生产线在线质量检测
——传感器技术
摘要：在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等，都是无法进行和实现的。同样的，在工厂的生产线加工产品的过程中，利用传感器进行及时的在线质量检测对于工厂的生产效率和安全等方面是相当重要的。所以，要对传感器进行简略的介绍。
关键词：传感器定义；传感器特性；传感器分类；检测系统；应用；未来发展
Production line on-line quality inspection
——Sensor technology
Abstract：In mechanical and electrical integration of product, whether mechanical electronic products (such as numerical control machine tool), or mechanical and electrical integration of advanced products (such as robot), is inseparable from the important segment of detection and sensor. If there is no accurate and reliable automatic detection by sensor to the original various parameters, then the signal conversion, information processing, and display correct, the best control controller, are unable to act and implement. Also, It is quite important to use sensor for timely on-line quality inspection for the plant production efficiency and safety. So, we need to introduce the sensors by brief.
Key words: the definition of sensors; the character of sensors; the class of sensors; Detection system; the using of sensors; the development of sensors
引言
目前，人类已进入科学技术空前发展的信息社会时代。在这个瞬息万变的信息社会里，传感器为人类敏感地检测出形形色色的有用信息，充当着电子计算机、智能机器人、自动化设备、自动控制装置的“感觉器官”。如果没有传感器将各种各样的形态各异的信息转换为能够直接检测的信息，现代科学技术将是无法发展的，显而易见，传感器在现代科学技术领域占有极其重要的地位。
检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构成了机电一体化产品中的在线质量检测系统。
随着现代测量、控制及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，应用越来越普遍。凡是应用到传感器的地方，必然伴随着相应的检测系统。传感器与检测系统可对
各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量；对自动化系统中各种参数进行自动检测和控制。尤其是在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。
1 传感器的定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照仪的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定的规律变换秤为电信号和其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2 传感器的特性
2.1 传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
（1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 （2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。
（3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。
（4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
（5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 2.1 传感器的动态特性
传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大
超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。
动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况以外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。
3 传感器的分类
传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而统一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类的方法。 3.1 按被测量分类
①机械量，如位移、力、速度、加速度等； ②热工量，如温度、热量、流量、压力、液位等； ③物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等； ④状态参量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。 3.2 按测量原理分类
按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等。现有的传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效用和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计与应用上作出归纳性的分析与研究。 3.3 按信号变换特征分类 3.3.1 结构型
主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换。 3.3.2 物性型
利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号的变换。 3.4 按信号变换特征分类 3.4.1 能量转换型
传感器直接由被测对象输入能量时期工作。 3.4.2 能量控制型
传感器从外部获得能量时期工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。 3.5 按信号变换特征分类 3.5.1 电学式型
电学式传感器是非电量测量技术中应用分为较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及涡流式传感器等。
电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成的。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。
电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使定容量发生
变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。
电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的，主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参量的测量。
磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。
电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 3.5.2 磁学式型
磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的。主要用于位移、转矩等参数的测量。 3.5.3 光电式型
光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的。主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 3.5.4 电势型
电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成的。主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 3.5.5 电荷型
