【自动化】自动化仪表种类和功能原理、自动化集成项目工程师传感器基础选型

2019 年 2 月 3 日 产业智能官

自动化仪表定义

自动化仪表由若干自动化元件构成的，具有较完善功能的自动化技术工具。自动化仪表一般同时具有测量、显示、记录或测量、控制、报警等数种功能。

自动化仪表起源

自动化仪表的真正出现是在二十世纪的八十年代，人们通过一种控制装置把自动化技术与工业仪表进行了有效结合，然后通过组装的电子设备进行综合控制，后来随着控制技术的不断发展，自动化技术逐渐成为了工业仪表发展的主要工具，也就出现了真正的自动化仪表。

微电子技术、计算机技术、网络通信技术和信息处理技术等日新月异发展的新技术对自动化仪表的革新产生了深远的影响，已成为工业自动化仪表发展的新的推动力，使工业自动化仪表不仅能够更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取对象的全方位信息，而且完全突破了传统的光、机、电的框架，朝着智能化、网络化、总线化、开放性的方向发展。今天，我们用一张图帮助大家搞定自动化仪表家族的“亲属”关系。

自动化仪表分类

自动化仪表可分为现场测量仪表、现场控制仪表、现场仪表执行器、显示记录仪表、调节控制仪表、特殊测量仪表六大类，每一个大类又可细分为若干小类。

一、现场测量仪表

现场测量仪表安装在工业生产现场，现场测量仪表可分为物位仪表、压力仪表、温度仪表、流量仪表、气体分析仪表、液体分析仪表。

1、物位仪表

物位仪表是在工业生产过程中测量液位、固体和粉粒堆积高度、以及液相-液相、液相-固相界面位置的仪表。物位仪表有连续测量和间断测量两种测量种类：连续式物位仪表和限位式物位仪表。

①连续式物位仪表

连续式物位仪表还可以继续细分为：直读式液位计(根据流体的连通性原理来测量液位。如：玻板水位计、玻璃液位计、石英管双色液位计)、电容式液位计、浮力式液位计(如：磁致伸缩液位计、光纤液位计、浮筒液位计、伺服液位计、浮子钢带液位计、浮球液位计、磁翻板液位计)、激光式液位计、超声波液位计、雷达物位计(如：脉冲雷达物位计、导波雷达物位计)、外贴式液位计、射频式物位计、差压式液位计、重锤物位计

②限位式物位测量仪表

最常见的限位式物位测量仪表分为电容/极式液位开关、浮球式液位开关、音叉物位开关、旋叶式物位开关、超声波物位开关。

1.差压式液位计A

2.差压式液位计B

3.差压式液位计C

4.超声波测量液位原理

5.电容式液位计

2、压力仪表

压力仪表是测量工业生产过程中介质压力或压差变化的仪表。压力仪表可分为液柱式压力计(如U型管压力计、单管压力计、倾斜式压力计、)、压力变送器、差压变送器、压力传感器、压力表、压力开关、玻璃管液体。

1.弹簧管式压力仪表

2.电接点式压力仪表

3.电容式压力传感器

4.膜盒式压力传感器

5.压力式温度计

6.应变式压力传感器

3、温度仪表

温度仪表是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。温度仪表可细分为玻璃管液体温度计、压力式温度计、热电偶、热电阻、温度变送器、双金属温度计、温度开关、光学高温度计、辐射式高温计、非接触式红外测温仪。

1.薄膜热电偶的结构

2.固体膨胀式温度计

3.热电偶补偿导线的外形图

4.热电偶温度计

4、流量仪表

流量仪表又称为流量计，流量仪表可细分为质量流量计(如科氏力质量流量计、热式质量流量计)、容积式流量计(刮板流量计、腰轮流量计、椭圆齿轮流量计)、冲板式流量计、流量开关、速度式流量计(如：转子流量计、涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计、涡街流量计)、明渠式流量计、靶式流量计、差压式流量计(如：孔板流量计、喷嘴式流量计、文丘里管式流量计、弯管流量计、V锥流量计、皮托管流量计、匀速管流量计).

