传感器在应用中越来越到位
正如人们所说的，“无论你到哪里，它都与你同在。”因为大多数的应用仍然都要求这所表达的更高精度和更好可重复性，所以这里介绍关于如何选择和安装位置传感器的建议。
什么样的传感器才是对特定应用合适的传感器呢？这取决于对精度、可重复性、速度、预算、连接性、环境和位置的要求，以及其他一些因素。你说的没错，选用正确的测量方法是任何成功应用中闭合回路的第一步。
可检测位置的传感器技术几乎与为机器控制和其他用途提供反馈的应用一样多种多样。空间可能是直线的、平面的、旋转的和三维的。在一些应用中，它们结合使用。传感元件同样也是多种多样。
DMC公司（总部位于芝加哥的系统集成商）的技术总监Ken Brey勾画了选择位置传感器的几点选择。
对数字式位置回馈：
■ 增量型编码器 所有的运动控制器都支持；有旋转和直线类型以及多种解决方案；被多种其他设备仿真；当断电时，要求具有回复原位过程，以实现为机器提供物理标记参考。
■ 绝对编码器 天生就只有很少的运动控制器支持；可以用于具有足够多可用数字输入的控制器；在它们的范围内（通常是一个旋转）可以报告完整的位置；不要求回复原位。
■ 解算器 在焊接应用中对高等级噪声有很高的免疫力；在一些较大的电机中成为使用标准；当配合恰当的伺服放大器使用时可模拟增量型编码器；和一些伺服放大器共同使用可以模拟绝对编码器。
■ 双编码器反馈 通常未被充分利用，天生地可被大部分的运动控制器支持；一个编码器安放在电机上，另一个直接安放在负载上；当电机和负载间的机械连接是柔性的或者是能滑动的时候，是非常有益处的。
■ 视觉系统 广泛地用于检测，也可用于位置反馈。这样的系统可在多维空间定位目标，典型的是X、Y和旋转；通常用于查找传送带上的元件，目前正在提高速度和简单易用性。
一个金属轧制、冲压和切割应用提供了双编码反馈使用实例。“它要求通过轧机为冲压过程快速和精确地标定材料指数。轧机产生数量不一致的材料伸展和辊子滑移” Brey解释说。
“通过在双回路配置中，在输出的材料上使用编码器作为位置反馈和电机解算器作为速度反馈，系统被调节得稳定，且单一标定移动提供精确的标定长度。这比先移动、后测量误差，再不得不进行第二次校正移动要快得多，且更精确。”他说。
有创造性，经济节约
Innoventor公司(密苏里州圣路易斯市的系统集成商) 的总工程师 Sam Hammond建议说：应用目的决定位置传感器的选择；测量与反馈不应该很复杂。“创造性的实施可提供简单、经济的解决方案，”他说。例如，对排序问题，接近开关在许多场合可发挥很好的作用。
近来传感器的应用包括在前面图片中提到的AGV（自动引导车）以及下面一些。
■ 在一个用于密封茶叶容器顶盖的机器中，接近开关和对射式传感器定位靠近的包装。NI公司的视觉系统获得图像并被处理，来发现提前印在标签上的条形码的位置，然后给出恰当的电机指令以实现理想的位置（旋转）放置来应用125种标签类型中的一种。其中用到了两种类型的位置传感器。一种是简单的感应式接近开关，用于监测机器状态以确保即将发生运动的各种运动元件处于正确的位置。照相机也作为位置传感器使用，选择它是因为它的多目的用途、特征定位和读条码能力。
■ 连续冲模（progressive-die）冲床闭环运行。线性输出接近开关为优化冲模运行提供控制反馈；伺服电机在弯曲阶段调整冲模位置。选用线性接近开关从金属冲压运行状态给出尺寸读数；数据用于闭环控制系统。
■ 元件检查使用激光距离测量设备来确定表面光滑度。传感器测量返回光束的偏移，由10微米的尺寸即可指示出不同的表面。编码器在距离大于1米的时候不能工作。选择激光测量技术是因为它具有非常高的空间分辨率，不要求表面接触，以及具有相当高的距离分辨率。
汽车钥匙和门锁集成系统使用接近开关监测在就位位置的顶盖。与自动机械装置一起应用的激光外形传感器测量钥匙外形。
使用什么？在哪里使用？
