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

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。

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。

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

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。

图 2 ：光电传感器的串扰问题。

选择最适合的离散传感器

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，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，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，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。

关键概念

■ 探索离散传感器的主要用途。

■ 按类识别常见的离散传感器类型。

■ 学习最佳实践，使用离散传感器来避免落入陷阱。

思考一下

哪种类型的传感器对您的应用最有意义？

「隆旅干货分享」数字式扭矩传感器技术性能及应用

/// 专 业 的 工 业 传 感 与 测 量 头 条 号 ///

/ 前言 /

在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数:旋转扭矩,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（见图一）

图一 扭转角相位差式扭矩传感器示意图

扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术。它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。(见图二)但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。

图二 基本的扭矩传感器

由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法 :将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号（见图三）。

图三

旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。(见图四)遥测扭矩仪成功之处在于克服了电滑环的两项缺陷，但也存在着三个不足之处，其一：易受使用现场电磁波的干扰；其二：由于是电池供电，所以只能短期使用。其三：由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题。在小量程及小直径轴时更突出。数字式扭矩传感器吸取了上述各种方法的优点并克服了其缺陷,在应变传感器的基础上设计了两组旋转变压器,实现了能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。

图四

/ 特点 /

1.既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩。

2.检测精度高，稳定性好；抗干扰性强。 3.体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用。 4. 不需反复调零即可连续测量正反转扭矩。

5. 没有导电环等磨损件，可以高转速长时间运行。

6. 传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理。

/ 测量原理 /

将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥 ，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分)（见图五）。

图五

/ 传感器原理结构 /

在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器。

在轴上固定着： (1)能源环形变压器的次级线圈；

(2)信号环形变压器初级线圈；(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。

在传感器的外壳上固定着：(1)激磁电路；(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)；(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)；(4)信号处理电路。

/ 应用范围 /

1. 检测发电机，电动机 ，内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率。

2. 检测减速机，风机，泵，搅拌机，卷扬机，螺旋桨，钻探机械等设备的负载扭矩及输入功率。

3. 检测各种机械加工中心，自动机床的工作过程中的扭矩。

4. 各种旋转动力设备系统所传递的扭矩及效率。

5. 检测扭矩的同时可以检测转速，轴向力。

6. 可用于制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手。

/ 安装使用 /

1. 使用两组联轴器，将传感器安装在动力源和负载之间。

图六

2. 建议用挠性、弹性或万向节联轴器，以保证同心度 ∠ 0.1mm以下。

3. 动力及负载设备必须固定可靠避免振动。

4. 将本传感器的基座与设备的基座固定可靠，中心高须垫合适避免产生弯矩 。

/ 安装方式 /

1. 如果要求传动系统的轴向不因安装了传感器而加长，则可使用智能联轴器--既可以检测扭矩，又可以承担联轴器的功能。也就是一种带检测功能的联轴器。

2. 被测传动系统不允许加长但可以拆卸时，则可以使用套装式扭矩传感器--套在被测轴上即可测试。

3. 被测传动系统既不允许加长又不可以拆卸时，则可以使用在现场组装的卡装式扭矩传感器。从轴的两侧卡在轴上即可进行测试。即可长期监测也可短期检测。与电流钳形表相似。

4．有的测试系统既有扭力又有轴向力时则可以使用转矩转速轴向力三参数传感器；既可以避免轴向力对扭力测试的干扰又可以测量轴向力的信号。

5．在高转速或超高转速下测试时可以使用无轴承式转矩转速传感器。

6．如果被测系统为不旋转状态时可以使用扭矩传感变送器。

7．如果被测系统最大值在5mN·m至1N·m时可以使用小量程转矩转速传感器。

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