1 靶式流量计

2.孔板流量计

3.立式腰轮流量计

4.喷嘴流量计

5.容积式流量计

6.椭圆齿轮流量计

7.文丘里流量计

8.涡轮流量计

9.转子式流量计

5、气体分析仪表

气体分析仪表是测量气体成分的流程分析仪表，它可细分为气相色谱/质谱分析仪、氧分析仪、有毒/可燃气体检测仪表、热导式分析仪、磁导分析仪、电化学分析仪、红外线分析仪、紫外线分析仪、激光气体分析仪、光电检测气体分析仪。

6、液体分析仪表

液体分析仪表可细分为电化学式分析仪、紫外可见光分析仪、红外吸收光谱分析仪、馏程分析仪、液体色谱/质谱分析仪、水质分析仪(如：PH仪、电导仪、浓度/浊度仪、溶解氧分析仪、余氯分析仪、DOC/COD分析仪)、黏度/密度计。

二、现场控制仪表

现场仪表指安装在生产现场，用于测量各种过程参数、执行各种控制指令或转换信号并实现通讯的仪表。现场控制仪表包括气动控制仪表、液动控制仪表和电动控制仪表。

三、现场仪表执行器

现场仪表执行器分为气动薄膜调节阀、气动薄膜调节阀与阀门定位器配合使用、电气阀门定位器、智能电气阀门定位器。

四、显示记录仪表

显示记录仪表分为有纸记录仪、无纸记录仪、显示仪表(模拟显示仪表、数字显示仪表、触摸屏HMI和CRT显示终端、闪光报警仪。

五、调节控制仪表

包括PID调节器、PLC、数字控制系统(如：报警连续控制系统、DCS系统、FCS总线控制系统、ESD紧急停车系统、SIS安全仪表系统)、IPC工控机。

六、特殊测量仪表

特殊测量仪表包括轴振动测量仪、轴位移测量仪、转速仪、称重仪表、厚度测量仪、信号校验仪、火焰检测仪等。

自动化仪表分类并不是一成不变的，随着仪表技术的发展，部分产品的分类界限融合，比如总线压力变送器(同时带有PID控制功能)既属于现场测量仪表，又具是调节控制仪表。

作为自动化集成项目工程师，你该会的基础选型—传感器篇

自动化元器件“三大马车”：传感器、气缸、伺服电机，在自动化设备元器件中占据了绝大部分。很多工程师认为传感器作为通电类自动化元器件应该由电气工程师来选型。然而，本人推崇元器件的选型原则应该为：谁用谁选，谁选谁安装，谁选谁报价。作为一个集成商类型的机械工程师，应该在紧张的设备交期内，学会基本的元器件选型。本文将对接近传感器、光电传感器、光纤传感器，三类常用的传感器，做个人粗略的选型经验分享。

接近传感器的选型及应用

1、接近传感器选型依据

（1）确定被检测物体的材质及大小；材质分为金属、非金属；

（2）确定检测距离，与传感器安装位置有关；

（3）屏蔽or非屏蔽；齐平安装or非齐平安装；

（4）输出形式，PNP/NPN；与PLC有关，欧洲地区以PNP为主，比如Siemens，亚洲地区以NPN为主，比如OMRON；

（5）接线方式，导向引出式/接插件式；接插件形式更利用维护跟换；

（6）2线/3线（2线是的漏电流经过负载，可能会引起误动作）

机械工程师选型主要关键词：感应距离、屏蔽/非屏蔽、PNP/NPN

2、接近传感器应用案例

（1）M8屏蔽型接近传感器应用

图1.1接近传感器检测工装是否在位

M8传感器在工装中可用于判断物体是否存在（产品是否存在，动作是否到位等）。由于工装的紧凑化设计，个人更倾向于使用M8，屏蔽型接近传感器，且为了后期维护，个人推荐使用接插件形式。

（2）M12非屏蔽型接近传感器应用

图1.2接近传感器检测托盘是否到位

M12接近传感器由于感应距离稍大于M8，因此在一些设备有振动的部位，使用M12接近传感器，信号将更稳定。个人倾向于在空间充裕的环境使用M12接近传感器，比如输送线中，托盘的到位信号。此处除了M12的比M8信号稳定外，价格也是考虑的一个方面，M12相对于M8更便宜。因此，输送线中使用M12接近传感器的性价比更高。

