傳感器在應用中越來越到位
正如人們所說的，“無論你到哪里，它都與你同在。”因為大多數的應用仍然都要求這所表達的更高精度和更好可重復性，所以這里介紹關于如何選擇和安裝位置傳感器的建議。
什么樣的傳感器才是對特定應用合適的傳感器呢？這取決于對精度、可重復性、速度、預算、連接性、環境和位置的要求，以及其他一些因素。你說的沒錯，選用正確的測量方法是任何成功應用中閉合回路的第一步。
可檢測位置的傳感器技術幾乎與為機器控制和其他用途提供反饋的應用一樣多種多樣。空間可能是直線的、平面的、旋轉的和三維的。在一些應用中，它們結合使用。傳感元件同樣也是多種多樣。
DMC公司（總部位于芝加哥的系統集成商）的技術總監Ken Brey勾畫了選擇位置傳感器的幾點選擇。
對數字式位置回饋：
■ 增量型編碼器 所有的運動控制器都支持；有旋轉和直線類型以及多種解決方案；被多種其他設備仿真；當斷電時，要求具有回復原位過程，以實現為機器提供物理標記參考。
■ 絕對編碼器 天生就只有很少的運動控制器支持；可以用于具有足夠多可用數字輸入的控制器；在它們的范圍內（通常是一個旋轉）可以報告完整的位置；不要求回復原位。
■ 解算器 在焊接應用中對高等級噪聲有很高的免疫力；在一些較大的電機中成為使用標準；當配合恰當的伺服放大器使用時可模擬增量型編碼器；和一些伺服放大器共同使用可以模擬絕對編碼器。
■ 雙編碼器反饋 通常未被充分利用，天生地可被大部分的運動控制器支持；一個編碼器安放在電機上，另一個直接安放在負載上；當電機和負載間的機械連接是柔性的或者是能滑動的時候，是非常有益處的。
■ 視覺系統 廣泛地用于檢測，也可用于位置反饋。這樣的系統可在多維空間定位目標，典型的是X、Y和旋轉；通常用于查找傳送帶上的元件，目前正在提高速度和簡單易用性。
一個金屬軋制、沖壓和切割應用提供了雙編碼反饋使用實例。“它要求通過軋機為沖壓過程快速和精確地標定材料指數。軋機產生數量不一致的材料伸展和輥子滑移” Brey解釋說。
“通過在雙回路配置中，在輸出的材料上使用編碼器作為位置反饋和電機解算器作為速度反饋，系統被調節得穩定，且單一標定移動提供精確的標定長度。這比先移動、后測量誤差，再不得不進行第二次校正移動要快得多，且更精確。”他說。
有創造性，經濟節約
Innoventor公司(密蘇里州圣路易斯市的系統集成商) 的總工程師 Sam Hammond建議說：應用目的決定位置傳感器的選擇；測量與反饋不應該很復雜。“創造性的實施可提供簡單、經濟的解決方案，”他說。例如，對排序問題，接近開關在許多場合可發揮很好的作用。
近來傳感器的應用包括在前面圖片中提到的AGV（自動引導車）以及下面一些。
■ 在一個用于密封茶葉容器頂蓋的機器中，接近開關和對射式傳感器定位靠近的包裝。NI公司的視覺系統獲得圖像并被處理，來發現提前印在標簽上的條形碼的位置，然后給出恰當的電機指令以實現理想的位置（旋轉）放置來應用125種標簽類型中的一種。其中用到了兩種類型的位置傳感器。一種是簡單的感應式接近開關，用于監測機器狀態以確保即將發生運動的各種運動元件處于正確的位置。照相機也作為位置傳感器使用，選擇它是因為它的多目的用途、特征定位和讀條碼能力。
■ 連續沖模（progressive-die）沖床閉環運行。線性輸出接近開關為優化沖模運行提供控制反饋；伺服電機在彎曲階段調整沖模位置。選用線性接近開關從金屬沖壓運行狀態給出尺寸讀數；數據用于閉環控制系統。
■ 元件檢查使用激光距離測量設備來確定表面光滑度。傳感器測量返回光束的偏移，由10微米的尺寸即可指示出不同的表面。編碼器在距離大于1米的時候不能工作。選擇激光測量技術是因為它具有非常高的空間分辨率，不要求表面接觸，以及具有相當高的距離分辨率。
汽車鑰匙和門鎖集成系統使用接近開關監測在就位位置的頂蓋。與自動機械裝置一起應用的激光外形傳感器測量鑰匙外形。
使用什么？在哪里使用？
