工业传感器中的反馈装置：应变片和电容

如上所述，工业自动化系统使用PLC来控制一系列设备的运行。PLC的控制精度高、速度快。但是PLC本身不能获得被控设备运行的状态，如果由于某些中间因素导致设备的运行结果不是理想的被控值，PLC是无法对误差进行修正的，那么生产的产品自然是不合格的。因此，工业自动化控制系统需要反馈装置来对加工过程进行实时监控，利用工业传感器监测生产过程，如部件是否到位，部件尺寸的大小等。例如，使用视觉系统检测产品质量。

工业传感器的作用是获取信息并产生反馈数据。在工业自动化控制领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大。传感器是一种检测装置，不仅能感受被测量的信息，还能检测出感受到的信息。传感器能够按一定规律将被测量转换成电信号等输出形式，以满足信息传输、信息处理、信息存储、显示、记录及控制的需要。传感器的输出与输入之间存在确定的关系，并能达到一定的测量准确度、线性度和灵敏度指标。图1-5是传感器与转换器的功能示意图。

图1-5 传感器与转换器的功能示意图

传感器一般由敏感器件和其他辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测量，并将信号进行必要的转换输出。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感器件，它的作用是将压力转换成弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换成电阻的变化而输出。一般将信号调理与转换电路归为辅助器件，它们是一些能将敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。

传感器的种类很多，在工业自动化系统中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测，而同一类型的传感器也可测量不同的物理量。

传感器通常可分为接触式和非接触式。如果传感器必须与感知对象相接触，就是接触式传感器，图1-6a所示的限位开关就是一个例子，当工件接触到限位开关时，开关改变状态，就创建了一次能被PLC检测到的状态改变。非接触式传感器不需要与感知对象有物理上的接触就可以工作，可以避免降低生产过程的速度或干扰生产过程。如图1-6b中的感应式接近开关，不需要工件碰触其本体，而是利用目标接近传感器时改变了振荡器的振幅来检测工件是否到位。非接触式传感器（电子传感器）比机械设备更可靠，更不易出错，所以非接触式传感器可以用在高速生产线上。

图1-6 接触式与非接触式传感器

a）接触式传感器（限位开关） b）非接触式传感器的原理

传感器还可以分为数字传感器和模拟传感器。数字传感器有两种状态：“断开”和“闭合”。大多数的应用都包括计算过程，而计算是数字传感器所擅长的，数字传感器比模拟传感器简单，更容易使用，这也是数字传感器获得广泛应用的一个原因。数字输出传感器也使用开、关逻辑。它们通常使用晶体管输出，如果传感器检测到某物体，晶体管打开，电流通过，传感器的输出就可以连接到PLC的输入端。大多数数字传感器的输出门限电流是很低的，一般不超过100mA，在打开电源前，应该先检查一下传感器，输出电流必须在门限值以下，否则传感器就会损坏。所以，如果把传感器连接到PLC上，PLC的输入将会把电流限制在安全范围之内。模拟传感器也称线性输出传感器，比数字传感器复杂，但可以提供更多的与生产过程相关的信息。例如图1-7所示的一个测量液位的超声波传感器，它要测量的液位值是模拟信息，在5～30m之间。模拟传感器可以检测到液位值，并向PLC输出相应的电流。液位越高，传感器输出的电流值也越高。根据探测到的液位不同，模拟传感器的输出在4～20mA之间变化。数字传感器的输出只有0、1两个值，而模拟传感器则可以提供在最大和最小值之间变化的很多数值，所以PLC可以准确地获得温度值，从而更好地控制生产过程。

图1-7 测量液位的超声波传感器

按被测物理量划分，常见的传感器类型有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器和转矩传感器等。

按工作原理划分，常见的传感器类型有：

1.电学式传感器

电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。

（1）电阻式传感器 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成的。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。图1-8所示为电阻应变片的结构及其测量电路。加在应变片上的力使应变片发生弯曲，其物理形状发生改变，从而导致其阻值发生变化。桥式电路用于探测应变片的阻值所发生的微小变化。

图1-8 电阻应变片的结构及其测量电路

a）金属丝型 b）桥式测量电路

（2）电容式传感器 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成的，主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。如图1-9所示，电容式传感器的激活面由两个金属电极构成——如同一个断开的电容。如有物体靠近该电容，它将产生耦合电容并产生振荡，从而给出信号。利用电容式传感器可以在玻璃或塑料容器的外部控制液体的填充过程。