光电传感器的选型及应用

1、光电传感器选型依据

（1）确定感应距离；光电传感器具有检测距离长的特点；

（2）确定工作类型：对射型光电传感器、反射型光电传感器、回归反射型光电传感器；

（3）被检测物体感应截面与光电传感器稳定工作状态时的光斑大小对比；

（4）输出形式，PNP/NPN；与PLC有关，欧洲地区以PNP为主，比如Siemens，亚洲地区以NPN为主，比如OMRON；

（5）接线方式，导向引出式/接插件式；接插件形式更利用维护跟换；

（6）其他：工作环境（是否需要防油防尘等）

机械工程师选型主要关键词：感应距离、工作类型、光斑大小、PNP/NPN。

2、光电传感器应用案例

（1）光电传感器在工装中的应用

图1.3反射光电传感器检测产品是否在位

对比接近传感器，光电传感器具有感应距离远，便于调整感应距离，可实现非接触式检测等特点。因此在一些场景，光电传感器也经常被用于远距离检测物体是否存在。当多个传感器密集排列时，需要注意传感器间的干扰。解决相互干扰的办法大致有以下几种：

使用具有抗干扰功能的光电传感器；
安装时将传感器隔开一定距离；一般为动作区域范围的1.5倍以上；
对射光电错位安装，最多两对（传感器A发射端并传感器B接收端------传感器A接收端并传感器B发射端）；
对射光电成发射端和接收端一定角度安装；
调低灵敏度

（2）光电传感器在输送线中的应用

图1.4对射光电传感器检测产品是否在位

对射型光电传感器在输送线中，常用来检测产品是否存在。对比反射型光电传感器，其感应距离更远，受被检测物表面光洁度影响较小，因此更多的应用于输送线检测产品是否在位。

光纤传感器的选型及应用

1、光纤传感器选型依据

（1）确定感应距离；需要配合放大器使用；

（2）工作类型：对射型光纤传感器、反射型光纤传感器、区域型光纤传感器；

（3）被检侧物体感应截面与光电传感器稳定工作状态时的光斑大小对比；光纤传感器具有检测光斑小的特点；

（4）输出形式，PNP/NPN；与PLC有关，欧洲地区以PNP为主，比如Siemens，亚洲地区以NPN为主，比如OMRON；

机械工程师选型主要关键词：感应距离、工作类型、光斑大小、PNP/NPN。

2、光纤传感器应用案例

（1）光纤传感器在工装中的应用

图1.5光纤传感器检测O圈是否在位

光纤传感器的功能与光电传感器有些类似，均可远距离检测物体是否存在。不同的是，光纤传感器的体型较光电传感器小，且光斑直径也比光电传感器的光斑小很多。此外，光纤传感器由光纤及光纤放大器组成，这使得它能适应更恶劣的环境，比如油污环、高温等。

（2）光纤传感器用于防错技术

图1.6光纤传感器检测产品弹簧（线径0.5）在位

人工装配过程中，经常会遇到以下细小的零件。这些零件各个小，遇到工作环境光线不佳，操作者视力不佳等情况，装配效率及合格率都会受到影响。因此，为了提高装配效率及合格率，在装配过程中使用光纤传感器来监控产品有无，无疑是一个比较优秀的方案。同样，如图示中多个对射型光纤传感器的安装，同样也需要考虑传感器件的信号干扰问题。解决办法可参看光电传感器。

以上，因文章作者本人纯机械出身，如有不妥之处仍望批评指正，定当自勉。如果您觉得本文对您日后的选型有所帮助，也别忘了在文章最后的下方点个赞哦！

川哥宣：我们做技术人，让更多的人能学到专业知识才是目的，让更多人了解技术的重要性才是根本。无论哪行的技术人，我们要互相理解与包容，要互相学习而分享，无论什么方式，什么方法，让更多人进步，让中国智造更强，行业好了，我们一起才是真的好，你说呢？工业4.0的时代，是我们自动化技术人的时代，也因你而精彩，我就是川哥，与你同行！

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