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如何选择最适合的离散/数字式传感器--常见类型、技术特点和使用技巧

来源:控制工程网2019.02.13阅读 7503

  离散或数字式传感器在自动化系统中无处不在。在继电器逻辑时代,甚至在可编程逻辑控制器 (PLC)出现之前,已经开始使用数字式传感器,在简化PLC逻辑方面,现在仍发挥着作用。离散传感器发送开/关(是/否)信号,通常允许PLC忽略模拟阈值、死区、检测速度和其他复杂性。
  这些信号可能意味着“检测到部件”、“设备气压高于80PSI”、“执行机构已到达预定位置”、“在某一温度下的加热器”或其它工况。强大的设备功能的实现,高度依赖于以正确的方式使用适合的传感器。上述每个工况,都可能使用不同类型的传感器。   
  常见离散传感器类型  
  下面是用于自动化的各种常见的离散传感器。
  限位开关 
  目前仍在广泛应用的限位开关,配置一个机械开关,与零件接触时打开或关闭。它们的形状和尺寸各异,并可以提供诸如冗余触点之类的选项。尽管机械式限位开关具有简单、实用等特点,但许多应用已开始转而使用非接触式固态传感器,因为它更灵活、使用寿命更长。限位开关也有其局限性,因为它需要与被感知部分接触。   
  簧片开关 
  簧片开关,主要用于气动领域,配置了一个由磁铁打开/关闭的机械开关。它们通常安装在气缸上,气缸活塞内有磁铁。请注意,测量气缸位置并不总是最佳的做法。例如,当气缸驱动联动轴将部件推入预定位置时,如果活塞从连接中出来怎么办?如果连接有溢出或反冲呢?更好的方式是测量接触部件的板,而不是测量气缸的位置。由于这些都是机械设备,因此同限位开关一样,它们也有类似的寿命问题。因此可以使用固态继电器形式的气缸开关作为替代。   

图 1:屏蔽与非屏蔽接近开关。注意非屏蔽类型上附加的黄色塑料。图片来源:Breen设备自动化服务

  接近开关 
  接近开关是另一种常见传感器,通常采用电感原理,这就需要使用金属(优先选用含铁的金属)以便能正常工作。也可以使用有色金属,如铝和铜,但不能像检测铁一样直接检测这些金属。在这种情况下,感知距离比较近,并且需要更大的感知目标(有时甚至会大到无法使用)。在这种情况下,有两种方法可以改善检测:  
  1、把钢质螺丝安装在有色金属目标上,以便接近开关能够检测到。
  2、使用“大量程”或“非屏蔽”接近开关 。因为这两种类型的趋近式传感器的顶端,有较少的金属覆盖,因此灵敏度也就更高。   
  确实存在某些其它类型的趋近式传感器,利用非电感原理 (电容和超声波),可以测量非金属零件。但是,这种传感器并不常见,因此,在谈到接近开关时,通常认为是电感类型的。   
  光电传感器 
  光电传感器,有一个光 “发射器” 和 “接收器”。它们可集成安装,也可分散安装。这通常是跟踪系统部件的一种低成本的方法。有时,光通过光纤的引导,或者直接在发射器/接收机中使用。检测部件,通过将光反射回接收机 (反射应用) 或通过阻断光束到达接收器 (直通光束应用) 来完成。   
  选择适合的传感器类型 
  在采购离散传感器时有多种选择。选择过程中,一旦确定了与机械接口类型匹配的通用传感器,还有其它需要考虑的因素:  
  ●PNP与NPN :这是所有固态设备必需做的选择。它代表电流方向。在美国CONTROL ENGINEERING China版权所有,一般使用PNP类型的传感器,但如果设备来自于其它国家,那就必须了解PLC输入的类型。如果PLC手册说 “漏型输入(sinking input)”,那它就是PNP类型的;如果说“源型输入(sourcing input)”,那它就是NPN类型的。某些输入模块,可以配置为两者中的任意一个。在这种情况下,请先确认连接到“公共”端的电源端子。如果公共端子为0 Vdc,那它就是PNP类型;如果是24Vdc,则为NPN类型。
  ●2线与3线:这主要是机械触点(2线)和固态触点(3线)之间的选择。
  ●快速断开与集成电缆:许多传感器提供两种选择,永久连接电缆或快速断开连接。虽然成本略高,但“快速断开”类型,通常更易于维护。如果传感器断开,则不需要新电缆。
  在某一时期,从本质上讲,离散传感器是真正的数字化控制工程网版权所有,如机械压力开关使用弹簧加载的隔膜,或基于汞的恒温器,但界限正在逐渐模糊。现代的离散传感器,通常用于测量模拟量中的压力、温度、电感和亮度等参数,并使用小型计算器将其转换为数字式的“是”或“否”。值得注意的是:现在,很多简单的传感器,都可以通过IO-Link等技术控制工程网版权所有,将模拟信息传递回PLC。如果数据已经产生,并配置了一台计算机,为什么不利用它呢?这是最新的趋势,在市场上还没有太多的应用。PLC和梯形逻辑编程语言就是基于离散信号的概念之上。
  光电传感器的应用技巧  
  可见光与红外线的选择。通常情况下,用户必须将光聚集,如果使用可见光控制工程网版权所有,则相对容易实现光的聚集,所以除非有必须使用红外线的理由,尽量使用可见光。
  串扰问题。这些传感器的光线,会干扰其它传感器和光幕。考虑到光不会保持一条线,而是一个锥,并且可能影响使用相同波长的其它设备 (如图2所示) 。

图 2:光电传感器的串扰问题。

  有几种方法可以帮助消除光电传感器的串扰:  
  光线方向交替:当光电传感器彼此靠近时。例如,两个光电传感器测量传送带上6英寸的部件时,将第一个发射器布置在左侧CONTROL ENGINEERING China版权所有,将第二个发射器布置在右侧。 
  使用不同的波长:例如,浅色光幕通常使用红外线。如果在光幕附近使用光电传感器,请使用可见光光电传感器。   
  在发射器上配置光圈,以便缩小光锥。   
  亮“开”与暗“开”:传感器在检测到光时为开,或者当它看不到光时为开?通常可以使用螺丝刀或按钮进行调节。  
  精度:简单的光电传感器应用,无法提供精确的位置检测。例如,带反光式光电传感器的传送带上的传感盒子,其精度只能达到一英寸或两寸。使用光纤或光圈,使发射光和接收区域尽可能小,可以有效提高精度。 
  激光器:虽然成本更高,但可以实现其它传感器不能实现的测量功能,如测距离,而不是仅仅检测阻挡/反射。它们还能检测透明的零件,如塑料或玻璃。(作者:Jon Breen)


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