电荷传感器是利用压电效应原理制成的。主要用于力及加速度的测量。 3.5.6 半导体型
半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成。主要用于温度、适度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 3.5.7 谐振式型
谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成。主要用于测量压力。 3.5.8 电化学式型
电化学式传感器是以离子导电为机车制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。
电化学式传感器主要用于分析气体、液体或荣誉液体的固体成分、液体的段监督、酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。
4检测系统
检测系统的组成首先跟传感器输出的信号形式和仪器的功能有关，并由此决定检测系统的类型。
4.1模拟信号检测系统
模拟式传感器是目前应用最多的传感器，如电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式及热电式等传感器均输出模拟信号，其输出是与被测物理量相对应的连续变化的电信号。检
测系统的基本组成如图1。 传感器量程变换电放大器解调器滤波器运算电路模/数转换器计算机显示`执行机构 路 振荡器图1 模拟信号检测系统的基本组成 在图1中，振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要；解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号；运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量，其功能也可在对信号进行模/数转换后，由数字计算机来实现；计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应的信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的检测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。
在具体的机电一体化产品的检测系统中，也可能没有图1中的某些部分或增加一些其它部分，如有些传感器可不进行调制与解调，而直接进行阻抗匹配、放大和滤波等。 4.2 数字信号检测系统
数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输。因此，尽管目前数字式传感器品种还不很多，但却得到了越来越多的应用。最常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器、光电编码器等，主要用于几何位置、速度等的测量。
数字信号检测系统有绝对码数字式和增量码数字式。当传感器输出的编码与被测量一一对应，称为绝对码。绝对码检测系统如图2所示。每一码道的状态由相应光电元件读出，经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。纠错电路纠正由于
各个码道刻划误差而可能造成的粗大误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进制码，再译码输出。 图2 绝对码数字信号检测系统 传感器显光电转换放大整形纠错电路码制变换译码器示`执行机构当传感器输出增量码信号，即信号变化的周期数与被测量成正比，其增量码数字信号检测系统的典型组成如图3所示。
在图3中，传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成数字脉冲信号。
在精度要求不高和无需辨向时，脉冲信号可直接送入计数器和计算机，但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中n称为细分数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量 辨向电路传感器整放大器形电路细分电路显脉冲当量变换电路计数器寄存器计算机示执`行机构图3增量码数字信号检测系统 不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构。 4.3 开关信号检测系统
传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路
5 传感器在检测系统中的应用
5.1光电传感器在自动化生产线上的应用 5.1.1光电式带材跑偏检测器
带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。
光电式带材跑偏检测器原理如图1所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为行光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。
图1 带材跑偏检测器工作原理
5.1.2 包装充填物高度检测
用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。图3所示为借助光
电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度h偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。
图2 带材跑偏检测器测量电路
5.1.3 光电色质检测
图4为包装物料的光电色质检测原理。若包装物品规定底色为白色，因质量不佳，有的出现泛黄，在产品包装前先由光电检测色质，物品泛黄时就有比较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空气将泛黄物品吹出。
图4 包装物料的光电色质检测原理
5.2 MPS检测单元中传感器的利用 5.2.1 识别模块
识别模块主要有3个传感器主城，即电感传感器、电容传感器和漫射式光电传感器，用于识别工件的材质和颜色。可以识别金属和非金属的材质，可以将银白、红、黑三种颜色分开。识别模块中的电感传感器、电容传感器和漫射式光电传感器都属于接近开关类传感器，
它们分别在一下情况下动作：
（1） 电感传感器在有金属物接近它时动作； （2） 电容传感器在任何位置接近它是都动作；
（3） 漫射式光电传感器在接近它的物体反射回来的光线达到一定程度时动作。 由他们的特性可知，单独使用三个中的任意一个都不会对一个工件的颜色和材质进行同时检测。但是，若将它们组合起来对工件进行联合检测，就可以实现上述目的。真值表如下：
传感器 电感式接近开关 光电式接近开关 电容式接近开关 5.2.2 测量模块
材质及颜色 金属、银白色 1 1 1 非金属、红色 0 1 1 非金属、黑色 0 0 1
测量模块的作用是测量工件的高度。它由一个模拟量传感器和传感器支架构成。该传感器与位置指示器一起构成一个测量工件高度尺寸的传感系统，由电阻式传感器将测量杆的位移量转变为电位器电阻值的变化，再经位置指示器转换为0~10V的直流电压信号输出。
6 传感器未来的发展方向
作为工业上不可或缺的重要元器件，传感器所承担的任务越来越重，智能传感器已经越来越受到了人们的青睐。
智能传感器的出现是人们已经不能满足传感器简单的探测信息的功能，而是希望传感器能够将海量信息进行分析优化，过滤掉无用的数据，将最有用的信息传递为上位执行器或是控制器。这就是智能传感器诞生的重要背景。
智能传感器代表了传感器的发展方向，也符合传感器的未来发展方向。在许多的工业现场，由于单个传感器使用的场合越来越少，更多的是传感器与传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与控制系统之间要实现更多的数据交换和共享，因此在制造业工厂中越来
越受到了广泛的欢迎。
7 传感器与检测系统的发展趋势
随着微电子技术、微机电系统技术、材料科学、大规模集成芯片技术、纳米科学与技术、数字信号处理技术、计算机技术等飞速发展并不断变革，传感器与检测技术也是日新月异。一方面，传感器技术在科学研究、工农业生产、日常生活等许多方面发挥着越来越重要的作用；另一方面，人们的应用需求对传感器技术有提出了越来越高的要求，这推动着传感器与检测技术不断向前发展。总体上说，传感器技术的发展趋势表现为六个方面：一是提高与改善传感器与检测技术的性能；二是开展基础研究，寻找新原理、新材料、新工艺或新功能；三是传感器与检测系统的高度集成化；四是传感器与检测技术的智能化；五是传感器与检测技术的非接触化和多参数融合化；六是监测系统的网络化和虚拟化。
参考文献
［1］郁建平，机电综合实践，科学出版社，2008
［2］王俊峰 张玉生，机电一体化 检测与控制技术，人民邮电出版社，2006 ［3］彭军， 传感器与检测技术，西安电子科技大学出版社，2003 ［4］赵勇 胡涛， 传感器与检测技术，机械工业出版社，2010
