4.2 传感器
在工业控制系统中，传感器应用非常广泛，如检测物体的位置、颜色的判别、材质的判别、姿态判别、液位判别、温度检测、压力检测等等，会用到如电感、电容、压力、光电、光纤等各式各样的传感器，因传感器种类繁多，本节只讲在后续实训中所用到的一些传感器。
4.2.1 接近开关
1.接近开关工作原理
接近开关是代替限位开关等接触式检测方式，以无须接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。将检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。常见的接近开关主要有电感式、电容式、干簧管等。常见接近开关实物如图4-8所示。
2.接近开关工作特点
1）由于能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象。
2）由于采用无触点输出方式，对触点的寿命无影响；
3）与光电检测方式不同，适合在水和油等环境下使用检测时几乎不受检测对象的污渍和油、水等的影响；
4）与接触式开关相比，可实现高速响应；
5）与接触式不同，会受周围温度、周围物体和同类传感器的影响，包括感应型、静电容量型在内，传感器之间相互影响。因此，对于传感器的设置，需要考虑相互干扰。此外，在感应型中，需要考虑周围金属的影响，而在静电容量型中则需考虑周围物体的影响。
图4-8 接近开关实物图
图4-9 接近开关相关术语
3.接近开关相关术语
接近开关相关术语如图4-9所示。
（1）检测距离
当有物体移向传感器时，并接近到一定距离时，传感器才有“感知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检测距离”。不同的接近传感器检测距离也不同。
（2）设定距离
传感器在实际应用中的整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。
（3）响应频率
有时被检测验物体是按一定的时间间隔，一个接一个地移向接近开关，又一个一个地离开，这样不断地重复。接近开关响应频率是在规定时间内，传感器允许动作循环的最大次数。
（4）输出状态
输出状态分为常开和常闭两种。当无检测物体时，常开型传感器所连接的负载，由于传感器内部的输出晶体管截止而不工作；当检测到有物体时，常开型传感器内部的输出晶体管导通，负载得电而工作。常闭型则相反。
（5）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五线（自带继电器）等几种形式。
4.接近开关使用注意事项
1）当检测物体为非铁质的金属时，检测距离要减少，另外很薄的镀膜层也是检测不到的。
2）接近开关的接通时间为50ms，用户在产品设计过程中，当负载和接近开关采用不同的电源时，务必先接通接近开关的电源。
3）当使用感性负载时（如灯、电动机），其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线接近开关，这种情况下，则要经过交流继电器作为负载转换使用。
4）为保证接近开关长期稳定工作，请务必进行定期维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动和松动，接线的连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附。
5.安装要求
接近开关在安装时保证合适的距离，符合表4-1所规定的要求。接近传感器安装示意图如图4-10所示。
表4-1 接近开关安装距离要求
注：Sn为额定安装距离。
图4-10 接近传感器安装示意图
6.分类
接近开关按工作原理分为电感式传感器（或称电感式接近开关）和电容式传感器（或称电容式接近开关）。其各自工作原理及使用事项分述如下。
（1）电感式传感器
电感式传感器是一种用开关量输出位置的传感器，它由振荡器、开关电路和放大输出电路三大部分组成。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式的检测目的。由此识别有无金属物体。其工作原理框图如图4-11所示。工作原理如图4-12所示。
图4-11 电感式传感器工作原理框图
图4-12 电感传感器原理图
电感式传感器所能检测的物体必须是金属物体。
电感式传感器因金属材料不同，其检测范围也不同。主要与材料的衰减系数有关，衰减系数越大，其检测范围也越大。如钢的衰减系数为1、不锈钢的衰减系数为0.85、铜的衰减系数为0.85。
（2）电容式传感器
电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是被测物体的本身，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，由此便可控制电容式接近开关的接通和关断。
这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以是绝缘的液体或粉状物等。
不同的物质的介电常数不同，因而检测的距离也不相同，在检测较低介电常数的物体时，可以顺时针调节电位器来增加灵敏度，一般调节电位器使电容式传感器在0.7～0.8倍标准检测距离的位置动作。
4.2.2 光电传感器
1.概述
光电传感器一些实物如图4-13所示。
图4-13 光电传感器实物图
图4-14 光电传感器工作原理
