六种常见工业传感器大盘点

当你站在饮料装瓶的自动化产线旁，你会发现，无需人工介入，每一个空瓶都能够精准地停在注射喷头的下方，完成装填后转移到下一道工序，这是位置传感器和编码器在产线上的精美配合。在今天的工业制造场景里，工业传感器无所不在，物流、上料、订单控制等自动化环节都离不开它们，是机器进行数据采集的关键器件，与控制系统、软件一起成为支撑工业体系运转新的“铁三角”。
    目前，主要国家和地区都在强调工业4.0升级，其本质是打造数字化、定制化的产品和服务的生产模式。现阶段，挖掘数据价值进而实现智能化升级成为工厂自主革新的要点。工业传感器赋予工厂和外界“沟通交流”的能力——通过传感数据构建数字网络来优化生产设备。当然，这个过程也带动了工业传感器的需求量大涨。根据MarketsandMarkets的，工业传感器市场规模预计将从2021年的206亿美元增长到2026年的319亿美元，期间该市场预计将以9.1%的复合年增长率增长。
    工业传感器的品类和特点
    从概念上看，工业传感器是用于石油、化工、冶金、电力、机械制造等各种工业场景的传感器，泛指在工业制造过程中能将感受的力、热、光、磁、声、湿、电、环境等被测量数据转换成电信号输出的器件与装置。在庞大的工业自动化系统中，传感器主要作为输入设备，主要的产品特点是技术密集、多品种、小批量、部署灵活、安全稳定等。

    在自动化技术的基础上，目前主要国家和地区都在部署和攻坚工业4.0。在此过程中，传统传感器和通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等融为一体，成为工业智能传感器。如下图所示，目前亚太、北美和欧洲地区是工业4.0的重点区域，因此对工业智能传感器的需求量更大，厂商纷纷设立办事处。

    图1：工业智能传感器厂商办事处分布
    （图源：赛迪顾问）

    在产品供应上，和广泛意义上的传感器一样，工业传感器也存在寡头市场特征，欧美日厂商手握大部分市场份额，代表厂商包括通用电气、爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔、ABB、日本横河、欧姆龙等。

    图2：工业智能传感器三市场分布
    （图源：Frost & Sullivan）

    如上所述，这些工业智能传感器塑造了工业4.0的“感知系统”。所谓的工业4.0就是以工业自动化技术为基础，实现生产系统和底层设备的深度融合，包括智慧工厂和智慧产品两大主题。从下图IBM工业4.0系统框图能够看出，系统下方是物理层，也是整个系统的地基，我们刚刚提到的底层设备便主要分布于物理层，负责数据采集和现场执行，其中前者便是传感器在工业4.0系统中的用武之地。

    图3：IBM工业4.0系统
    （图源：IBM）
    那么，传感器在工业4.0系统中具体要做哪些事情呢？实际上，工业4.0的要点是“务联网”，这里的“务”指的是具体的每一项业务。要将具体的业务部署到系统中，就需要对此进行量化，也就是制定各项任务指标。传感器要做的就是，帮助精密仪器、工业机器人、伺服控制系统和传动设备等设备严格执行这些指标，进而输出合格的产品。
    当然，根据工业4.0承担的业务不同，所需要的传感器类型也就迥异。目前，比较常用的六种传感器分别是位置传感器、接近传感器、温度传感器、压力传感器、振动传感器和陀螺仪等六种。
    这些常用的工业传感器在工业自动化以及工业4.0场景中应用广泛，尤其是工业4.0九大创新场景——OCP（订单控制生产）、AF（高适应性工厂）、SAL（自组织、自适应物流）、VBS（基于价值的服务）、TAP（产品透明性和适配性）、OSP（生产中对员工支持）、SP2（智能生产的智能产品开发）、IPD（创新性产品开发）和CRE（循环经济）。正如IBM工业4.0框架中提到的，这些应用场景的基础都是机器数据，由传感器采集而来。
    随着工业4.0进程的深入，工业传感器也在发生着变化，主要趋势包括模块化、紧凑封装、更高精度、更大测量范围以及适合用于空间受限和恶劣环境的应用。接下来，我们就为大家推荐贸泽电子平台在售的“六种常用工业传感器”的代表产品。
    符合AEC-Q100标准的轴上磁性位置传感器
    位置传感器主要用于检测产品和设备的具体位置，根据实现原理的不同，可以分为自动平衡式位置传感器、超声波位置传感器、电容式位置传感器、压力式位置传感器、电磁式位置传感器等。在工业制造场景中，除了我们开篇提到的工业产线流程控制，位置传感器还可以用于工业电机、太阳能跟踪器、风机涡轮机等大型设备的位置控制。

