了解运动控制和制造传感器

现代机器上布满了传感器。传感器的作用从动力开始——毕竟，直流电机只有在添加了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。传感器检测部件，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相互作用，运动控制组件和其他子系统之间，以及机器和负载之间。它们监视设备运行状况以尽量减少停机时间。没有这些输入，我们所知道的工厂就无法运转。

传感器在运动系统上的主要功能是：

• 监控机器操作
• 监控机状态
• 监控与负载或其他系统的互动

这些任务中的每一个都需要不同的测量模态和传感器技术。让我们考虑一些：

监控机器操作
可能是运动控制系统最重要的传感器是电机反馈传感器。通常附接到电机轴或负载，这些器件提供了具有输入的控制系统，可以转换成速度或位置，以便在实际和指令位置/速度之间驱动误差。

此任务最常用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带图案的盘或条调制一个恒定的输入信号。编码器可分为增量型和绝对型。增量编码器产生的脉冲流，可以转换成速度或角位移从某些家庭建立在启动。对于绝对编码器，输出是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，磁性或电感设计。光学编码器在代码盘的一侧上使用LED和另一侧的光电二极管或光相控阵检测器（参见图1）。当电动机轴转动时，图案化圆盘调制光束。线性编码器类似地操作。光学编码器提供最高分辨率输出，使其具有苛刻的应用程序。因为它们是光学的，它们往往对热变化和冲击和振动以及污染敏感。

磁编码器的工作原理与光学编码器类似，使用一个磁性图案的轮子在一组磁阻检测器上旋转。这种传感技术使它们在振动和污染等恶劣环境中非常坚固和有效。由于它们涉及磁体，对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。

编码器选择涉及许多考虑因素;点击此处了解有关如何为应用程序选择最有效的编码器的详细教程。

旋转变压器是一个旋转位置传感器，不包含电子器件。Requsvers是差分变压器，其中连接到转子的线圈引起两个读出线圈中的电压，其为90°（见图2）。通过采用正弦线圈电压和余弦线圈电压的比率的壁来确定角度位置。作为模拟设备，Resolvers具有理论上无限分辨率，尽管它们确实需要模数转换。由于它们不包含船上电子设备，因此腐败者是恶劣环境的非常强大和良好的候选者，例如具有极端温度，高冲击和振动，或大量辐射的人。

归纳编码器是旋转变压器的芯片级版本。线圈在可以安装到电动机定子的PCB上是光刻图案化的。转子/轴通过导电盘激发线圈。

转矩传感器
许多运动控制应用需要扭矩监测能力，例如，将盖子扭转到瓶子或管上以规定的紧密性水平。有几种用于扭矩传感的技术。

监控机状态
停机时间的高成本，特别是计划外停机时间，导致人们对状态监控的兴趣不断增加，以便进行预测性维护。状态监测的三大关键传感器技术是电流传感器、温度传感器和振动传感器。驱动电流直接关系到电机的转矩输出。如果电机的电流突然增加，这意味着轴需要更多的转矩来移动负载。常见的原因包括轴承缺陷、润滑故障、皮带张紧不当、不对中等。

现代的驱动器和一些智能电机包括电流传感器和数据记录器，使跟踪电流成为可能，内置的分析和能力发送警报时，超过阈值。

与基于模型的算法一起使用，电流传感器可用作虚拟扭矩传感器。它们甚至可以充当虚拟质量控制设备 - 如果当前的绘图满足规范，则制造步骤已正确执行。

振动监测是用于旋转资产的有效工具，特别是连续旋转资产，如风扇，泵和鼓风机。每个机械系统都具有振荡的自然频率。系统中的缺陷改变了振动谱。通过监测随着时间的变化和新频率的出现时间而监测频谱，振动分析可以提供高度特异性的缺陷预警（见图3）。在这里，常见问题也包括轴承笼缺陷，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。

在基于mems的加速度计中，一个小的保护质量悬浮在平行板之间，形成双电容器。当器件振动时，证明质量振荡，使一边的电容增加，另一边的电容增加(见图4)。这些数据可以用来计算振动频率。该结构通常在MEMS传感器中重复多次，以平均性能。活动区域通过挠性悬挂在传感器壳体中。通过修改测试质量和弯曲刚度，可以使MEMS传感器在各种振动频率范围有效。

压电传感器使用压电陶瓷作为传感方式。当压电陶瓷经受压力时，产生电压。

监控与负载的交互
工业环境可以是一个挑战的一种，其标志着污染，温度波动，冲击和振动和EMI。每个申请的需求都有所不同。因此，OEM和集成商需要考虑各种感应的方式，以便为每个项目开发最佳解决方案。自动化中使用的主要感应模态是：

• 光学传感
• 电容式感应
• 感应传感
• 磁感应
• 超声波感应

这些技术可用于监视产品如何通过该线路，它们如何与设备交互，以及产品本身的质量和特性。

存在/缺席传感器
在制造中最常见的传感任务之一是存在或缺失检测。目标可能很简单，就是确定一个盒子是否在传送带上。它可能像确定一个新汽水瓶的盖子是拧好了还是歪了一样复杂。使用的最佳方式取决于被移动物体的特性、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，它们与各种材料兼容，从金属到塑料到纸张。光电传感器由发射器组成，产生信号和检测响应的接收器。光电传感器使用LED或激光二极管源。接收器是将光转换为光电流的光电二极管。波长非常依赖于应用的条件。IR和红色来源是最常见的，但可以根据环境，环境照明和所涉及的材料使用其他波长。

