4.2 傳感器

在工業控制系統中，傳感器應用非常廣泛，如檢測物體的位置、顏色的判別、材質的判別、姿態判別、液位判別、溫度檢測、壓力檢測等等，會用到如電感、電容、壓力、光電、光纖等各式各樣的傳感器，因傳感器種類繁多，本節只講在后續實訓中所用到的一些傳感器。

4.2.1 接近開關

1.接近開關工作原理

接近開關是代替限位開關等接觸式檢測方式，以無須接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。將檢測對象的移動信息和存在信息轉換為電氣信號。常見的接近開關主要有電感式、電容式、干簧管等。常見接近開關實物如圖4-8所示。

2.接近開關工作特點

1）由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷檢測對象。

2）由于采用無觸點輸出方式，對觸點的壽命無影響；

3）與光電檢測方式不同，適合在水和油等環境下使用檢測時幾乎不受檢測對象的污漬和油、水等的影響；

4）與接觸式開關相比，可實現高速響應；

5）與接觸式不同，會受周圍溫度、周圍物體和同類傳感器的影響，包括感應型、靜電容量型在內，傳感器之間相互影響。因此，對于傳感器的設置，需要考慮相互干擾。此外，在感應型中，需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型中則需考慮周圍物體的影響。

圖4-8 接近開關實物圖

圖4-9 接近開關相關術語

3.接近開關相關術語

接近開關相關術語如圖4-9所示。

（1）檢測距離

當有物體移向傳感器時，并接近到一定距離時，傳感器才有“感知”，開關才會動作。通常把這個距離叫“檢測距離”。不同的接近傳感器檢測距離也不同。

（2）設定距離

傳感器在實際應用中的整定距離，一般為額定動作距離的0.8倍。

（3）響應頻率

有時被檢測驗物體是按一定的時間間隔，一個接一個地移向接近開關，又一個一個地離開，這樣不斷地重復。接近開關響應頻率是在規定時間內，傳感器允許動作循環的最大次數。

（4）輸出狀態

輸出狀態分為常開和常閉兩種。當無檢測物體時，常開型傳感器所連接的負載，由于傳感器內部的輸出晶體管截止而不工作；當檢測到有物體時，常開型傳感器內部的輸出晶體管導通，負載得電而工作。常閉型則相反。

（5）輸出形式

分NPN二線，NPN三線、NPN四線、PNP二線，PNP三線、PNP四線、DC二線、AC五線（自帶繼電器）等幾種形式。

4.接近開關使用注意事項

1）當檢測物體為非鐵質的金屬時，檢測距離要減少，另外很薄的鍍膜層也是檢測不到的。

2）接近開關的接通時間為50ms，用戶在產品設計過程中，當負載和接近開關采用不同的電源時，務必先接通接近開關的電源。

3）當使用感性負載時（如燈、電動機），其瞬態沖擊電流較大，可能劣化或損壞交流二線接近開關，這種情況下，則要經過交流繼電器作為負載轉換使用。

4）為保證接近開關長期穩定工作，請務必進行定期維護，包括檢測物體和接近開關的安裝位置是否有移動和松動，接線的連接部位是否接觸不良，是否有金屬粉塵粘附。

5.安裝要求

接近開關在安裝時保證合適的距離，符合表4-1所規定的要求。接近傳感器安裝示意圖如圖4-10所示。

表4-1 接近開關安裝距離要求

注：S_n為額定安裝距離。

圖4-10 接近傳感器安裝示意圖

6.分類

接近開關按工作原理分為電感式傳感器（或稱電感式接近開關）和電容式傳感器（或稱電容式接近開關）。其各自工作原理及使用事項分述如下。

（1）電感式傳感器

電感式傳感器是一種用開關量輸出位置的傳感器，它由振蕩器、開關電路和放大輸出電路三大部分組成。振蕩器產生一個交變磁場。當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，觸發驅動控制器件，從而達到非接觸式的檢測目的。由此識別有無金屬物體。其工作原理框圖如圖4-11所示。工作原理如圖4-12所示。

