工业上常用的检测位置的传感器功能和原理，这些知识你可能不知道

一、电感式接近开关：只能检测金属物体

1. 工作原理

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。

2.工作流程方框图

术语解释

1. 检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2. 设定距离： 接近开关在实际工作中整定的距离，一般为额定动作距离的0.8倍。

3. 回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。

4. 标准检测体： 可使接近开关作比较的金属检测体。

5. 输出状态： 分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的接近开关所接通的负载，由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

6. 检测方式： 分埋入式和非埋入式。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型，可与安装的金属物件形成同一表面，非埋入式的接近开关则需把感应头露出，以达到其长检测距离的目的。

7.响应频率f： 按规定的1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的次数。

响应时间t： 接近开关检测到物体时间到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。

可用公式换算 t=1/f

8.导通压降： 既接近开关在导通状态时，开关内输出晶体管上的电压降。

以NPN型输出的接近开关为例

9.输出形式： 分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，DC二线，AC二线，AC五线（自带继电器）等几种常用的形式输出。

注意事项

1：当检测物体为非金属时，检测距离要减小，另外很薄的镀膜层也是检测不到的。

2：电感式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附。

二、电容式接近开关

1.工作原理

电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn的位置动作。

2.工作流程方框图

3.安装要求

2.高防水等级的产品均不具备灵敏度调节功能，另外其检测距离为标准值的1/2或1/3，甚至更小。

注意事项

1：电容式接近开关理论上可以检测任何物体，当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果。

2：电容式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的电容式接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使电容式接近开关长期稳定工作，由于其受潮湿、灰尘等因素的影响比较大，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有粉尘粘附。

三、红外线光电开关

红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380nm-780nm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线。

红外线光电开关（光电传感器）属于光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为

1.漫反射式光电开关

漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

引起理想漫反射的光度分布

局部较强漫反射时的光度分布

2.镜反射式光电开关

镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

3.对射式光电开关

对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。

4.槽式光电开关

槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。

5.光纤式光电开关

光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

术语解释

1.检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（光电开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

3.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。

4.输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载，由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

5.检测方式：根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式，镜反射式，对射式等。(详见工作原理说明)

6.输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，AC二线，AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

7.指向角：常见GDKG光电传感器的指向角示意图

漫反射式光电开关镜反射式光电开关对射式光电开关

8.防护等级（外壳封装）：

9.表面反射率：对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将是决定接受器接收到光线的强度大小，粗糙的表面反射回的光线必将小于光滑表面反射回的强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。常用材料的反射率参考图如下所示：

材料反射率材料反射率

白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%

10.环境特性：GDKG光电开关应用的环境亦是影响其长期工作可靠性的重要条件。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性，它终究是造成可靠性降低的最大因数，其较简便的解决方法是根据GDKG传感器的最大检测距离（Sn）降额使用来确定最佳工作距离。

四、位移传感器

1. 原理简介

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。

2. 输出特性曲线

五、霍尔开关

一、原理简介

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为

U=K·I·B/d

其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。

二、内部原理图

三、输入/输出的转移特性

术语解释

1.磁感应强度：霍尔开关在工作时，它所要求磁钢具有的磁场强度的大小。一般磁感应强度值B为0.02-0.05T。

2.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许霍尔开关动作循环的次数。

3.输出状态：分常开、常闭、锁存。例如当无检测物体时，常开型的 霍尔开关所接通的负载，由于霍尔开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

4.输出形式：分NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

5.动作距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（霍尔开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指 霍尔开关动作距离的标称值。

6.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

六、磁性开关

磁性开关与其它接近开关的特点比较

优点：

1.传感器可以整体安装在金属中。

2.传感器对并排安装没有任何要求。

3.传感器顶部（传感面）可以由金属制成。

4.传感器具有价格低廉，结构简单。

缺点：

1.动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。

2.检测体的接近方向会影响动作距离的大小

（径向接近是轴向接近时动作距离的一半）。

3.径向接近时有可能会出现两个工作点。

4.检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。

首创混合响应柔性压力传感器，为人把脉，将为机器人打造人类触觉

现任德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）天普基金会特聘终身教授的鲁南姝认为，人类科技的发展趋势一定是机器越来越像人，人越来越像机器。“人工智能时代，人机融合具有必然性，否则将与时代脱节” SpaceX CEO 伊隆·马斯克在 2017 年世界政府峰会上的发言令鲁南姝印象深刻。