图1-9 电容式传感器结构及应用举例

（3）电感式传感器 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的，主要用于位移、压力、力、振动和加速度等参数的测量。如图1-10所示，电感式传感器的振荡器产生一个微弱的磁场，当物体进入这个磁场时，磁场受到的干扰被传感器探测到并产生相应的输出。

图1-10 电感式传感器结构与功能示意图

（4）磁电式传感器 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成的，主要用于流量、转速和位移等参数的测量。

图1-11所示为电磁流量计的结构及应用举例。电磁流量计安装在流体管道外壁上，通过液体的流动产生感应电信号，且不会限制液体流动。

图1-11 电磁流量计的结构及应用举例

1—铁心 2—电极 3—绝缘导管 4—励磁线圈 5—液体

（5）电涡流式传感器 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成的，主要用于位移及厚度等参数的测量。图1-12所示为电涡流传感器的原理及应用举例。

图1-12 电涡流传感器的原理及应用举例

2.磁学式传感器(www.xing528.com)

磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。图1-13所示为一个磁性传感器用来测量轴的转速。磁体依附在轴上，每当磁体通过，绕制在磁体上的线圈就会接收到一个脉冲。通过测量脉冲的频率，可以确定轴的转速。

图1-13 磁性传感器原理图

3.光电式传感器

光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移和浓度等参数的测量。大多数工业光电传感器使用发光二极管（LED）作为光源，用光敏晶体管来感测光源。如图1-14所示，由LED发出的光照在光敏晶体管的输入端，通过晶体管光的数量发生了变化。通过光检测器，模拟输出端将按照可见光的量提供一定比例的输出信号。反射型光电传感器用于探测从目标反射回来的光束；透射型光电传感器用于测量由于目标通过光轴时所引起的光量的变化。

4.电势型传感器

电势型传感器是利用热电效应、光电效应和霍尔效应等原理制成的，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强和热辐射等参数的测量。图1-15所示为霍尔传感器的原理图及测量转速的应用。半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势E，这种现象称为霍尔效应。在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔元件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔元件输出的微小脉冲信号经隔直、放大和整形后可以确定被测物的转速。

图1-14 光电式传感器的原理、类型及应用举例

a）反射型 b）透射型

图1-15 霍尔传感器原理图及测量转速应用

1—磁体 2—霍尔元件 3—齿圈

5.电荷传感器

电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。在外力作用下，压电式传感器在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。图1-16所示为压电式传感器的应用举例。

6.半导体传感器

半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等各种物理、化学和生物学特性制成的。半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ_-Ⅵ族元素的化合物。半导体传感器主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量，优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。

图1-16 压电式传感器的应用举例

图1-17所示为半导体压力传感器的原理和结构图，以及利用压力传感器检测洗涤桶中液位的实例。

图1-17 半导体压力传感器的原理和结构图及应用举例

7.谐振式传感器

谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成的，主要用来测量压力。谐振式传感器利用谐振元件把被测参量转换为频率信号，当被测参量发生变化时，振动元件的固有振动频率随之改变，通过相应的测量电路，就可得到与被测参量成一定关系的电信号。目前的谐振式传感器种类很多，包括以精密合金用精密机械加工制成的谐振筒、谐振梁、谐振膜和谐振弯管；以及利用微机械加工技术，以硅和石英为基底制出的微结构谐振式传感器；另外，声表面波传感器是一种基于高的机械振动频率的谐振式传感器。上述谐振式传感器的频率范围是从音频（16Hz～16kHz）到100MHz。图1-18所示为谐振筒传感器的结构及功能框图。

8.电化学式传感器

电化学式传感器是以离子导电为基础制成的，根据其电特性的形成不同，电化学式传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。图1-19所示为一种恒电位电解式气体传感器的结构图以及在安防报警系统中的应用举例。

图1-18 谐振筒传感器的结构及功能框图

图1-19 恒电位电解式气体传感器的结构图及应用举例

另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。

图1-20 传感器检测系统示意图

图1-20所示为典型的传感器检测系统示意图。其中传感器和变送器的功能是将待检测的机械信号或电信号转换为标准的输入信号，如4～20mA或0～5V信号。