常用传感器的基础知识

传感器是人类感知、获取和检测自然界各种信息的工具，通过它能得到人类感官无法获得的大量信息。在现代科学技术、工农业生产、人类日常生活中，传感器都起着不可替代的作用。可以说，科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖就越大。

一、传感器的组成与分类

1、传感器的组成

传感器通常由敏感元件、转换元件及基本转换电路组成，如图1所示。

敏感元件是能够灵敏地感受被测景并按确定关系做出响应的元件;

转换元件是将敏感元件所感受的被测量转换成电路参数(如电阻、电感和电容)或电量(如电压、电流)的元件;

基本转换电路是将转换元件的输出转换成便于传输和处理电量的电路。

图1 传感器的组成

某些传感器可以仅由敏感元件和转换元件组成，而某些传感器的敏感元件和转换元件可合二为一，最简单的传感器是由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它在感受被测量时可以直接输出电量，如热电偶、压电晶体、光电池等。

2、传感器的分类

传感器的种类繁多，其分类方法也有多种，这里仅介绍两种最为常用的分类方法。

(1)按被测物理量分类。传感器有位移传感器、接近传感器、速度传感器、温度传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器及加速度传感器等。这种分类方法直接表明了传感器的用途，与用户和传感器生产厂家所关心的各种待测信息的种类相对应，便于用户了解和选用传感器。

(2)按工作原理分类。传感器有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔传感器、光电式传感器等。这种分类方法以传感器的工作原理为依据，有利于人们对各种传感器及其检测原理的理解和研究。

3、传感器的基本特性

传感器的特性是指传感器的输出量与输入量之间的对应关系。由于输入量有静态(即输入信号为不随时间变化或变化非常缓慢的基本稳定状态)和动态(即输入信号为随时间作周期变化或无规律瞬变的变化状态)两种基本形式，因此传感器的特性通常有两种对应的表示形式，即静态特性和动态特性。

当输入量处于静态时，传感器的输出与输入量之间的关系称为传感器的静态特性。通常，用来表征传感器静态特性的主要指标有：测量范围、量程、灵敏度、分辨力、线性度、迟滞性、重复性、漂移和稳定性等。

二、常用传感器的特性

1、接近传感器

接近传感器能够在非接触的情况下检测被测物体是否接近，并将检测结果以开关信号方式输出，因此通常又称为无触点行程开关或接近开关。

接近开关有电感式、电容式、光电式、霍尔式等多种。

(1)电感式接近传感器。电感式接近传感器也称为电感式接近开关或电涡流式接近开关。电感式接近开关主要由LC高频振荡电路、信号处理电路和开关放大电路组成，如图2所示。

图2 电感式传感器示意图

图3 电感式接近传感器实物图

(2)电容式接近传感器。电容式接近传感器也称为电容式接近开关，其电路框图如图4所示。

图4 电容式传感器示意图

电容式接近开关是以电容器的极板作为其检测面，而检测面外部所面对的物质，则是电容器两个极板之间的绝缘介质，若该绝缘介质发生变化，则电容器的电容量也将随之变化。

无论金属或非金属的被测物体，在接近或离开电容式接近开关时，都会引起接近开关电容器的介电常数发生变化，从而使得电容式接近开关能够输出相应的开关信号。

因此，电容式接近开关所检测的物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。使用的电容式接近开关如图5所示。

图5 电容式接近传感器实物图

(3)光电式接近传感器。光电式传感器是利用光电器件将光信号转换成电信号的一种传感器。其核心的敏感元件是光电器件，光电器件的工作基础是光电效应。图6为光电式接近开关。

图6 光电式接近传感器实物图

2、温度传感器

为了满足不同场合、不同物质的温度测量要求，测量温度的方法有接触式和非接触式两种。前者是将感温元件与被测对象进行直接物理接触，通过热传导来测温;后者则是将感温元件与被测对象不进行物理接触，而通过热辐射进行热传递来测温。

两种测温方法，分别有与其对应的温度传感器。接触式温度传感器通常是利用材料或元件的温度特性来测温的。常用的温度传感器主要有热电偶、热电阻、热敏电阻及集成温度传感器等。图7是设备中使用的温度传感器Pt100及温度变送器。

图7 温度传感器实物图

3、磁性开关

在自动化生产线中，磁性开关用于各类气缸的位置检测，用两个磁性开关来测机械手上气缸伸出和缩回到位的位置。

磁力式接近开关(简称磁性开关)是一种非接触式位置检测开关，这种非接触式位置检测不会磨损和损伤检测对象，响应速度高。

磁性开关用于检测磁性物质的存在，安装方式上有导线引出型、接插件式、接插件中继型，根据安装场所环境的要求磁性开关可选择屏蔽式和非屏蔽式。其外形如图8 所示。

图8 磁性开关实物图

4、光纤式光电接近开关

光纤式光电接近开关(简称光纤式光电开关)也是光纤传感器的一种，光纤传感器传感部分没有电路连接，不产生热量，只利用很少的光能，这些特点使光纤传感器成为危险环境下的理想选择。

光纤传感器还可以用于关键生产设备的长期高可靠稳定的监视。相对于传统传感器，光纤传感器具有下述优点：抗电磁干扰、可工作于恶劣环境、传输距离远、使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小的空间里面。光纤放大器根据需要来设置。

比如有些生产过程中烟火，电火花等可能引起爆炸和火灾，光能不会成为火源，所以不会引起爆炸和火灾，可将光纤检测头设置在危险场所，将放大器单元设置在非危险场所进行使用。

光纤传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，光纤放大器和光纤检测头是分离的两个部分。光纤传感器结构上分为传感型和传光型两大类。传感型是以光纤本身作为敏感元件，使光纤换有感受和传递被测信息的作用。

传光型是把由被测对象所调制的光信号输入光纤，通过输出端进行光信号处理而进行测量的，传光型光纤传感器的工作原理与光电传感器类似。在生产中货物分拣单元中采用的就是传光型的光纤式光电开关，光纤仅作为被调制光的传播线路使用。常见的光纤传感器如图9及图10所示。

图9 光纤传感器实物图

图10 光纤传感器放大器实物图

5、光电编码器

光电编码器是通过光电转换，将机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置(角度)的检测。

典型的光电编码器由码盘(Disk)、 检测光栅(Mask)、光电转换电路(包括光源、光敏器件、信号转换电路)、机械部件等组成。

一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式及复合式三大类，生产线上常采用的是增量式传感器，其结构如图11所示。

图11 光电编码器示意图

在一般生产设备上传送带定位控制就是由光电编码器来完成的。同时，光电编码器还要完成电动机转速的测量。其外形如图12所示。

图12 光电编码器实物图

图13 光电编码器在设备上的使用