（来源：Pixabay）

近年来，柔性可穿戴设备在监测人体生物信号方面的研究取得长足进步，使用柔性贴片随时随地监测血压、脉搏指日可待。然而，现有可穿戴压力传感器存在一个大问题：高灵敏度与宽域工作范围无法兼得。即使是非常轻微的压力，都会使传感器的灵敏度大幅下降。

“柔性压力传感器赛道非常拥挤，经过二十年的发展，研究遇到瓶颈，因为仍然没有很好的办法能够解决压力和灵敏度之间的矛盾，”鲁南姝说。

近期，鲁南姝带领的团队通过创新有史以来第一个混合传感器方法来填补这一空白，“这是第一个利用压阻-压容混合响应来承受压力而不显著降低灵敏度的传感器。”她向 DeepTech 表示。

首次将电容与电阻结合，平衡压力宽域与灵敏程度

鲁南姝课题组发明的“复合响应”压力传感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）近期在 Advanced Materials 上发表。

通过导电的多孔状微结构与超薄绝缘层的结合，研究员们首次发现分布式压电电阻和压电电容的混合响应能够使得柔性压力传感器兼具高灵敏度和宽域工作范围。小至一种果蝇的重量（0.07 pa），大到人脚踏步所产生的压力（125 kPa），都可以被灵敏地感应到。

图 | “复合响应” 压力传感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）

据介绍，该传感器是由一种超高孔隙率的导电纳米复合材料（porous nanocomposite, PNC），超薄绝缘层（PMMA）以及 Au/PI 电极复合而成。其中，多孔纳米复合材料（PNC）由碳纳米管（carbon nanotube, CNT）掺杂的 Ecoflex 硅胶构成。

图 | 复合响应压力传感器 HRPS 应用演示。

为了展示传感器对微小压力信号的灵敏程度，研究人员测量了一只仅有 0.7 毫克重的果蝇、传感器上方 3 cm 处的鼓风机吹出的气流、三个连续降落的水滴，以及人体颈动脉和颞动脉的脉搏跳动。

实验结果显示，HRPS 对果蝇自重带来的仅有 0.07 Pa 的压力，以及微小气流、水滴滴落时引起的压力响应准确且迅速，响应时间仅为 94 毫秒。

在健康监测方面，鲁南姝课题组的成员此次将柔软、轻薄的 HRPS 贴附在受试者颈动脉，可清晰探测到脉搏波动。颈动脉和额颞动脉属于细微搏动，其测量对设备的灵敏度要求极高。

哪怕事先在传感器上施加额外压力，比如为受试者戴上虚拟现实（VR）头盔，对 HRPS 产生了 8 kPa 的预压力，颞动脉搏动信号仍然能够被清晰测得。

“这是颞动脉搏动信号首次由电容式压力传感器无创地测量得到。” 鲁南姝说道。

在对高压力的测量中，HRPS 也表现出良好的灵敏度。论文的补充视频中，小组成员将 HRPS 贴在一位体重为 80 kg 的受试者的脚掌上，测量其在瑜伽垫上行走产生的压强，最终测量的最大记录值为 125 kPa ，这一数字与此前其他研究测得人脚行走产生的压强一致。

此次研究主要展示了 HRPS 在人体健康监测上的应用，除此之外，鲁南姝对他们研制的柔性传感器还有更宏伟的愿景。她正在研究如何将这种柔性传感器包裹在其他柔软物体上（如机器人手），使其具有人类皮肤的敏感性。通过模拟人类真实的触感，让机器人拥有通过触摸来识别物体的能力。

从电子纹身到电子皮肤，人与机器如何向彼此靠近？

2012 年，鲁南殊凭借“电子纹身”的发明入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”全球区域的榜单评选。