傳感器供應商認為發揮各種位置傳感技術的內在優勢能有利于各種應用。
MTS 公司傳感器部的產品市場經理David Edeal說：“對苛刻的工廠自動化環境來說，在顧客眼中最重要的因素，是產品的耐用性和可靠性，這甚至超過速度和精度。因此，具有內在非接觸式傳感技術（電磁感應、磁致伸縮、激光等）的產品比那些依靠物理接觸的技術（電阻式、電纜擴展等）具有非常巨大的優勢。”
其他重要的因素是產品使用范圍和應用靈活性。Edeal說：“換句話說，能夠適應行程范圍、環境條件的重大變化和能夠提供大范圍接口選擇的技術對更喜歡避免使用多種傳感器類型的客戶具有重大價值。關于這些要求，所有技術天生都有缺陷，這就是為什么會有這么多種選擇。”
Edeal暗示使某些技術適合特定應用的高額成本帶來了一種限制，例如對線性可變差動變壓器（LVDT）的限制。“行程長度超過12英尺的線性可變差動變壓器非常少見，因為較大的產品外殼（約是行程長度的兩倍）和很高的原料和制造成本。另一方面，磁致伸縮傳感技術總是要求調節電子設備。隨著微電子學的出現和專用集成電路的應用，今天我們已經前進到了這樣一點，在相同的緊湊封裝中有多種可編程輸出類型（如模擬、編碼器和現場總線）可用。傳感器供應商的關鍵是推動封裝的發展，以擴展使用范圍（優點），同時最小化他們技術上的局限（缺點）。”
聽聽你的應用
不同的傳感器類型對不同的用途提供特有的優點， Pepperl+Fuchs 公司的產品經理Tom Corbett同意這一點。“有時應用本身是需要哪一種傳感模式的決定因素。例如，在感應區域內的機器表面或傳送帶將意味著使用標準擴散模式傳感器與使用帶背景抑制的擴散模式傳感器會有不同。雖然標準擴散模式不能夠忽略這樣的背景目標，但是背景抑制模型能稍有不同地評估區別目標表面和背景表面。”
Corbett繼續說，“相似的，在反射應用中，一個發亮的對象會要求使用偏振反射式的傳感器。盡管標準反射式傳感器在對準一個閃亮目標時會誤觸發，但偏振反射式采用偏振濾光片來區分發光物體和反射體。”
MTS公司的 Edeal說：“每一種技術都有理想的應用，此時它容易放大它的優點并最小化它的缺點。例如，在木材制品行業中高精度，可變行程范圍，抵抗高沖擊與振動、電磁干擾和溫度起伏的能力是非常重要的；磁致伸縮位置傳感器是線性反饋的首選。同樣，旋轉光編碼器是電機反饋的理想適用品，因為他們具有的封裝、響應速度、精度、耐用性和對噪聲的抵抗力。如果應用正確，線性位置傳感器能幫助設計者在很長一段時間內確保最佳的機器生產率。”
先從大范圍考慮，再縮小考慮范圍，這常常是為系統設計傳感器的最佳方法。Edeal說：“傳感器的規范應該從機器/系統級的要求開始制訂，然后向后朝子系統級細化，最終到達元件級。這是典型的做法，但是經常發生的是一些系統級的規范沒有恰當地或完整地向后細化翻譯為元件要求（這并非是一件微不足道的工作）。例如，在沒有深入分析或不具備以往經驗的情況下，機器如何運行會產生獨特的或額外的環境挑戰（溫度、振動等）可能是不清楚的。這會導致在最壞的情況下過低的指定了傳感器，或者另外一種情況是應用于保守估計的情況下，過高地指定了產品。”
開環還是閉環
在設計的初期，那些涉及需要決定結構體系的因素是開環還是閉環。AutomationDirect 公司的產品經理Paul Ruland說：“成本和性能通常是用于決定在電機定位系統中采用開環控制還是閉環控制的兩個主要標準。開環控制，如步進系統，當恰當地制定它的步長大小的時候，常常能極其可靠和精確。這里沒有運行前調節閉環系統的負擔，這天生地使其易于應用。兩種類型通常都可由相同的運動控制器控制。一個帶微步進驅動器的NEMA 23步進電機目前僅需188美元就可購得，比較之下，相同功能的伺服系統約要700美元。”
Edeal說：“創造控制系統是為了使生產過程自動化，目前就有很多高性能控制系統的優秀實例，這些控制系統即便有反饋也要求極少。但是在結構體系（設備）或輸入（需求或擾動）發生了變化的地方，反饋則是必需的，以應付不曾預料的變化。在處理側，精度（既有靜態又有動態）對最終產品的質量非常重要，且系統的穩定性與可重復性（耐用性）對機器的生產率也非常重要。”
