了解用于运动控制和制造的传感器

现代机器上布满了传感器。传感器的作用始于动力——毕竟，直流电机只有在加入闭环反馈后才会变成伺服电机。然而，传感器执行许多其他任务。传感器检测零件，检查填充水平，检查标签，执行质量控制，控制不同运动轴之间的交互，运动控制组件和其他子系统之间的交互，以及机器和负载之间的交互。他们监视设备的运行状况以减少停机时间。没有这个输入，我们所知道的工厂就无法运作。

运动系统上的传感器的主要功能是:

• 监控机器操作
• 监控机状态
• 监视与负载或其他系统的交互

每项任务都需要不同的测量模式和传感器技术。让我们考虑几个：

监控机器操作
运动控制系统中最重要的传感器可能是电机反馈传感器。通常连接到电机轴或负载上，这些设备为控制系统提供可转换为速度或位置的输入，以降低实际和命令位置/速度之间的误差。

用于此任务的最常见的设备是编码器和解析器。在编码器中，电机或负载的运动使有图案的盘或条调制恒定的输入信号。编码器可分为增量式和绝对式。增量式编码器产生的脉冲流可以从启动时建立的某个位置转换为速度或角位移。对于绝对编码器，输出是一个对应于特定角度位置的n位数字字。

编码器可以实现为光学、磁或感应设计。光学编码器在码盘的一侧使用LED，在另一侧使用光电二极管或光学相控阵探测器（见图1）。当电机轴转动时，带图案的圆盘调节光束。线性编码器类似地工作。光学编码器提供最高分辨率的输出，使其非常适合苛刻的应用。因为它们是光学的，所以对热变化、冲击、振动以及污染都很敏感。

磁编码器的工作原理与光学编码器类似，它使用一个磁图案的轮子在一组磁阻探测器上旋转。传感技术使它们非常坚固耐用，在包括振动和污染的恶劣环境中非常有效。因为它们涉及磁体，所以冲击和温度波动有一定的限制。为了获得最高的分辨率和性能，霍尔效应编码器使用基于芯片的阵列来增加灵敏度和减少误差。

编码器的选择涉及到许多考虑因素；单击此处获取有关如何为应用程序选择最有效编码器的详细教程。

解析器是一种不含电子元件的旋转位置传感器。旋转变压器是一种差动变压器，连接到转子上的线圈在两个读出线圈中感应出一个90°相位差的电压(见图2)。角的位置是通过取正弦线圈电压和余弦线圈电压的比值的arctan来确定的。作为模拟设备，解析器理论上有无限的分辨率，尽管它们确实需要模数转换。由于不包含机载电子设备，解析器非常坚固，适合恶劣环境，如极端温度、高冲击和振动或高辐射量的环境。

电感式编码器是解析器的芯片级版本。线圈是光刻图案在PCB上，可以安装到电机定子。转子/轴通过导电盘激励线圈。

转矩传感器
许多运动控制应用都需要扭矩监测功能，例如，将瓶盖拧到规定的松紧程度。有几种用于扭矩传感的技术。

监控机状态
停机的高成本，尤其是计划外停机的高成本，使人们对用于预测性维护的状态监控越来越感兴趣。用于状态监测的三种关键传感器技术是电流传感器、温度传感器和振动传感器。驱动电流直接与电机输出的转矩有关。如果电机的电流突然增加，就意味着轴需要更多的扭矩来移动负载。常见原因包括轴承缺陷、润滑故障、皮带张紧不当、对中偏差等。

现代驱动器和一些智能电机包括电流传感器和数据记录器，可以跟踪电流随时间的变化，内置分析功能，并在超过阈值时发出警报。

与基于模型的算法结合使用时，电流传感器可用作虚拟扭矩传感器。它们甚至可以作为虚拟的质量控制设备——如果当前图纸符合规范，那么制造步骤已经正确执行。

振动监测是旋转资产的有效工具，尤其是连续旋转资产，如风扇、泵和鼓风机。每个机械系统都有一个固有的振荡频率。系统中的缺陷会改变振动频谱。通过监测频谱随时间变化的幅度和新频率的出现，振动分析可以提供具有高度特异性的缺陷早期预警（见图3）。在这里，常见的问题也包括轴承保持架缺陷、润滑问题、损坏的叶轮叶片等。