光电传感器是通过把光强度信号变化转换成电信号的变化来实现控制的。它一般由发送器、接收器和检测电路三部分构成。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体（发光二极管）光源，光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光敏二极管或光敏晶体管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等，在其后面是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。光电传感器工作原理如图4-14所示。
光电式传感器大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。其检测物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。
光电式传感器广泛应用于自动计数、安全保护、自动报警和位置控制等方面。
2.使用注意事项
1）严禁强光（太阳光、聚光灯）直接射入光电传感器的方向角内，否则用要遮光板、支撑板遮挡。
2）近距离安装两个以上的直接反射型光电传感器时，检测物体表面的反射光会影响到另一方光电传感器进而引发误动作。
3）近距离安装两个以上的透过型光敏传感器时，受一方发光器的影响，会引起相互干扰，安装时请调换发光器和收光器的位置以使彼此不受影响。
4）完全贴面安装光电传感器时，一定量的反射入光会引起误动作，安装时请自底面起预留适当的高度。
5）输出端如果接的是DC继电器等感性负载，请使用二极管或变阻器以消除浪涌。
3.各种工作方式传感器
（1）反射式光电传感器
反射式光电传感器，从结构上来看，发射端和接收端是安装在一起的。按其结构分为漫射式光电传感器和镜反射式光电传感器。
1）漫反射型光电传感器：漫反射型光电传感器的检测头里装有一个发射器和一个接收器，正常情况下发射器发出的光接收器是收不到的；当被检测物靠近时挡住了光，并把光部分反射回来，接收器就收到光信号，从而输出一个开关控制信号。漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回来，所以距离和被检测物体的表面反射率将决定接收器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度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。漫反射型光电开关工作示意如图4-15所示。
对于漫反射型光电传感器的检测范围一般可800mm左右，除了纯透明有介质和黑色吸光的介质外，一般都可检测到。但其检测稳定性还与表面光洁度和平整度有关。在使用中要注意，其调整较容易。
常用材料的反射率见表4-2。
图4-15 漫反射型光电开关工作示意图
表4-2 常用材料的反射率
2）镜反射型光电传感器：镜反射型光电传感器同样是把发光器和接收器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被接收器收到；一旦光路被检测物挡住，接收器收不到光信号时，光敏开关就动作，输出一个开关控制信号。工作原理示意图如图4-16所示。
镜反射型光电传感器利用角矩阵反射面作为反射面，反射率远远大于一般物体反射的特点，同轴反射型抗外界干扰性能较好，反射距离远，因此具有广泛的实用意义。
镜反射型光电传感器，检测范围一般可1.5m左右，除了纯透明介质外，一般都可检测到。
图4-16 镜反射型光电传感器工作原理示意图
图4-17 对射型光电传感器工作原理示意图
（2）对射型光电传感器
对射式光电传感器在结构上相互分离，即把发光器和接收器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个接收器组成的光电开关就称为对射分离式光电开光，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和接收器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，接收器就动作输出一个开关控制信号。对射型光敏传感器工作原理示意图如图4-17所示。
对射式光电传感器最小可检测宽度为光电传感器透镜直径的80％。检测范围一般可10m左右，除了纯透明介质外，一般都可检测到。
（3）槽形光电传感器
槽形光电传感器实物如图4-18所示，它是把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。槽形光电传感器工作原理示意图如图4-19所示。
图4-18 槽形光电开关实物
图4-19 槽形光电传感器工作原理示意图
槽形光电传感器适用于检测高速变化的物体，分辨透明与半透明物体。
4.2.3 光纤传感器
光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感器。实现被检测物体不在相近区域的检测。光纤传感器分为传感型和传光型两大类。实物如图4-20所示。
传感型是以光纤本身作为敏感元件，使光纤兼有感受和传递被测信息的作用，传感型光纤传感器多为多模光纤。传光型是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，传光型光纤传感器多采用单模光纤。
