劉 蓬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

傳感器種類繁多，通常一種物理量可用多種類型的傳感器來測(cè)量，同時(shí)一種傳感器也可用于測(cè)量多個(gè)物理量。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，傳感器檢測(cè)的材料并不相同，典型的材料有鋼、黃銅、黑色塑料、白色塑料等。同一傳感器在檢測(cè)不同種材料時(shí)，其結(jié)果往往不同。針對(duì)上述存在的問題，需要提出一套傳感器選用原則，目的是在選用傳感器時(shí)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象材料不同選擇合適的產(chǎn)品。本文的目的是應(yīng)用PLC搭建檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分別實(shí)現(xiàn)電感式、電容式、光學(xué)式、超聲波式傳感器對(duì)4種不同材料（鋼、黃銅、白色塑料、黑色塑料）的識(shí)別。

1 傳感器分類

傳感器按工作原理可分為電感式、電容式、電阻式、光電式、壓電式、溫度式、磁場(chǎng)式、超聲波式、激光式、化學(xué)式等多種類型，可用來測(cè)量壓力、溫度、位移、速度、加速度等信息，其中電感式傳感器、電容式傳感器、光學(xué)傳感器和超聲波傳感器這4種傳感器應(yīng)用最為廣泛。本文的目的是將鋼、黃銅、黑色塑料、白色塑料等4種典型材料區(qū)別開來，首先簡(jiǎn)要介紹上述各典型傳感器。

1.1 電感傳感器

電感傳感器是基于電磁感應(yīng)原理將力、位移轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置，廣泛應(yīng)用于非接觸式金屬物體的測(cè)量，其測(cè)量距離高達(dá)100 mm，被認(rèn)為是一種可靠且經(jīng)濟(jì)的最佳解決方案。按照變化方式不同，電感式傳感器可分為自感型（可變磁阻式與渦流式）和互感型（差動(dòng)變壓器式）兩種。

1.1.1 自感型

可變磁阻式電感傳感器由線圈、鐵氧體磁芯、金屬板組成，其結(jié)構(gòu)原理（如圖1）所示。

圖1 電感傳感器結(jié)構(gòu)原理

在磁芯與金屬板之間有空氣隙δ，線圈自感量：

式中：N為線圈匝數(shù)；Rm為磁路總磁阻。

如果空氣氣隙δ較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則總電阻：

式中：L為鐵氧體磁芯導(dǎo)磁長(zhǎng)度；μ為鐵氧體磁芯磁導(dǎo)率；А為鐵氧體磁芯導(dǎo)截面積；δ為氣隙長(zhǎng)度；μ0為空氣磁導(dǎo)率（μ0=4π×10-7H/m）；A0為空氣氣隙導(dǎo)磁截面積，m2。

鐵芯磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可以忽略不計(jì)，得出：

將式（3）帶入式（1），可得到式（4）：

由式（4）可知：自感L與空氣氣隙δ成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)A0為固定值，變化δ時(shí)，L與δ為線性關(guān)系，傳感器靈敏度：

靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比。δ越小，靈敏度越高[1]。

1.1.2 互感性

這種傳感器基于電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)化成線圈互感變化，實(shí)質(zhì)上它就是一個(gè)變壓器，其一次側(cè)線圈接入穩(wěn)定交流電源、二次側(cè)線圈輸出電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于常常采用兩個(gè)二次側(cè)線圈組成差動(dòng)式，所以它又被稱為變壓器式電感傳感器。電感傳感器的特性是：

a）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。

b）非常高的靈敏度分辨率，最小測(cè)量距離為0.01 μm，并且具有較強(qiáng)的輸出信號(hào)。

c）可實(shí)現(xiàn)信息記錄、顯示、控制以及傳輸，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。

d）只適用于金屬。

1.2 電容傳感器

電容傳感器又稱電容式接近感應(yīng)器，它的有源元件由一個(gè)傳感器電極和屏障組合在一起，并且這兩個(gè)元件形成電容器?？捎糜跈z測(cè)金屬及非導(dǎo)電材料，如塑料、木材、玻璃等，不同材料對(duì)應(yīng)的檢測(cè)精度并不完全相同。當(dāng)一個(gè)電壓的應(yīng)用程序被輸送到電容器的板中，在這些板之間可以形成一個(gè)電場(chǎng)，并在邊緣形成磁場(chǎng)如圖2。