“例如，”Edeal說，“在切削或噴射造型應用中，工具、模子或活塞的位置反饋對所制造零件的最終尺寸非常關鍵。除了極少的例外，零件尺寸的精度永遠不會超過位置傳感器的精度。同樣的，傳感器的帶寬（響應速度）與執行器的響應限制一起可能會限制生產效率。”
“最后，在高沖擊與振動和溫度動態變化很常見的環境類型中，一個只是在很窄的運行條件范圍內精確的傳感器是不夠用的。”
最新進展
應用于制造和加工過程的最新位置傳感器技術是什么？為什么？
Ruland說：“即使在最簡單的設備中也可以發現某些用于制造應用的定位技術的最新發展，例如新的低成本接近開關。這些接近開關設備中的許多產品目前可以低至20美元的價格購得，且波形系數更小、直徑低至3mm。一些專業型的接近開關設備目前也可購得，其提升后的響應頻率高達20kHz。在安裝困難和編碼器成本有時不切實際的地方，接近開關提供一種非常有吸引力的選擇；許多位置控制應用能從提高性能、減小的封裝尺寸和降低的購進價格與安裝成本中受益。”
Corbett 表示同意。“光電傳感器正越變越小，越來越耐用和靈活，并且比以前封裝了更多的標準特性。一些新的光電傳感器的體積大約只是傳統圓柱型殼體的一半，并且與標準粘合殼體相比，具有焊接殼體的特點。這些特征在制造和加工應用中是非常理想的，因為它們應用的空間條件非常苛刻和耐久力要求極高的地方，并且更靈活的連接和安裝選項（同一產品既可側面安裝又可管嘴安裝）允許用戶為它們的機器采用標準傳感器，而不是反過來。”
另一種簡單的革新，Corbett說，是利用高可見度、360度的LED從任何視角清晰地顯示狀態信息。“除了電源和輸出，這樣改進的LED還能指示過載和超越邊界增益。這樣的傳感器作為標準配置提供可調的敏感度，但是還具有可選的防破壞外殼以阻止未授權的調整。”
什么樣的傳感器才是對特定應用合適的傳感器呢？這取決于對精度、可重復性、速度、預算、連接性、環境和位置的要求，以及其他一些因素。你說的沒錯，選用正確的測量方法是任何成功應用中閉合回路的第一步。
可檢測位置的傳感器技術幾乎與為機器控制和其他用途提供反饋的應用一樣多種多樣。空間可能是直線的、平面的、旋轉的和三維的。在一些應用中，它們結合使用。傳感元件同樣也是多種多樣。
DMC公司（總部位于芝加哥的系統集成商）的技術總監Ken Brey勾畫了選擇位置傳感器的幾點選擇。
對數字式位置回饋：
■ 增量型編碼器 所有的運動控制器都支持；有旋轉和直線類型以及多種解決方案；被多種其他設備仿真；當斷電時，要求具有回復原位過程，以實現為機器提供物理標記參考。
■ 絕對編碼器 天生就只有很少的運動控制器支持；可以用于具有足夠多可用數字輸入的控制器；在它們的范圍內（通常是一個旋轉）可以報告完整的位置；不要求回復原位。
■ 解算器 在焊接應用中對高等級噪聲有很高的免疫力；在一些較大的電機中成為使用標準；當配合恰當的伺服放大器使用時可模擬增量型編碼器；和一些伺服放大器共同使用可以模擬絕對編碼器。
■ 雙編碼器反饋 通常未被充分利用，天生地可被大部分的運動控制器支持；一個編碼器安放在電機上，另一個直接安放在負載上；當電機和負載間的機械連接是柔性的或者是能滑動的時候，是非常有益處的。
■ 視覺系統 廣泛地用于檢測，也可用于位置反饋。這樣的系統可在多維空間定位目標，典型的是X、Y和旋轉；通常用于查找傳送帶上的元件，目前正在提高速度和簡單易用性。
一個金屬軋制、沖壓和切割應用提供了雙編碼反饋使用實例。“它要求通過軋機為沖壓過程快速和精確地標定材料指數。軋機產生數量不一致的材料伸展和輥子滑移” Brey解釋說。
“通過在雙回路配置中，在輸出的材料上使用編碼器作為位置反饋和電機解算器作為速度反饋，系統被調節得穩定，且單一標定移動提供精確的標定長度。這比先移動、后測量誤差，再不得不進行第二次校正移動要快得多，且更精確。”他說。