传感器供应商认为发挥各种位置传感技术的内在优势能有利于各种应用。
MTS 公司传感器部的产品市场经理David Edeal说：“对苛刻的工厂自动化环境来说，在顾客眼中最重要的因素，是产品的耐用性和可靠性，这甚至超过速度和精度。因此，具有内在非接触式传感技术（电磁感应、磁致伸缩、激光等）的产品比那些依靠物理接触的技术（电阻式、电缆扩展等）具有非常巨大的优势。”
其他重要的因素是产品使用范围和应用灵活性。Edeal说：“换句话说，能够适应行程范围、环境条件的重大变化和能够提供大范围接口选择的技术对更喜欢避免使用多种传感器类型的客户具有重大价值。关于这些要求，所有技术天生都有缺陷，这就是为什么会有这么多种选择。”
Edeal暗示使某些技术适合特定应用的高额成本带来了一种限制，例如对线性可变差动变压器（LVDT）的限制。“行程长度超过12英尺的线性可变差动变压器非常少见，因为较大的产品外壳（约是行程长度的两倍）和很高的原料和制造成本。另一方面，磁致伸缩传感技术总是要求调节电子设备。随着微电子学的出现和专用集成电路的应用，今天我们已经前进到了这样一点，在相同的紧凑封装中有多种可编程输出类型（如模拟、编码器和现场总线）可用。传感器供应商的关键是推动封装的发展，以扩展使用范围（优点），同时最小化他们技术上的局限（缺点）。”
听听你的应用
不同的传感器类型对不同的用途提供特有的优点， Pepperl+Fuchs 公司的产品经理Tom Corbett同意这一点。“有时应用本身是需要哪一种传感模式的决定因素。例如，在感应区域内的机器表面或传送带将意味着使用标准扩散模式传感器与使用带背景抑制的扩散模式传感器会有不同。虽然标准扩散模式不能够忽略这样的背景目标，但是背景抑制模型能稍有不同地评估区别目标表面和背景表面。”
Corbett继续说，“相似的，在反射应用中，一个发亮的对象会要求使用偏振反射式的传感器。尽管标准反射式传感器在对准一个闪亮目标时会误触发，但偏振反射式采用偏振滤光片来区分发光物体和反射体。”
MTS公司的 Edeal说：“每一种技术都有理想的应用，此时它容易放大它的优点并最小化它的缺点。例如，在木材制品行业中高精度，可变行程范围，抵抗高冲击与振动、电磁干扰和温度起伏的能力是非常重要的；磁致伸缩位置传感器是线性反馈的首选。同样，旋转光编码器是电机反馈的理想适用品，因为他们具有的封装、响应速度、精度、耐用性和对噪声的抵抗力。如果应用正确，线性位置传感器能帮助设计者在很长一段时间内确保最佳的机器生产率。”
先从大范围考虑，再缩小考虑范围，这常常是为系统设计传感器的最佳方法。Edeal说：“传感器的规范应该从机器/系统级的要求开始制订，然后向后朝子系统级细化，最终到达元件级。这是典型的做法，但是经常发生的是一些系统级的规范没有恰当地或完整地向后细化翻译为元件要求（这并非是一件微不足道的工作）。例如，在没有深入分析或不具备以往经验的情况下，机器如何运行会产生独特的或额外的环境挑战（温度、振动等）可能是不清楚的。这会导致在最坏的情况下过低的指定了传感器，或者另外一种情况是应用于保守估计的情况下，过高地指定了产品。”
开环还是闭环
在设计的初期，那些涉及需要决定结构体系的因素是开环还是闭环。AutomationDirect 公司的产品经理Paul Ruland说：“成本和性能通常是用于决定在电机定位系统中采用开环控制还是闭环控制的两个主要标准。开环控制，如步进系统，当恰当地制定它的步长大小的时候，常常能极其可靠和精确。这里没有运行前调节闭环系统的负担，这天生地使其易于应用。两种类型通常都可由相同的运动控制器控制。一个带微步进驱动器的NEMA 23步进电机目前仅需188美元就可购得，比较之下，相同功能的伺服系统约要700美元。”
Edeal说：“创造控制系统是为了使生产过程自动化，目前就有很多高性能控制系统的优秀实例，这些控制系统即便有反馈也要求极少。但是在结构体系（设备）或输入（需求或扰动）发生了变化的地方，反馈则是必需的，以应付不曾预料的变化。在处理侧，精度（既有静态又有动态）对最终产品的质量非常重要，且系统的稳定性与可重复性（耐用性）对机器的生产率也非常重要。”