最常见的振动监测类型基于压电和微机电系统（MEMS）技术。

在一种基于mems的加速度计中，一个小的质量块悬挂在平行板之间，形成双电容。当设备振动时，证明质量振荡，使得一边的电容增大，另一边的电容增大(见图4)。这个数据可以用来计算振动频率。这种结构通常在MEMS传感器中重复多次，以达到平均性能。有源区域通过弯曲悬浮在传感器壳体中。通过修改测试质量的质量和弯曲的刚度，可以使MEMS传感器在各种振动频率范围内有效。

压电传感器采用压电陶瓷作为传感方式。当压电陶瓷受到压力时，它就产生电压。

监视与负载的交互
工业环境具有挑战性，其特点是污染、温度波动、冲击和振动，以及电磁干扰。每个应用程序的需求是不同的。因此，oem和集成商需要考虑各种传感模式，以便为每个项目开发最佳解决方案。自动化中使用的主要传感方式是:

• 光学传感
• 电容式感应
• 感应传感
• 磁感应
• 超声波传感

这些技术可用于监控产品在生产线中的移动方式、产品与设备的交互方式以及产品本身的质量和性能。

存在/传感器
制造业中最常见的传感任务之一是存在或缺失检测。目标可能和确定一个盒子是否在传送带上一样简单。这可能就像确定一个新汽水瓶的盖子是拧好了还是歪斜了一样复杂。最佳的使用方式取决于被移动物体的属性、与传感器头的距离、运动速度和所需的精度。

光电传感器
因为光电传感器使用光作为传感方式，所以它们与多种材料兼容，从金属到塑料再到纸张。光电传感器由产生信号的发射器和检测响应的接收器组成。光电传感器使用LED或激光二极管光源。接收器是将光转换为光电流的光电二极管。波长取决于应用的条件。红外和红色光源是最常见的，但根据环境、环境照明和所涉及的材料，可以使用其他波长。

光电传感器按传感模式可分为透光束传感器、反反射传感器和漫反射传感器。与工程学中的大多数事物一样，每种事物都有其优缺点和最佳应用

连续梁传感器
在通束传感器中，发射器放置在有源区域的一侧，接收器放置在有源区域的另一侧(见图5)。光源产生可被光电探测器接收的波束。在这两个之间通过的传感物体衰减光束，减少光电流，中断光电流并登记作为检测;连续的光束算作是缺失。

注:有些光电探测器的设计使在无光时产生信号，在有光时则不产生信号。这些所谓的黑眼睛光电探测器可以用来探测缺席而不是存在。为了简单起见，本文将重点讨论状态检测。

应用程序可以简单到计数传送带上的物体或使用窄束激光源检查穿孔材料。

穿透光束传感器可以进行远距离高精度测量。固态设计使其极其精确。因为这个系统由两个部分组成，所以更加复杂。特别是，精确的对准是至关重要的。应用包括物体检测、堆栈高度和填充水平等特性的确定、歪斜盖检测等质量检查、部件计数和触发视觉系统。

反射式传感器
在反反射传感器中，发射器和接收器都被安置在同一个传感器头上。传感器头安装在反反射器的对面。光源发出一个信号，信号从反反射器反射回来，返回到接收器(见图6)。当一个物体通过它们之间，减弱光束，系统记录存在。

反反射传感器对被测物体的颜色和倾斜度不敏感。然而，他们并不是对完成任务完全麻木不仁。一个非常闪亮的物体模仿了反反射器返回的信号，结果可能是假阴性。解决方案是通过使用角立方体反反射器和在探测器前添加偏振滤波器对系统进行稍微修改。反反射器将返回偏振光，这些偏振光将通过匹配的偏振滤光片。任何来自闪亮表面的反射都是无偏振的，因此会被滤光片衰减。