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

连续梁传感器
在穿束传感器中，发射器放置在有源区域的一侧，接收器放置在另一侧(见图5)。源产生可被光电探测器接收的光束。通过两个之间的传感物体衰减光束，减少光电流中断光电流并登记为检测;连续的光束算作缺席。

注意:有些光电探测器被设计成在无光时产生有光时不产生的信号。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。为简单起见，本文将重点讨论存在检测。

应用程序可以很简单，比如计算传送带上的物体，或者使用窄光束激光光源检查穿孔材料。

穿过光束传感器可以测量长距离和高精度。固态设计使得它非常精确。因为系统由两个部分组成，所以更复杂。特别是，精确的对准是必不可少的。其应用包括物体检测、堆栈高度和填充水平等特征的确定、歪斜盖检测等质量检查、零件计数和触发视觉系统。

逆向反射传感器
在回溯式传感器中，发射器和接收器被封装在同一传感器头部。传感器头安装在反反射器的对面。光源发出一个信号，该信号从反射器反射到接收器(见图6)。当物体在它们之间通过，使光束衰减时，系统记录存在。

逆向反射传感器往往对被测物体的颜色和倾斜度不敏感。然而，它们并非完全不敏感到完成。一个非常闪亮的对象模仿后向反射器返回的信号，并且可能导致假阴性。解决方案是通过使用角隅棱镜后向图来稍微修改系统，并在检测器之前添加偏振滤波器。后向反射器将返回偏振光，这将通过匹配的偏振滤波器。来自闪亮表面的任何反射将是不偏振的，从而通过过滤器衰减。

逆向反射传感器也可用于检测透明物体。该功能需要定制的低滞后电路，使系统能够敏感到甚至非常小的衰减。在发射器和接收器上添加偏振滤波器，这些滤波器由反射引起的假底片。

因为它只需要一个传感器头，所以与穿束式传感器相比，后反射式传感器既简单又经济。这样做的代价是将距离从厘米减少到几米。偏振滤波器也衰减信号，进一步减少范围。因为发射器和接收器在空间上是分开的，来自后反射器的光实际上以一个轻微的角度返回。这在一定程度上降低了传感器的精度，相比穿透光束版本。

应用包括对象检测，特别是透明部件;零件计数，即使高速等等。

漫反射传感器
漫反射光电传感器是最简单的束。与逆向反射设计一样，传感器头包括发射器和接收器。然而，该设计不利用一个后向图。相反，来自发射器的光传播到感测对象，并反射回接收器（参见图7）。

偏离反射表面的光倾向于以窄（镜面）锥形返回。从非反射表面返回的光在许多方向上反射，表面变得粗糙，表面越随而且漫射）的反射。一些光线返回传感器头中的接收器;高于某个阈值，系统检测到感测对象。

漫反射传感器易于安装和最便宜的三种模式。它们可以在厘米的距离到几米。然而，由于这些设备使用漫反射率，因此信噪比可以非常高。结果，基本漫反射传感器的感测距离和其他性能高度依赖于感测物体的颜色和光洁度，以及环境光条件。应用程序的所有细节，尤其是监视的对象，需要考虑。例如，检测光线前面的暗对象，例如，需要特殊设计。

为了解决这些问题的一些问题，可以设计漫反射传感器以拒绝环境光（见图8）。可以将传感器设置为仅使用两部分光电二极管在特定距离处检测对象（参见图8）。从前景中的表面反射的光将传播到近（n）光电探测器，而从背景中的表面传播的光线将在远亮（f）光电探测器上。只有在两个光电探测器上平等的光线将被注册为存在。该原理可用于拒绝前景和背景光噪声。它还可以用于将漫反射传感器转换为距离测量装置。

距离感应

邻近传感器
接近传感器是非接触式传感器，可以基于与其材料的相互作用来检测物体的存在。在接近传感器中使用的三种传感器模式是电容性的，电感和磁性。

电容传感器
电容随着接近度和面积而变化，可用于确定感测对象的尺寸和距离。电容传感器的范围高达几十毫米。因为它们是固态的，因此非常坚固且经济。它们使用金属物体以及介电材料，例如树脂，液体和粉末。测量性能可能受到附近物体的影响，以及来自电源和信号电缆的EMI。性能也随温度的函数而变化。

电感传感器
电感接近传感器基于连接以形成调谐频率振荡器之间的绕组和电路之间的相互作用。振荡器产生不断变化的磁场，其可以在附近导体中诱导涡流。涡流的大小与场的接近程度成比例。反过来，涡流会影响振荡器电路的大小。因此，振荡器用作询问器和读数。

电感传感器的有效性根据其试图检测的金属对象的性质而变化。该技术最适用于含有黑色材料。涡流效果在诸如铝和黄铜的有色金属中减少。结果，通过材料缩放的操作距离 - 例如，黄铜或青铜对象的感测范围可能是铁对象的一半。

磁传感器
磁接近传感器可由磁场控制的金属读取开关。当一个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，开关关闭，产生一个信号。磁性接近传感器简单而坚固。它们对电磁干扰免疫，不受湿气和污染的影响。缺点是，它们需要在感兴趣的物体上安装磁性装置。

致谢
有用的对话，谢谢去麦克尔哈姆伊，产品经理，欧伦自动化美洲的传感器