“例如，”Edeal说，“在切削或喷射造型应用中，工具、模子或活塞的位置反馈对所制造零件的最终尺寸非常关键。除了极少的例外，零件尺寸的精度永远不会超过位置传感器的精度。同样的，传感器的带宽（响应速度）与执行器的响应限制一起可能会限制生产效率。”
“最后，在高冲击与振动和温度动态变化很常见的环境类型中，一个只是在很窄的运行条件范围内精确的传感器是不够用的。”
最新进展
应用于制造和加工过程的最新位置传感器技术是什么？为什么？
Ruland说：“即使在最简单的设备中也可以发现某些用于制造应用的定位技术的最新发展，例如新的低成本接近开关。这些接近开关设备中的许多产品目前可以低至20美元的价格购得，且波形系数更小、直径低至3mm。一些专业型的接近开关设备目前也可购得，其提升后的响应频率高达20kHz。在安装困难和编码器成本有时不切实际的地方，接近开关提供一种非常有吸引力的选择；许多位置控制应用能从提高性能、减小的封装尺寸和降低的购进价格与安装成本中受益。”
Corbett 表示同意。“光电传感器正越变越小，越来越耐用和灵活，并且比以前封装了更多的标准特性。一些新的光电传感器的体积大约只是传统圆柱型壳体的一半，并且与标准粘合壳体相比，具有焊接壳体的特点。这些特征在制造和加工应用中是非常理想的，因为它们应用的空间条件非常苛刻和耐久力要求极高的地方，并且更灵活的连接和安装选项（同一产品既可侧面安装又可管嘴安装）允许用户为它们的机器采用标准传感器，而不是反过来。”
另一种简单的革新，Corbett说，是利用高可见度、360度的LED从任何视角清晰地显示状态信息。“除了电源和输出，这样改进的LED还能指示过载和超越边界增益。这样的传感器作为标准配置提供可调的敏感度，但是还具有可选的防破坏外壳以阻止未授权的调整。”
什么样的传感器才是对特定应用合适的传感器呢？这取决于对精度、可重复性、速度、预算、连接性、环境和位置的要求，以及其他一些因素。你说的没错，选用正确的测量方法是任何成功应用中闭合回路的第一步。
可检测位置的传感器技术几乎与为机器控制和其他用途提供反馈的应用一样多种多样。空间可能是直线的、平面的、旋转的和三维的。在一些应用中，它们结合使用。传感元件同样也是多种多样。
DMC公司（总部位于芝加哥的系统集成商）的技术总监Ken Brey勾画了选择位置传感器的几点选择。
对数字式位置回馈：
■ 增量型编码器 所有的运动控制器都支持；有旋转和直线类型以及多种解决方案；被多种其他设备仿真；当断电时，要求具有回复原位过程，以实现为机器提供物理标记参考。
■ 绝对编码器 天生就只有很少的运动控制器支持；可以用于具有足够多可用数字输入的控制器；在它们的范围内（通常是一个旋转）可以报告完整的位置；不要求回复原位。
■ 解算器 在焊接应用中对高等级噪声有很高的免疫力；在一些较大的电机中成为使用标准；当配合恰当的伺服放大器使用时可模拟增量型编码器；和一些伺服放大器共同使用可以模拟绝对编码器。
■ 双编码器反馈 通常未被充分利用，天生地可被大部分的运动控制器支持；一个编码器安放在电机上，另一个直接安放在负载上；当电机和负载间的机械连接是柔性的或者是能滑动的时候，是非常有益处的。
■ 视觉系统 广泛地用于检测，也可用于位置反馈。这样的系统可在多维空间定位目标，典型的是X、Y和旋转；通常用于查找传送带上的元件，目前正在提高速度和简单易用性。
一个金属轧制、冲压和切割应用提供了双编码反馈使用实例。“它要求通过轧机为冲压过程快速和精确地标定材料指数。轧机产生数量不一致的材料伸展和辊子滑移” Brey解释说。
“通过在双回路配置中，在输出的材料上使用编码器作为位置反馈和电机解算器作为速度反馈，系统被调节得稳定，且单一标定移动提供精确的标定长度。这比先移动、后测量误差，再不得不进行第二次校正移动要快得多，且更精确。”他说。