传光型光纤传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成（见图4-21），光纤检测头既是发射体又是接收体，当在前方没有检测物体时，接收体不能接收到反射回来的光；当前方有被测物体靠近时，发射体发射出去的光通过被测体反射回来，由接收体接收，再经放大器内部电路处理后，变成开关信号输出。
图4-20 光纤传感器实物
图4-21 传光型光纤传感器
光纤放大器的使用如图4-22所示，由指示灯、灵敏度调节旋钮、定时开关、动作状态开关等组成。
动作显示灯：当输出开关接通时点亮。
入光量显示灯：根据接收到的光亮强度而变化。
灵敏度调节旋钮：用来调节传感器检测的距离。
定时开关：设为“ON”时，当检测到物体后，经过设定延时后开关信号才输出；设为“OFF”时延时不起作用。
动作状态切换开关：L（LIGHT）为ON时，指接收到光产生动作，相当于常开型；D（DARK）为ON时，指没有接收到光时产生动作，相当于常闭型。
图4-22 光纤放大器的使用
4.2.4 磁感应传感器
1.工作原理
磁感应传感器实物如图4-23所示。“磁”就是指磁铁，开关就是干簧管。干簧管是干式舌簧管的简称，是一种有触点的无源电子开关元件，具有结构简单，体积小便于控制等优点，其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中装有两个铁质的弹性簧片电板，还灌有一种叫金属铑的惰性气体。
通常，玻璃管中的两个由特殊材料制成的簧片是分开的。当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开了。
磁性传感器具有体积小、惯性小、动作快等优点。
图4-23 磁性开关实物图
磁性传感器剖面图如图4-24所示。磁性传感器原理图如图4-25所示。
图4-24 磁性传感器剖面图
图4-25 磁性传感器原理图
2.分类与应用
磁性传感器种类很多，一般要分为物性型和结构型两类。物性型磁传感器如霍尔器件、霍尔集成电路、磁敏二极管和晶体管、半导体磁敏电阻与传感器等。结构型磁传感器如电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器等。
霍尔器件和霍尔集成电路是目前国内外应用比较广泛的一种磁传感器。霍尔传感器适用于气动、液压、气缸和活塞泵的位置测定，也可作限位开关使用。
在PLC控制系统中，磁性开关常用于各类气缸的位置检测。磁性开关分别装在气缸筒外面的头部和尾端各一个，而磁石一般安装在气缸的活塞杆尾部，当气缸活塞杆在气压的推动下伸出与缩回时，分别接通相应位置的磁性开关，以此来检测气缸的位置信号。
4.2.5 压力变送器
1.压力变送器工作原理
压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、放大电路和支持结构件三部分组成。它能将测压元件传感器测量到的气体、液体等物理压力参数变化转换成电信号（如4～20mA等），以提供指示报警仪、记载仪、调节器等二次仪表进行显示、指示和调整。
压力变送器用于测量液体、气体或蒸气的液位、密度和压力，然后转换为成4～20mA信号输出。
2.压力变送器使用注意事项
1）非腐蚀性气体的产品作为适用流体时，请使用空气过滤器滤除水分和油分；
2）请勿从导压部插入针等物品。否则会使压力元件破损，无法进行正常动作；
3）避免与高压线、动力线并列设置；
4）安装时，避免使超声波振动直接碰到传感器。
4.2.6 传感器接线
1.传感器输出接线
传感器输出接线通常有以下几种形式，如图4-26所示。
2.传感器与PLC的接线
首先，我们来看一下传感器的内部电路接线如图4-27所示，这也是传感器说明书上所提供的。当传感器检测到有效信号时，内部的晶体管饱和导通，负载得电工作；当传感器没有检测到有效信号时，晶体管截止，负载因没有足够的电流驱动而不工作。
图4-26 传感器输出接线形式
图4-27 传感器的内部电路接线图
从图4-27中我们可以看到，在传感器的内部有一个晶体管，由于发射极的箭头向外，所以这个晶体管是NPN的，这也就是说这个传感器是NPN型输出的。另外我们从图中可以看到传感器有三个引出端子，颜色分别为棕、黑、蓝，这实际上就是传感器的三条引出线（也称为三线制传感器）。在棕线与黑线之间画了一个叫“负载”的器件，这是什么意思呢？
这实际上是告诉我们如何接线，在传感器用作PLC的输入时我们需要先弄清一个概念：就是传感器的输出是接PLC输入的。PLC的输入内部电路简单地说，实际上就是一个发光二极管！所以现在对于传感器来说，画的这个负载在用作PLC输入时就是指PLC输入电路中的那个发光二极管，它就是传感器内部输出晶体管所要控制的对象。另外传感器本身的器件的工作也需要提供一个DC 24V的电源。
PLC输入与NPN传感器之间的连接如图4-28所示。
图4-28 PLC输入与NPN传感器之间的连接1
结合上面的分析，我们把传感器与PLC连接在一起就很容易看懂了！同样，电流从直流24V的正极出发，经PLC内部限流电阻与光耦后由X0流出，再经传感器的信号输出端（黑色线）流入到传感器内部的NPN型晶体管的集电极，再从晶体管的发射极流回到电源的负极。在连线的时候一定要保证NPN型晶体管的集电极电位高于发射极电位，晶体管才可能正常工作，如果是PNP型的传感器则相反。图4-28中是利用传感器本身工作的电源，当在所接传感器不是太多的情况下可由PLC内部的直流24V电源提供。如果太多则需要另外配置电源来向传感器供电，如图4-29所示。
图4-29 PLC输入与NPN传感器之间的连接2