    下面我们为大家推荐一款电磁式位置传感器，贸泽电子上该器件的料号为AS5116-HSOM，来自制造商ams OSRAM。

    图4：AS5116-HSOM
    （图源：ams OSRAM）

    AS5116-HSOM轴上磁性位置传感器是一款非接触式传感器，具有高可靠性、耐用性、低输出噪声和高精度模拟输出等的性能优势。AS5116-HSOM采用基于霍尔传感器技术的坚固架构和简单的双极磁体，能够测量整圈旋转时磁通密度（Bz）的正交分量以及角度信息，其中角度信息由缓冲差分正弦和余弦电压提供。

    图5：AS5116-HSOM系统框图
    （图源：ams OSRAM）
    AS5116-HSOM符合AEC-Q100标准，在高速电机和其他要求严苛的汽车应用中提供准确的角度测量。由于采用的非接触式测量方式，AS5116-HSOM的高精度不会受到污物、灰尘、油脂、水分或其他污染物等环境因素影响。在方案设计上，AS5116-HSOM采用8引脚SOIC封装，使其更容易集成到汽车系统板布局中，且无需屏蔽，可降低系统成本。
    在应用领域方面，AS5116-HSOM可用于电换向电机转子角度检测、电动助力转向系统、电动泵、传输系统中的执行器、起动机/发电机系统以及其他360°角度测量解决方案。
    采用IsoSensor技术的数字压力传感器
    压力传感器是指将系统中的压力信号转换为可输出信号的装置，根据测试压力类型的不同，可以分为压阻式压力传感器、电容式压力传感器和压电式压力传感器等。压力传感器的应用范围极为广泛，比如产线注塑、冲模、压缩、增压等程序都需要压力传感器，此外航空安全系统、矿山测试系统以及医疗检测系统等也会用到压力传感器。
    在这里我们为大家推荐一款满液式圆柱形腔体内设有压阻式传感器芯片的数字I2C压力传感器，贸泽电子上该器件的料号为NPI-19J-002G2，来自制造商Amphenol Advanced Sensors。
    Amphenol Advanced Sensors公司的NPI-19数字I2C压力传感器采用先进的IsoSensor技术，在产品设计上，将压阻式传感器芯片封装在满液式圆柱形腔体内，通过不锈钢阀体和膜片与被测介质隔开。通过将隔离式传感技术和I2C接口协议融合在一起，具有理想的性能和成本优势。在数据输出端，NPI-19数字I2C压力传感器采用SenStable加工技术，提供优异的输出稳定性。
    在产品应用方面，得益于NPI-19数字I2C压力传感器的模块化设计，允许各种压力传感器端口模块密封焊接到传感器头部，可以灵活用于工业过程控制、腐蚀性液体和气体测量、液压系统和阀门、储罐液位测量、气压测量、船舶和海洋系统、飞机和航空电子系统、医疗设备等广泛领域。
    适用于空间受限应用的接近传感器
    接近传感器能够检测被检测物的移动信息和存在信息，与位置传感器相比，一般接近传感器的响应更灵敏，根据实现原理不同，可分为电容式、电感式和光电式。接近传感器在工农业、航天和医疗领域都有广泛的应用，典型的应用包括防误触、避撞、唤醒等。
    Molex Contrinex接近传感器既有电感式也有光电式，工程师朋友可以通过搜索料号120253-0181查看具体的产品详情。
    Molex Contrinex电感式和光电式传感器是集成IO-Link的一体式传感器，采用紧凑封装。虽然体型小巧，但性能卓越、坚固耐用，能够提供较大的检测范围，其中电感式传感器具有1mm至40mm的检测距离范围，而光电式传感器则具有1mm至50,000mm的检测距离范围。Molex Contrinex电感式和光电式传感器采用多种专用设计保证产品的稳定输出，比如光电式传感器具有良好的色彩和对比度识别功能，包括带背景抑制功能的漫射传感器，并采用用于透明物体检测的紫外线技术；电感式传感器采用一体式factor-1钢制和铝制外壳，具有良好的抗振动和抗冲击能力。并且，这些产品都支持IP67防护等级。
    在应用领域方面，Molex Contrinex电感式和光电式传感器可以广泛用于包装机、食品和饮料、装罐设备、纺织、机床、物流、风电等行业，其中包括灰尘、面粉、油污、碎石片或泥泞的水中等高度污染环境。
    高精度的可编程数字陀螺仪