圖2 邊緣磁場(chǎng)圖

由兩個(gè)平行極板組成電容器的電容量為：

式中：ε為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，空氣中時(shí)ε=1；ε0為真空中介電系數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；d 為極板間距離，m；A為極板面積，。

由式（6）可知，當(dāng)ε、A或d發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，只改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。根據(jù)電容變化的關(guān)系，電容器可分為極距變化型、極面變化型和介質(zhì)變化型三類。在實(shí)際過程中，極距變化型和極面變化型應(yīng)用較為廣泛。

1.2.1 極距變化型

如公式（6）所示，當(dāng)電容器的極板面積A與極板間的介質(zhì)ε不變時(shí)，電容量C與極距d成非線性關(guān)系，當(dāng)極距有一微小變化量Δd時(shí)，引起電容的變化量ΔC為：

由此可知傳感器的靈敏度為：

由公式可知，靈敏度S與極距d的平方成反比，極距越小，靈敏度越高。

極距變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響小，靈敏度高，適用于較小位移（0.01 μm到數(shù)百微米）測(cè)量。但這種傳感器有非線性特性，傳感器散亂電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精確度有影響，配套電路較復(fù)雜，因此其使用范圍受到一定的限制。

1.2.2 極面變化型

極面變化型電容傳感器是通過改變極板直接覆蓋面積從而影響其靈敏度，輸出與輸入呈線性關(guān)系，但與極距變化型相比，因此靈敏度較低、適用于較大位移及角位移測(cè)量。

1.2.3 介質(zhì)變化型

利用介質(zhì)介電常數(shù)變化將測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，它可用來測(cè)量電介質(zhì)的液位或材料的溫度、濕度和厚度等。

1.3 光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器（設(shè)備）是基于光學(xué)原理，借助光在一定范圍內(nèi)覆蓋特性，具有非接觸式和非破壞性測(cè)量、不受干擾、高速傳輸以及可遙測(cè)、遙控等優(yōu)點(diǎn)。圖3～圖5為光學(xué)傳感器的分類及應(yīng)用。

圖3 對(duì)射式傳感器（紅外、紅光或激光）應(yīng)用

圖4 鏡面反射傳感器（紅外、紅光或激光）應(yīng)用

圖5 漫反射傳感器（紅外、紅光或激光）應(yīng)用

1.4 超聲波傳感器

超聲波傳感器是通過聲波來檢測(cè)物體，無磨損無消耗。該種檢測(cè)方式與待檢測(cè)的對(duì)象是否透明、是否是金屬、形態(tài)都無關(guān)，在噴霧、灰塵或雨水的環(huán)境條件下都幾乎不影響結(jié)果。超聲波傳感器的探頭由壓電晶片組成，它既是一個(gè)發(fā)射器也是一個(gè)接收器，超聲波傳感器可分為直接反射式的檢測(cè)模式和對(duì)射式檢測(cè)模式[2]。

直接反射式傳感器位于傳感器前面的被檢測(cè)物通過將發(fā)射的聲波部分地反射給傳感器的接收器，從而使傳感器檢測(cè)到被測(cè)物。一套對(duì)射式超聲波傳感器包含一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，它們之間保持發(fā)收工作。位于接收器與發(fā)射器之間的被檢測(cè)物將阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。

超聲波傳感器也有自身的缺點(diǎn)，如不能檢測(cè)可以吸收聲音的物體。如布、軟質(zhì)橡膠、面粉、泡沫等。

最小工作距離：在傳感器頂端有一小部分不可用的區(qū)域。當(dāng)傳感器在接收超聲波束碰到物體而回來的波束時(shí)，傳感器還沒有結(jié)束發(fā)射狀態(tài)，則通過發(fā)射機(jī)的波束不能被正確地接收。這個(gè)區(qū)域是不可用的，被稱為盲區(qū)。盲區(qū)與傳感器頂部的最大距離被稱為傳感器的最小工作距離（如圖6所示）；最大工作距離是由被測(cè)物的尺寸和材料確定。工作距離越短，就越難以識(shí)別被測(cè)物。吸音材料如泡沫、棉花、橡膠等比聲反射材料如鋼、塑料或玻璃制品更難檢測(cè)[3]。