有創造性，經濟節約
Innoventor公司(密蘇里州圣路易斯市的系統集成商) 的總工程師 Sam Hammond建議說：應用目的決定位置傳感器的選擇；測量與反饋不應該很復雜。“創造性的實施可提供簡單、經濟的解決方案，”他說。例如，對排序問題，接近開關在許多場合可發揮很好的作用。
近來傳感器的應用包括在前面圖片中提到的AGV（自動引導車）以及下面一些。
■ 在一個用于密封茶葉容器頂蓋的機器中，接近開關和對射式傳感器定位靠近的包裝。NI公司的視覺系統獲得圖像并被處理，來發現提前印在標簽上的條形碼的位置，然后給出恰當的電機指令以實現理想的位置（旋轉）放置來應用125種標簽類型中的一種。其中用到了兩種類型的位置傳感器。一種是簡單的感應式接近開關，用于監測機器狀態以確保即將發生運動的各種運動元件處于正確的位置。照相機也作為位置傳感器使用，選擇它是因為它的多目的用途、特征定位和讀條碼能力。
■ 連續沖模（progressive-die）沖床閉環運行。線性輸出接近開關為優化沖模運行提供控制反饋；伺服電機在彎曲階段調整沖模位置。選用線性接近開關從金屬沖壓運行狀態給出尺寸讀數；數據用于閉環控制系統。
■ 元件檢查使用激光距離測量設備來確定表面光滑度。傳感器測量返回光束的偏移，由10微米的尺寸即可指示出不同的表面。編碼器在距離大于1米的時候不能工作。選擇激光測量技術是因為它具有非常高的空間分辨率，不要求表面接觸，以及具有相當高的距離分辨率。
汽車鑰匙和門鎖集成系統使用接近開關監測在就位位置的頂蓋。與自動機械裝置一起應用的激光外形傳感器測量鑰匙外形。
使用什么？在哪里使用？
傳感器供應商認為發揮各種位置傳感技術的內在優勢能有利于各種應用。
MTS 公司傳感器部的產品市場經理David Edeal說：“對苛刻的工廠自動化環境來說，在顧客眼中最重要的因素，是產品的耐用性和可靠性，這甚至超過速度和精度。因此，具有內在非接觸式傳感技術（電磁感應、磁致伸縮、激光等）的產品比那些依靠物理接觸的技術（電阻式、電纜擴展等）具有非常巨大的優勢。”
其他重要的因素是產品使用范圍和應用靈活性。Edeal說：“換句話說，能夠適應行程范圍、環境條件的重大變化和能夠提供大范圍接口選擇的技術對更喜歡避免使用多種傳感器類型的客戶具有重大價值。關于這些要求，所有技術天生都有缺陷，這就是為什么會有這么多種選擇。”
Edeal暗示使某些技術適合特定應用的高額成本帶來了一種限制，例如對線性可變差動變壓器（LVDT）的限制。“行程長度超過12英尺的線性可變差動變壓器非常少見，因為較大的產品外殼（約是行程長度的兩倍）和很高的原料和制造成本。另一方面，磁致伸縮傳感技術總是要求調節電子設備。隨著微電子學的出現和專用集成電路的應用，今天我們已經前進到了這樣一點，在相同的緊湊封裝中有多種可編程輸出類型（如模擬、編碼器和現場總線）可用。傳感器供應商的關鍵是推動封裝的發展，以擴展使用范圍（優點），同時最小化他們技術上的局限（缺點）。”
聽聽你的應用
不同的傳感器類型對不同的用途提供特有的優點， Pepperl+Fuchs 公司的產品經理Tom Corbett同意這一點。“有時應用本身是需要哪一種傳感模式的決定因素。例如，在感應區域內的機器表面或傳送帶將意味著使用標準擴散模式傳感器與使用帶背景抑制的擴散模式傳感器會有不同。雖然標準擴散模式不能夠忽略這樣的背景目標，但是背景抑制模型能稍有不同地評估區別目標表面和背景表面。”
Corbett繼續說，“相似的，在反射應用中，一個發亮的對象會要求使用偏振反射式的傳感器。盡管標準反射式傳感器在對準一個閃亮目標時會誤觸發，但偏振反射式采用偏振濾光片來區分發光物體和反射體。”