有创造性，经济节约
Innoventor公司(密苏里州圣路易斯市的系统集成商) 的总工程师 Sam Hammond建议说：应用目的决定位置传感器的选择；测量与反馈不应该很复杂。“创造性的实施可提供简单、经济的解决方案，”他说。例如，对排序问题，接近开关在许多场合可发挥很好的作用。
近来传感器的应用包括在前面图片中提到的AGV（自动引导车）以及下面一些。
■ 在一个用于密封茶叶容器顶盖的机器中，接近开关和对射式传感器定位靠近的包装。NI公司的视觉系统获得图像并被处理，来发现提前印在标签上的条形码的位置，然后给出恰当的电机指令以实现理想的位置（旋转）放置来应用125种标签类型中的一种。其中用到了两种类型的位置传感器。一种是简单的感应式接近开关，用于监测机器状态以确保即将发生运动的各种运动元件处于正确的位置。照相机也作为位置传感器使用，选择它是因为它的多目的用途、特征定位和读条码能力。
■ 连续冲模（progressive-die）冲床闭环运行。线性输出接近开关为优化冲模运行提供控制反馈；伺服电机在弯曲阶段调整冲模位置。选用线性接近开关从金属冲压运行状态给出尺寸读数；数据用于闭环控制系统。
■ 元件检查使用激光距离测量设备来确定表面光滑度。传感器测量返回光束的偏移，由10微米的尺寸即可指示出不同的表面。编码器在距离大于1米的时候不能工作。选择激光测量技术是因为它具有非常高的空间分辨率，不要求表面接触，以及具有相当高的距离分辨率。
汽车钥匙和门锁集成系统使用接近开关监测在就位位置的顶盖。与自动机械装置一起应用的激光外形传感器测量钥匙外形。
使用什么？在哪里使用？
传感器供应商认为发挥各种位置传感技术的内在优势能有利于各种应用。
MTS 公司传感器部的产品市场经理David Edeal说：“对苛刻的工厂自动化环境来说，在顾客眼中最重要的因素，是产品的耐用性和可靠性，这甚至超过速度和精度。因此，具有内在非接触式传感技术（电磁感应、磁致伸缩、激光等）的产品比那些依靠物理接触的技术（电阻式、电缆扩展等）具有非常巨大的优势。”
其他重要的因素是产品使用范围和应用灵活性。Edeal说：“换句话说，能够适应行程范围、环境条件的重大变化和能够提供大范围接口选择的技术对更喜欢避免使用多种传感器类型的客户具有重大价值。关于这些要求，所有技术天生都有缺陷，这就是为什么会有这么多种选择。”
Edeal暗示使某些技术适合特定应用的高额成本带来了一种限制，例如对线性可变差动变压器（LVDT）的限制。“行程长度超过12英尺的线性可变差动变压器非常少见，因为较大的产品外壳（约是行程长度的两倍）和很高的原料和制造成本。另一方面，磁致伸缩传感技术总是要求调节电子设备。随着微电子学的出现和专用集成电路的应用，今天我们已经前进到了这样一点，在相同的紧凑封装中有多种可编程输出类型（如模拟、编码器和现场总线）可用。传感器供应商的关键是推动封装的发展，以扩展使用范围（优点），同时最小化他们技术上的局限（缺点）。”
听听你的应用
不同的传感器类型对不同的用途提供特有的优点， Pepperl+Fuchs 公司的产品经理Tom Corbett同意这一点。“有时应用本身是需要哪一种传感模式的决定因素。例如，在感应区域内的机器表面或传送带将意味着使用标准扩散模式传感器与使用带背景抑制的扩散模式传感器会有不同。虽然标准扩散模式不能够忽略这样的背景目标，但是背景抑制模型能稍有不同地评估区别目标表面和背景表面。”
Corbett继续说，“相似的，在反射应用中，一个发亮的对象会要求使用偏振反射式的传感器。尽管标准反射式传感器在对准一个闪亮目标时会误触发，但偏振反射式采用偏振滤光片来区分发光物体和反射体。”