传统的智能穿戴设备体积较大，携带不便，穿戴舒适度欠佳。而“电子纹身”（Electronic Tattoo or E-Tattoo）具有无创、轻薄以及极佳的形变能力，并将心电，肌电，脑电等多种身体信息传输到手机、电脑等终端。这种一次性电子贴片在医疗或人机交互领域都具有极大的市场前景，被认为是“可穿戴设备的终极传感器形态”。

图 | 多层、模块化“电子纹身”可实现无线充电和无线数据传输

鲁南姝曾于清华大学和哈佛大学分别取得了学士学位和博士学位，后来在伊利诺伊大学香槟分校以贝克曼博士后研究员身份开展工作。她的研究领域涉及柔性电子的力学、材料、制造和人体集成等多个方向。

当下，鲁南姝从两方面来建构自己的科研大厦，一是电子纹身（E-tattoo），轻薄、柔软的特性使其能够良好贴合人体皮肤，捕捉生物信号，传感人类的生命体征。人体是一种模拟生物信号系统，而机器和电子世界则是数字的。因此若想实现人机交互，人需要“数字化”，“电子纹身”被认为是人类“数字化”的有效途径之一。

图 | 多层、模块化“电子纹身”可实现无线充电和无线数据传输

另一个是电子皮肤（E-skin），通过柔性压力、温度等传感器，让软机器人拥有类似于人类皮肤的敏感性，赋予其生动的触觉、视觉、听觉、味觉和嗅觉等感知能力。此次发表的研究便是一种新型的混合相应电子皮肤，拓宽传感器的压力工作范围，并保持触觉灵敏度。

鲁南姝的终极目标是能够完成人机交互的闭环：人体通过电子纹身实现与数字世界的链接，机器人则通过电子皮肤模拟人类感知环境。因此，她的团队一直围绕 “柔性生物电子系统” 在以下四个方面展开研究：

第一是柔性/可拉伸结结构力学研究。如被动型和主动型（压电）蜿蜒带状结构的变形机理以及由于多层柔性电子的层间杨氏模量失配导致的上下层弯曲解耦。

第二是二维材料和纳米材料，包括石墨烯电子纹身（Graphene E-Tattoo or GET），二维材料形成的纳米气泡和纳米帐篷机理，以及 PNC。

第三是制备工艺和转印技术，包括无线电子纹身的“切割—焊接—粘贴” 工艺和水辅助转印。

第四是生物-电子界面，包括器件与不平生物组织表面的共形机理，受剪纸启发的可共形人造视网膜，以及表面凹坑阵列带来的稳定且可重复使用的干性粘结界面。

人机交互，开启智慧养老时代

在问到自己最期待的应用场景时，鲁南姝说道：“我个人偏向于医疗方向的应用，尤其是养老”谈到养老问题时，她有些许的动容，并用到“鞭长莫及”来形容。

鲁南姝的奶奶、外公、外婆已年近百岁，但她长期在国外，受疫情的影响无法随时回到国内照顾家中的父母与老人。通过电子纹身实时监测老人活动与健康，通过机器人护工弥补有的巨大缺口和市场的养老问题，是鲁南姝所期待的未来，“在欠发达地区，护工非常缺乏，有能力且温柔的护工更是。为机器人制作电子皮肤，让其拥有匹敌人类的温柔与触感，将能很大程度上缓解这类职业缺口。”被问及人工智能取代人类工作的问题时，鲁南姝说：“人类情感交流不可替代，但事务性工作可以。”

（来源：Pixabay）

中社科院老年研究所估计，中国养老市场的商机约 4 万亿元，到 2030 年有望增至 13 万亿元。“养老服务业在凸显出民生事业特征的同时也彰显出其作为朝阳产业的巨大吸引力。”

第7次人口普查数据显示，我国 65 岁以上的老龄人口达到 1.9 亿人，占比达 13.5%，中国正在加速进入老龄化社会。传统养老模式已无法全盘适应当前需求，通过科技手段寻求新型多元复合治理方案解决老年人多层次需求成为必然趋势，鲁南姝以及其他科研人员的研究，将会是未来“智慧养老”图景不可或缺的一小片拼图。

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