圖4-11 電感式傳感器工作原理框圖

圖4-12 電感傳感器原理圖

電感式傳感器所能檢測的物體必須是金屬物體。

電感式傳感器因金屬材料不同，其檢測范圍也不同。主要與材料的衰減系數有關，衰減系數越大，其檢測范圍也越大。如鋼的衰減系數為1、不銹鋼的衰減系數為0.85、銅的衰減系數為0.85。

（2）電容式傳感器

電容式接近開關的測量頭通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是被測物體的本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制電容式接近開關的接通和關斷。

這種接近開關檢測的對象，不限于導體，可以是絕緣的液體或粉狀物等。

不同的物質的介電常數不同，因而檢測的距離也不相同，在檢測較低介電常數的物體時，可以順時針調節電位器來增加靈敏度，一般調節電位器使電容式傳感器在0.7～0.8倍標準檢測距離的位置動作。

4.2.2 光電傳感器

1.概述

光電傳感器一些實物如圖4-13所示。

圖4-13 光電傳感器實物圖

圖4-14 光電傳感器工作原理

光電傳感器是通過把光強度信號變化轉換成電信號的變化來實現控制的。它一般由發送器、接收器和檢測電路三部分構成。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體（發光二極管）光源，光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器由光敏二極管或光敏晶體管組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等，在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號并應用該信號。光電傳感器工作原理如圖4-14所示。

光電式傳感器大多使用可視光（主要為紅色，也用綠色、藍色來判斷顏色）和紅外光。其檢測物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。

光電式傳感器廣泛應用于自動計數、安全保護、自動報警和位置控制等方面。

2.使用注意事項

1）嚴禁強光（太陽光、聚光燈）直接射入光電傳感器的方向角內，否則用要遮光板、支撐板遮擋。

2）近距離安裝兩個以上的直接反射型光電傳感器時，檢測物體表面的反射光會影響到另一方光電傳感器進而引發誤動作。

3）近距離安裝兩個以上的透過型光敏傳感器時，受一方發光器的影響，會引起相互干擾，安裝時請調換發光器和收光器的位置以使彼此不受影響。

4）完全貼面安裝光電傳感器時，一定量的反射入光會引起誤動作，安裝時請自底面起預留適當的高度。

5）輸出端如果接的是DC繼電器等感性負載，請使用二極管或變阻器以消除浪涌。

3.各種工作方式傳感器

（1）反射式光電傳感器

反射式光電傳感器，從結構上來看，發射端和接收端是安裝在一起的。按其結構分為漫射式光電傳感器和鏡反射式光電傳感器。

1）漫反射型光電傳感器：漫反射型光電傳感器的檢測頭里裝有一個發射器和一個接收器，正常情況下發射器發出的光接收器是收不到的；當被檢測物靠近時擋住了光，并把光部分反射回來，接收器就收到光信號，從而輸出一個開關控制信號。漫反射式光電開關發出的光線需要經檢測物表面才能反射回來，所以距離和被檢測物體的表面反射率將決定接收器接收到光線的強度。粗糙的表面反射回的光線強度必將小于光滑表面反射回的強度，而且被檢測物體的表面必須垂直于光電開關的發射光線。漫反射型光電開關工作示意如圖4-15所示。

對于漫反射型光電傳感器的檢測范圍一般可800mm左右，除了純透明有介質和黑色吸光的介質外，一般都可檢測到。但其檢測穩定性還與表面光潔度和平整度有關。在使用中要注意，其調整較容易。

常用材料的反射率見表4-2。

圖4-15 漫反射型光電開關工作示意圖

表4-2 常用材料的反射率

2）鏡反射型光電傳感器：鏡反射型光電傳感器同樣是把發光器和接收器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關。正常情況下，發光器發出的光被反光板反射回來被接收器收到；一旦光路被檢測物擋住，接收器收不到光信號時，光敏開關就動作，輸出一個開關控制信號。工作原理示意圖如圖4-16所示。