MTS公司的 Edeal说：“每一种技术都有理想的应用，此时它容易放大它的优点并最小化它的缺点。例如，在木材制品行业中高精度，可变行程范围，抵抗高冲击与振动、电磁干扰和温度起伏的能力是非常重要的；磁致伸缩位置传感器是线性反馈的首选。同样，旋转光编码器是电机反馈的理想适用品，因为他们具有的封装、响应速度、精度、耐用性和对噪声的抵抗力。如果应用正确，线性位置传感器能帮助设计者在很长一段时间内确保最佳的机器生产率。”
先从大范围考虑，再缩小考虑范围，这常常是为系统设计传感器的最佳方法。Edeal说：“传感器的规范应该从机器/系统级的要求开始制订，然后向后朝子系统级细化，最终到达元件级。这是典型的做法，但是经常发生的是一些系统级的规范没有恰当地或完整地向后细化翻译为元件要求（这并非是一件微不足道的工作）。例如，在没有深入分析或不具备以往经验的情况下，机器如何运行会产生独特的或额外的环境挑战（温度、振动等）可能是不清楚的。这会导致在最坏的情况下过低的指定了传感器，或者另外一种情况是应用于保守估计的情况下，过高地指定了产品。”
开环还是闭环
在设计的初期，那些涉及需要决定结构体系的因素是开环还是闭环。AutomationDirect 公司的产品经理Paul Ruland说：“成本和性能通常是用于决定在电机定位系统中采用开环控制还是闭环控制的两个主要标准。开环控制，如步进系统，当恰当地制定它的步长大小的时候，常常能极其可靠和精确。这里没有运行前调节闭环系统的负担，这天生地使其易于应用。两种类型通常都可由相同的运动控制器控制。一个带微步进驱动器的NEMA 23步进电机目前仅需188美元就可购得，比较之下，相同功能的伺服系统约要700美元。”
Edeal说：“创造控制系统是为了使生产过程自动化，目前就有很多高性能控制系统的优秀实例，这些控制系统即便有反馈也要求极少。但是在结构体系（设备）或输入（需求或扰动）发生了变化的地方，反馈则是必需的，以应付不曾预料的变化。在处理侧，精度（既有静态又有动态）对最终产品的质量非常重要，且系统的稳定性与可重复性（耐用性）对机器的生产率也非常重要。”
“例如，”Edeal说，“在切削或喷射造型应用中，工具、模子或活塞的位置反馈对所制造零件的最终尺寸非常关键。除了极少的例外，零件尺寸的精度永远不会超过位置传感器的精度。同样的，传感器的带宽（响应速度）与执行器的响应限制一起可能会限制生产效率。”
“最后，在高冲击与振动和温度动态变化很常见的环境类型中，一个只是在很窄的运行条件范围内精确的传感器是不够用的。”
最新进展
应用于制造和加工过程的最新位置传感器技术是什么？为什么？
Ruland说：“即使在最简单的设备中也可以发现某些用于制造应用的定位技术的最新发展，例如新的低成本接近开关。这些接近开关设备中的许多产品目前可以低至20美元的价格购得，且波形系数更小、直径低至3mm。一些专业型的接近开关设备目前也可购得，其提升后的响应频率高达20kHz。在安装困难和编码器成本有时不切实际的地方，接近开关提供一种非常有吸引力的选择；许多位置控制应用能从提高性能、减小的封装尺寸和降低的购进价格与安装成本中受益。”
Corbett 表示同意。“光电传感器正越变越小，越来越耐用和灵活，并且比以前封装了更多的标准特性。一些新的光电传感器的体积大约只是传统圆柱型壳体的一半，并且与标准粘合壳体相比，具有焊接壳体的特点。这些特征在制造和加工应用中是非常理想的，因为它们应用的空间条件非常苛刻和耐久力要求极高的地方，并且更灵活的连接和安装选项（同一产品既可侧面安装又可管嘴安装）允许用户为它们的机器采用标准传感器，而不是反过来。”
另一种简单的革新，Corbett说，是利用高可见度、360度的LED从任何视角清晰地显示状态信息。“除了电源和输出，这样改进的LED还能指示过载和超越边界增益。这样的传感器作为标准配置提供可调的敏感度，但是还具有可选的防破坏外壳以阻止未授权的调整。”
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