MTS公司的 Edeal說：“每一種技術都有理想的應用，此時它容易放大它的優點并最小化它的缺點。例如，在木材制品行業中高精度，可變行程范圍，抵抗高沖擊與振動、電磁干擾和溫度起伏的能力是非常重要的；磁致伸縮位置傳感器是線性反饋的首選。同樣，旋轉光編碼器是電機反饋的理想適用品，因為他們具有的封裝、響應速度、精度、耐用性和對噪聲的抵抗力。如果應用正確，線性位置傳感器能幫助設計者在很長一段時間內確保最佳的機器生產率。”
先從大范圍考慮，再縮小考慮范圍，這常常是為系統設計傳感器的最佳方法。Edeal說：“傳感器的規范應該從機器/系統級的要求開始制訂，然后向后朝子系統級細化，最終到達元件級。這是典型的做法，但是經常發生的是一些系統級的規范沒有恰當地或完整地向后細化翻譯為元件要求（這并非是一件微不足道的工作）。例如，在沒有深入分析或不具備以往經驗的情況下，機器如何運行會產生獨特的或額外的環境挑戰（溫度、振動等）可能是不清楚的。這會導致在最壞的情況下過低的指定了傳感器，或者另外一種情況是應用于保守估計的情況下，過高地指定了產品。”
開環還是閉環
在設計的初期，那些涉及需要決定結構體系的因素是開環還是閉環。AutomationDirect 公司的產品經理Paul Ruland說：“成本和性能通常是用于決定在電機定位系統中采用開環控制還是閉環控制的兩個主要標準。開環控制，如步進系統，當恰當地制定它的步長大小的時候，常常能極其可靠和精確。這里沒有運行前調節閉環系統的負擔，這天生地使其易于應用。兩種類型通常都可由相同的運動控制器控制。一個帶微步進驅動器的NEMA 23步進電機目前僅需188美元就可購得，比較之下，相同功能的伺服系統約要700美元。”
Edeal說：“創造控制系統是為了使生產過程自動化，目前就有很多高性能控制系統的優秀實例，這些控制系統即便有反饋也要求極少。但是在結構體系（設備）或輸入（需求或擾動）發生了變化的地方，反饋則是必需的，以應付不曾預料的變化。在處理側，精度（既有靜態又有動態）對最終產品的質量非常重要，且系統的穩定性與可重復性（耐用性）對機器的生產率也非常重要。”
“例如，”Edeal說，“在切削或噴射造型應用中，工具、模子或活塞的位置反饋對所制造零件的最終尺寸非常關鍵。除了極少的例外，零件尺寸的精度永遠不會超過位置傳感器的精度。同樣的，傳感器的帶寬（響應速度）與執行器的響應限制一起可能會限制生產效率。”
“最后，在高沖擊與振動和溫度動態變化很常見的環境類型中，一個只是在很窄的運行條件范圍內精確的傳感器是不夠用的。”
最新進展
應用于制造和加工過程的最新位置傳感器技術是什么？為什么？
Ruland說：“即使在最簡單的設備中也可以發現某些用于制造應用的定位技術的最新發展，例如新的低成本接近開關。這些接近開關設備中的許多產品目前可以低至20美元的價格購得，且波形系數更小、直徑低至3mm。一些專業型的接近開關設備目前也可購得，其提升后的響應頻率高達20kHz。在安裝困難和編碼器成本有時不切實際的地方，接近開關提供一種非常有吸引力的選擇；許多位置控制應用能從提高性能、減小的封裝尺寸和降低的購進價格與安裝成本中受益。”
Corbett 表示同意。“光電傳感器正越變越小，越來越耐用和靈活，并且比以前封裝了更多的標準特性。一些新的光電傳感器的體積大約只是傳統圓柱型殼體的一半，并且與標準粘合殼體相比，具有焊接殼體的特點。這些特征在制造和加工應用中是非常理想的，因為它們應用的空間條件非常苛刻和耐久力要求極高的地方，并且更靈活的連接和安裝選項（同一產品既可側面安裝又可管嘴安裝）允許用戶為它們的機器采用標準傳感器，而不是反過來。”
另一種簡單的革新，Corbett說，是利用高可見度、360度的LED從任何視角清晰地顯示狀態信息。“除了電源和輸出，這樣改進的LED還能指示過載和超越邊界增益。這樣的傳感器作為標準配置提供可調的敏感度，但是還具有可選的防破壞外殼以阻止未授權的調整。”
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