鏡反射型光電傳感器利用角矩陣反射面作為反射面，反射率遠遠大于一般物體反射的特點，同軸反射型抗外界干擾性能較好，反射距離遠，因此具有廣泛的實用意義。

鏡反射型光電傳感器，檢測范圍一般可1.5m左右，除了純透明介質外，一般都可檢測到。

圖4-16 鏡反射型光電傳感器工作原理示意圖

圖4-17 對射型光電傳感器工作原理示意圖

（2）對射型光電傳感器

對射式光電傳感器在結構上相互分離，即把發光器和接收器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發光器和一個接收器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和接收器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，接收器就動作輸出一個開關控制信號。對射型光敏傳感器工作原理示意圖如圖4-17所示。

對射式光電傳感器最小可檢測寬度為光電傳感器透鏡直徑的80％。檢測范圍一般可10m左右，除了純透明介質外，一般都可檢測到。

（3）槽形光電傳感器

槽形光電傳感器實物如圖4-18所示，它是把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。槽形光電傳感器工作原理示意圖如圖4-19所示。

圖4-18 槽形光電開關實物

圖4-19 槽形光電傳感器工作原理示意圖

槽形光電傳感器適用于檢測高速變化的物體，分辨透明與半透明物體。

4.2.3 光纖傳感器

光纖傳感器是利用光導纖維的傳光特性，把被測量轉換為光特性（強度、相位、偏振態、頻率、波長）改變的傳感器。實現被檢測物體不在相近區域的檢測。光纖傳感器分為傳感型和傳光型兩大類。實物如圖4-20所示。

傳感型是以光纖本身作為敏感元件，使光纖兼有感受和傳遞被測信息的作用，傳感型光纖傳感器多為多模光纖。傳光型是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質，傳光型光纖傳感器多采用單模光纖。

傳光型光纖傳感器由光纖檢測頭、光纖放大器兩部分組成（見圖4-21），光纖檢測頭既是發射體又是接收體，當在前方沒有檢測物體時，接收體不能接收到反射回來的光；當前方有被測物體靠近時，發射體發射出去的光通過被測體反射回來，由接收體接收，再經放大器內部電路處理后，變成開關信號輸出。

圖4-20 光纖傳感器實物

圖4-21 傳光型光纖傳感器

光纖放大器的使用如圖4-22所示，由指示燈、靈敏度調節旋鈕、定時開關、動作狀態開關等組成。

動作顯示燈：當輸出開關接通時點亮。

入光量顯示燈：根據接收到的光亮強度而變化。

靈敏度調節旋鈕：用來調節傳感器檢測的距離。

定時開關：設為“ON”時，當檢測到物體后，經過設定延時后開關信號才輸出；設為“OFF”時延時不起作用。

動作狀態切換開關：L（LIGHT）為ON時，指接收到光產生動作，相當于常開型；D（DARK）為ON時，指沒有接收到光時產生動作，相當于常閉型。

圖4-22 光纖放大器的使用

4.2.4 磁感應傳感器

1.工作原理

磁感應傳感器實物如圖4-23所示。“磁”就是指磁鐵，開關就是干簧管。干簧管是干式舌簧管的簡稱，是一種有觸點的無源電子開關元件，具有結構簡單，體積小便于控制等優點，其外殼一般是一根密封的玻璃管，管中裝有兩個鐵質的彈性簧片電板，還灌有一種叫金屬銠的惰性氣體。

通常，玻璃管中的兩個由特殊材料制成的簧片是分開的。當有磁性物質靠近玻璃管時，在磁場磁力線的作用下，管內的兩個簧片被磁化而互相吸引接觸，簧片就會吸合在一起，使結點所接的電路連通。外磁力消失后，兩個簧片由于本身的彈性而分開，線路也就斷開了。

磁性傳感器具有體積小、慣性小、動作快等優點。

圖4-23 磁性開關實物圖

磁性傳感器剖面圖如圖4-24所示。磁性傳感器原理圖如圖4-25所示。

圖4-24 磁性傳感器剖面圖

圖4-25 磁性傳感器原理圖

2.分類與應用

磁性傳感器種類很多，一般要分為物性型和結構型兩類。物性型磁傳感器如霍爾器件、霍爾集成電路、磁敏二極管和晶體管、半導體磁敏電阻與傳感器等。結構型磁傳感器如電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器等。

