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？

图文精解：五分钟让你透彻理解传感器（赶紧收藏！）

传感器是根据材料的物理、化学、生物学的特性和规律设计而成的器件，种类繁多，在测控领域内，由某一原理设计的传感器可以同时测量多种非电量，而有时一种非电量又可用多种不同原理的传感器测量，因此传感器的分类方法较多，一般可按以下几种方法分类。

1．按输入量分类

按输入量可分为压力、位移、速度、温度、湿度等传感器。这种分类方法明确地表达了传感器的用途，便于选用，但该分类法将原理互不相同的传感器归于一类，难以找出每种传感器的转换原理上有何共性和差异。

2．按测量原理分类

这种分类方法是以物理和化学等的原理、规律和效应作为分类依据，如电压式、热电式、电阻式、光电式、电感式等。这种分类方法的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，利于对传感器进行深入分析和研究。

3．按能量关系分类

按能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器。前者将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器。通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、电磁式等。无源传感器又称能量控制型传感器。它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中能量起控制或调节作用。所以，它们必须有辅助电源，这类传感器有电阻式、电容式、电感式等。

4．根据半导体有关理论分类

分为半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。

5．按输出量分类

按输出量分类有模拟式和数字式传感器。模拟式传感器的输出信号为模拟量；数字式传感器的输出信号为数字量，便于与计算机连用，且抗干扰性强，如盘式角压数字传感器，光栅传感器等。

6．其他分类

传感器通常也可按结构型和物性型分类。

（1）结构型

主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。这种传感器目前应用的最为普遍。

（2）物性型

物性型是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。

传感器按测量原理和用途两个大类细分如下表所示。

传感器的使用注意事项

（1）安装及线路调试

① 要熟悉传感器及后级电路的原理、特点和要求。

② 传感器安装位置和方法要正确，固定要牢固。传感器的输出信号线要符合说明书的要求。

③ 传感器的供电电源要符合说明书的要求。输出信号的极性、电流方向要与后级电路输入的要求一致。

④ 传感器及后级电路安装完毕后，要开机反复进行调整，直到达到最佳状态。

（2）操作要点

① 传感器必须与被测物体保持紧密联系，有些就直接安装在被测物体上。传感器的安装位置是否准确，对检测结果影响很大。

② 对于传感器接收装置的输入电路，其检测的精度取决于传感器的精度、安装位置和方法是否正确及接收装置的精度。

来源：《电工从业技能深入精通》 作者：张志远

版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除

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