反反射传感器也可以用来探测透明物体。该功能需要定制的低迟滞电路，使系统敏感，即使是非常小的衰减。在发射极和接收机上增加偏振滤波器可以提供由反射引起的假负极。

由于只需要一个传感器头，反反射式传感器比穿透式传感器更简单，也更经济。这样做的代价是从厘米缩小到几米。偏振滤波器也衰减信号，进一步缩小范围。因为发射器和接收器在空间上是分开的，从反反射器发出的光实际上以一个小角度返回。与穿透光束版本相比，这在一定程度上降低了传感器的精度。

应用范围包括物体检测，特别是透明部件;零件计数，即使在高速，甚至更多。

漫反射传感器
漫反射光电传感器是最简单的一种。与反向反射设计一样，传感器头包括发射器和接收器。然而，这种设计并没有使用反光器。相反，来自发射器的光传播到传感对象并被反射回接收器(见图7)。

从反射表面反射回来的光线趋向于形成一个狭窄的(镜面)圆锥。从非反射表面返回的光会在多个方向反射，表面越粗糙，反射就越随机(漫反射)。部分光线返回到传感器头部的接收器;超过一定的阈值，系统检测传感对象。

漫反射传感器安装简单，是三种模式中最便宜的。它们可以在厘米到几米的距离内工作。然而，由于这些设备使用漫反射，信噪比可能非常高。因此，基本漫反射传感器的传感距离和其他性能高度依赖于传感对象的颜色和光洁度，以及环境光线条件。需要考虑应用程序的所有细节，特别是被监视对象的细节。例如，在亮背景前探测暗物体就需要特殊的设计。

解决其中一些问题,漫反射传感器可以拒绝环境光(参见图8)。一个传感器只可以设置为检测对象在一个特定的距离使用光电二极管有两篇文章(参见图8)。从表面反射光在前台会传播到附近(N)光电探测器,而从背景表面传播的光会进入远(F)光电探测器。只有同样落在两个光电探测器上的光才会被记录为一种存在。该原理可用于去除前景和背景的光学噪声。它还可以用来将漫反射传感器转换成距离测量设备。

距离感应

近距离传感器
近距离传感器是非接触式传感器，可以根据物体与材料的相互作用来检测物体的存在。用于近距离传感器的三种传感器形式是电容式、电感式和磁性的。

电容式传感器
电容随距离和面积的变化而变化，可用于确定传感对象的大小和距离。电容式传感器的范围可达几十毫米。因为它们是固态的，因此非常坚固和经济。他们使用金属物体以及诸如树脂、液体和粉末等介质材料。测量性能可能会受到附近物体的影响，以及来自电源和信号电缆的电磁干扰。性能也随温度的变化而变化。

电感传感器
感应式接近传感器基于绕组和电路之间的相互作用，连接电路形成调谐频率振荡器。振荡器产生不断变化的磁场，可在附近的导体中感应涡流。涡流的大小与磁场的接近程度成正比。涡流反过来影响振荡器电路的大小。振荡器因此起到询问和读出的作用。

感应式传感器的有效性取决于它试图检测的金属物体的特性。这种技术最适合黑色材料。在铝和黄铜等有色金属中，涡流效应减小。因此，操作距离是由材料来衡量的——例如，黄铜或青铜物体的传感范围可能是铁质物体的一半。

磁传感器
磁性接近传感器金属读开关，可通过磁场控制。当磁性物体或放置在感兴趣物体上的小传感器磁铁靠近传感器时，开关闭合，产生信号。磁近距离传感器简单而可靠。他们是EMI免疫和不受湿气和污染。缺点是，他们需要在感兴趣的物体上安装一个磁性装置。

致谢
欧姆龙自动化美国分部的传感器产品经理Michael Hamoy提供了有用的对话