的自動化設備在運行中也有大量的信息需要準確地被“感受”，以使設備能按照設計要求實現自動化控制，自動化設備用于“感受”信息的裝置就是傳感器。傳感技術是實現自動化的關鍵技術之一。隨著新的加工技術、微電子技術、微處理的飛速發展，微型化、多維多功能化、集成化、數字化及智能化是傳感器的方向發展。

根據傳感器輸出電信號的類型不同，可以分為：模擬量傳感器、數字量傳感器、開關量傳感器。

一.開關量傳感器

開關量傳感器輸出信號只有兩種狀態。接近開關是一種采用非接觸式檢測、輸出開關量的傳感器。該類傳感器主要用于位置量的檢測。在各種接近開關傳感器中，廣泛應用的是高頻接近開關，因為這類開關具有抗干擾能力強、靈敏度高、可靠性好、使用壽命長等特點。應用較為廣泛的主要有電感式、電容式、光電式、磁感應式接近開關。

1.電感式接近開關

電感式接近開關就是利用電渦流效應制造的傳感器。因此它對金屬和非金屬的篩選性能好，工作穩定可靠，抗干擾能力強，在現代工業檢測中得到廣泛的應用。

電感式接近開關利用導電物體在接近這個能產生電磁場接近開關時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用到接近開關，使開關內部電路參數發生變化，由此識別出有無導電物體移近，進而控制開關的通或斷。這種接近開關所能檢測的物體必須是導電體。

2. 電容式接近開關

這種開關的測量通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是開關的外殼。這個外殼在測量過程中通常是接地或與設備的機殼相連接。當有物體移向接近開關時，不論它是否為導體，由于它的接近，總要使電容的介電常數發生變化，從而使電容量發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制開關的接通或斷開。

3. 光電式接近開關

利用光電效應制成的傳感器稱為光電式傳感器。光電式傳感器的種類很多，其中輸出形式為開關量的傳感器為光電式接近開關。

光電式接近開關主要由光發射器和光接收器組成。光發射器用于發射紅外光或可見光。光接收器用于接收發射器發射的光，并將光信號轉換成電信號以開關量形式輸出。

按照接收器接收光的方式不同，光電式接近開關可以分為對射式、反射式和漫射式三種。光發射器和光接收器也有一體式和分體式兩種。

4.磁感應式接近開關

（1）霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關，叫做霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關時，開關檢測面上的霍爾元件因產生霍爾效應而使開關內部電路狀態發生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。

（2）干簧管由一對由磁性材料制造的彈性磁簧組成，磁簧密封于充有惰性氣體的玻璃管中，磁簧端面互疊，但留有一條細間隙。磁簧端面觸點鍍有一層貴重金屬，例如銠或者釕，使開關具有穩定的特性和延長使用壽命。可用于控制氣缸運動的末端位置。干簧管成對安裝在氣缸兩段，與氣缸活塞上的磁環產生感應。

二.數字量傳感器

數字量傳感器是一種能夠將被測物理量直接轉成數字量輸出的裝置，它可直接與計算機系統連接。數字量傳感器具有測量精度和分辨率高、抗干擾能力強、穩定性好、易于與計算機接口、便于信號處理和實現自動化測量以及適合遠距離傳輸等優點，在一些精度要求高的場合應用極為普遍。工業裝備上常用的數字量傳感器主要有數字編碼器（在實際工程中應用最多的是光電編碼器）和數字光柵傳感器等。

1. 光柵式傳感器

光柵式傳感器采用光柵疊柵條紋原理測量位移。光柵是在一塊長條形的光學玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為 10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。傳感器由主光柵、指示光柵、光學元件和光電元件四部分組成。

傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業用白玻璃、光學玻璃等）上;另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優點是量程大和精度高。光柵式傳感器應用在程控、數控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。

2. 光電編碼器

編碼器是將直線運動和轉角運動變換為數字信號進行測量的一種傳感器。有光電式、電磁式和接觸式等各種類型。

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90度的A、B辨向條紋。光敏元件所產生的信號A、B彼此相差90相位。當碼盤正轉時，A信號超前B信號90;當碼盤反轉時，B信號超前A信號90。

三.模擬量傳感器

模擬量傳感器發出的是連續信號，用電壓、電流、電阻等表示被測參數的大小。比如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器及位移傳感器等都是常見的模擬量傳感器。

在工業生產實踐中，為了保證模擬信號檢測的精度和抗干擾能力，便于與后續處理器進行自動化系統集成，所使用的各種模擬量傳感器一般都配有專門的信號轉換與處理電路，將兩者組合在一起使用，把檢測到的模擬量變換成標準的電信號輸出，這種測量裝置成為變送器。