    陀螺仪是测量被检测物角度、角速度和角加速度的传感器设备，陀螺仪的种类也有很多，仅电子式就有压电陀螺仪、MEMS微机械陀螺仪、光纤陀螺仪和激光陀螺仪等不同类型。陀螺仪典型的应用就是提供方位基准，帮助矿山、交通、航天、生物医学、环境监控等领域的精密仪器实现定位和姿态控制。
    下面为大家介绍一款来自制造商ADI的可编程数字陀螺仪，贸泽电子上该器件料号为ADIS16260BCCZ。
    ADIS16260BCCZ作为一款可编程低功耗陀螺仪，在单个紧凑型封装内集成了业界的MEMS和信号处理技术，用于在复杂和恶劣工作条件下检测和测量物体角速率。ADIS16260BCCZ提供数种可编程系统内优化功能，包括传感器带宽开关（50Hz和330Hz）、Bartlett窗口FIR滤波器长度和采样速率设置，帮助用户优化噪声和带宽。并且，数字输入/输出线路提供数据就绪信号，以便主机处理器高效管理数据的一致性。
    上述这些创新式的设计为ADIS16260BCCZ带来两大明显的产品优势。其一是该器件具有同类MEMS陀螺仪需要全动校准才能达到的精度性能；其二是该器件接通电源后，无需从系统处理器发出配置命令，便自动启动并开始传感器数据采样。此外，通过ADIS16260BCCZ器件上的可寻址寄存器结构和通用串行外设接口（SPI），可以轻松访问传感器数据和配置设置。这些的性能使得ADIS16260BCCZ在平台控制与稳定、导航、医疗仪器、机器人技术等应用领域拥有明显优势。
    高精度、低功耗的振动传感器
    振动传感器是指将系统中的机械量通过内部机械装置和机电转换装置转化为电信号的传感器，根据机电转换装置的不同，有电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式等丰富的类型。振动传感器在防盗、故障检测和精度检测等领域应用广泛，尤其是后两者，随着工业设备精密度提升，振动传感器可以时间捕捉到异常震动，防止因为紧固件松动等原因造成的系统故障。
    我们在此为大家介绍一款MEMS 3轴加速度传感器，来自制造商Omron，贸泽电子上该器件的料号为D7S-A0001。
    D7S-A0001是高精度新一代振动传感器，用于减轻地震引起的次生灾害。该器件具备高精度、低功耗的产品特性，通过3轴加速传感器+独特SI值计算算法的创新设计，使其能够提供卓越性能。在预防地震次生灾害方面，D7S-A0001的SI值设计可实现更接近地震烈度的高精度判定，配备与传统钢珠式地震计动作类似的阻断输出端子（INT 1），确保与钢珠式地震计兼容，并可以通过关闭和停止危险器件来防止二次损坏。器件上的I2C接口使其能够与外部通信，提供传感器获取到的地震信息。
    图10：D7S-A0001动作时序图
    （图源：Omron）
    特别需要指出的是，D7S-A0001面积非常小，仅为9.8mm x 10.9mm，可以嵌入到各种器件中，比如控制柜、电表/燃气表、桥梁/隧道、防火系统和铁路等应用。
    类型丰富的工业温度传感器
    温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，主要的分类包括热敏电阻、热电偶、电阻温度检测器、模拟温度计和数字温度计等。温度传感器广泛应用于医疗、重型机械、水处理、风电、轨道交通等行业，流量、辐射、气体压力、热化学反应等环境参数都可以被温度传感器转化为电信号。
    同样来自Omron的E52-P35C-ND3.2是一款工业温度传感器，是已停产产品E52-P35C D=3.2的替代型号。
    E52-P35C-ND3.2是Omron E52系列温度传感器里的新一代产品，适用于温度控制器的热输入装置。Omron E52系列拥有丰富的产品类型可供选择，包括通用型、低成本型、专用型三大类，适配于各种温度、位置和环境，以及终端的类型和形状。
    工业传感器价值不断提升
    随着越来越多的行业以实现工业4.0为目标，传感器在工业领域的应用将越来越广泛。有了传感器，系统设备就有了“感知器官”，就有了和外界交流的窗口，帮助提升工业生产效率和智能化水平。毫无疑问，随着工业4.0进程深入，工业传感器会迸发出更大的能量。在产品供应方面，工业传感器将愈发集中，头部厂商的市占比会与日俱增；在产品设计方面，网络化、智能化、小型化和模块化等技术趋势将进一步提升智能传感器的占比。
    当然，工业应用有自己的特殊性，需要工程师根据具体情况慎重挑选传感器方案，在贸泽电子，可以为工程师提供应有尽有的工业传感器选择。