霍爾器件和霍爾集成電路是目前國內外應用比較廣泛的一種磁傳感器。霍爾傳感器適用于氣動、液壓、氣缸和活塞泵的位置測定，也可作限位開關使用。

在PLC控制系統中，磁性開關常用于各類氣缸的位置檢測。磁性開關分別裝在氣缸筒外面的頭部和尾端各一個，而磁石一般安裝在氣缸的活塞桿尾部，當氣缸活塞桿在氣壓的推動下伸出與縮回時，分別接通相應位置的磁性開關，以此來檢測氣缸的位置信號。

4.2.5 壓力變送器

1.壓力變送器工作原理

壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、放大電路和支持結構件三部分組成。它能將測壓元件傳感器測量到的氣體、液體等物理壓力參數變化轉換成電信號（如4～20mA等），以提供指示報警儀、記載儀、調節器等二次儀表進行顯示、指示和調整。

壓力變送器用于測量液體、氣體或蒸氣的液位、密度和壓力，然后轉換為成4～20mA信號輸出。

2.壓力變送器使用注意事項

1）非腐蝕性氣體的產品作為適用流體時，請使用空氣過濾器濾除水分和油分；

2）請勿從導壓部插入針等物品。否則會使壓力元件破損，無法進行正常動作；

3）避免與高壓線、動力線并列設置；

4）安裝時，避免使超聲波振動直接碰到傳感器。

4.2.6 傳感器接線

1.傳感器輸出接線

傳感器輸出接線通常有以下幾種形式，如圖4-26所示。

2.傳感器與PLC的接線

首先，我們來看一下傳感器的內部電路接線如圖4-27所示，這也是傳感器說明書上所提供的。當傳感器檢測到有效信號時，內部的晶體管飽和導通，負載得電工作；當傳感器沒有檢測到有效信號時，晶體管截止，負載因沒有足夠的電流驅動而不工作。

圖4-26 傳感器輸出接線形式

圖4-27 傳感器的內部電路接線圖

從圖4-27中我們可以看到，在傳感器的內部有一個晶體管，由于發射極的箭頭向外，所以這個晶體管是NPN的，這也就是說這個傳感器是NPN型輸出的。另外我們從圖中可以看到傳感器有三個引出端子，顏色分別為棕、黑、藍，這實際上就是傳感器的三條引出線（也稱為三線制傳感器）。在棕線與黑線之間畫了一個叫“負載”的器件，這是什么意思呢？

這實際上是告訴我們如何接線，在傳感器用作PLC的輸入時我們需要先弄清一個概念：就是傳感器的輸出是接PLC輸入的。PLC的輸入內部電路簡單地說，實際上就是一個發光二極管！所以現在對于傳感器來說，畫的這個負載在用作PLC輸入時就是指PLC輸入電路中的那個發光二極管，它就是傳感器內部輸出晶體管所要控制的對象。另外傳感器本身的器件的工作也需要提供一個DC 24V的電源。

PLC輸入與NPN傳感器之間的連接如圖4-28所示。

圖4-28 PLC輸入與NPN傳感器之間的連接1

結合上面的分析，我們把傳感器與PLC連接在一起就很容易看懂了！同樣，電流從直流24V的正極出發，經PLC內部限流電阻與光耦后由X0流出，再經傳感器的信號輸出端（黑色線）流入到傳感器內部的NPN型晶體管的集電極，再從晶體管的發射極流回到電源的負極。在連線的時候一定要保證NPN型晶體管的集電極電位高于發射極電位，晶體管才可能正常工作，如果是PNP型的傳感器則相反。圖4-28中是利用傳感器本身工作的電源，當在所接傳感器不是太多的情況下可由PLC內部的直流24V電源提供。如果太多則需要另外配置電源來向傳感器供電，如圖4-29所示。

圖4-29 PLC輸入與NPN傳感器之間的連接2