圖6 工作距離原理

2 自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)原理及方案

2.1 傳感器選取原則

2.1.1 被測(cè)物為金屬

當(dāng)被測(cè)物與傳感器之間距離為0～50 mm時(shí)，可以用電感傳感器；當(dāng)被測(cè)物與傳感器之間距離為0～30 mm時(shí)，可以用電容傳感器；當(dāng)被測(cè)物與傳感器之間距離為0～100 mm時(shí)，可以用光學(xué)傳感器；當(dāng)被測(cè)物與傳感器之間距離小于10 m時(shí)，可以用超聲波傳感器。

2.1.2 被測(cè)物為非金屬

當(dāng)被測(cè)物與傳感器之間距離為0～30 mm時(shí)，可以用電容傳感器；當(dāng)被測(cè)物與傳感器之間距離為0～100 mm時(shí)，可以用光學(xué)傳感器；當(dāng)被測(cè)物與傳感器之間距離小于10 m時(shí)，可以用超聲波傳感器。

2.2 試驗(yàn)方案

上節(jié)分析了材料材質(zhì)與所選傳感器類型之間的選取關(guān)系，基于這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，考慮到工業(yè)生產(chǎn)中常用的材料為鋼、黃銅以及塑料。為檢測(cè)傳感器性能與試驗(yàn)材料之間的關(guān)系，特制定如下試驗(yàn)方案：選取上述材料為試驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象選取相對(duì)應(yīng)的傳感器檢測(cè)，具體見表1。

表1 傳感器選擇表（X代表可檢測(cè)）

3 自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 搭建控制系統(tǒng)

本試驗(yàn)PLC型號(hào)為德國(guó)Moeller easy Control EC4P-222-MTAD1，含12個(gè)數(shù)字輸入、8個(gè)晶體管輸出、一個(gè)模擬輸出0-10 V、通訊方式為以太網(wǎng)、CANopen和RS-232。表2為本次試驗(yàn)PLC的通訊列表，根據(jù)通訊協(xié)議表繪制完成PLC連接圖，PLC原理圖及試驗(yàn)見圖7、圖8。具體試驗(yàn)方法如下：

a）將被測(cè)材料裝入導(dǎo)軌中的小車中。

b）載有被測(cè)材料的小車依次通過所選傳感器。

c）當(dāng)小車通過最后一個(gè)傳感器時(shí)，其信息通過PLC轉(zhuǎn)化得到一個(gè)評(píng)估信息，通過指示燈L1到L4反應(yīng)識(shí)別是哪種物體。

d）在指示燈亮起20 s后，該系統(tǒng)將復(fù)位，可以重新測(cè)試下組材料。

表2 PLC通訊協(xié)議表

圖7 PLC電路圖

圖8 PLC實(shí)物連接圖

3.2 自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)

基于上述搭建的自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)，需在控制界面輸入相應(yīng)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)中的變量描述見表3。

通過試驗(yàn)分析可以得到以下結(jié)論：

a）電感傳感器可以用來區(qū)分金屬與非金屬，且如果被測(cè)金屬材質(zhì)不同，可以通過調(diào)整電感傳感器的測(cè)距來檢測(cè)。

表3 試驗(yàn)中的變量描述

b）電容傳感器可以用來檢測(cè)金屬與非金屬，但它的檢測(cè)精度是不一樣的。

c）光電傳感器只可以檢測(cè)反射光的物體，因?yàn)楹谏环瓷淙魏喂?，所以光電傳感器無法檢測(cè)黑色塑料。

d）超聲波傳感器是通過聲波來檢測(cè)物體的，這4種材質(zhì)都可以被其檢測(cè)到。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼可以被電感傳感器（測(cè)距為3.6 mm和2 mm）、電容傳感器、光學(xué)傳感器和超聲波傳感器檢測(cè)到；黃銅不能被測(cè)距為3.6 mm的電感傳感器檢測(cè)到，其他傳感器都可以；白色塑料除了電感傳感器，其他3種傳感器都可以檢測(cè)到；黑色塑料只有電容傳感器和超聲波傳感器可以檢測(cè)到。在實(shí)際應(yīng)用中使用正確的傳感器和PLC編程可以將各種材料進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，例如垃圾分類、工廠的自動(dòng)分揀和物流配送等。這將是社會(huì)自動(dòng)化發(fā)展的主流方向之一。