如何为恶劣的环境下选择恰当的传感器

假如你是灌注机新生产线的设计者。经常用清洁剂或杀菌剂彻底清洗要求你在保证性能的前提下，实现材料和设备能满足这些条件。你是一家汽车制造商的工程师。焊枪附近的传感器在每台机器每周清洗一次的频率下失效。你的工作是找出一种使之一直正常运行的方法。在两个案例中，管理人员要求工程师在满足这些苛刻环境下为系统选择恰当的元件，从而实现最少的停机时间和最少的维护。涉及水、化学品、极端温度、压力、射频干扰/电磁干扰、焊接、火、爆炸的苛刻环境，对在这些过程中使用的设备是一个难题。通过采用为这些应用专门设计的传感器，能实现更少的停机时间和更少的维护。在这些应用中混合使用专业传感器经常延长更换和提供替代品的时间。因此你怎样选择恰当的传感器？

彻底清洗应用

潮湿工业环境，在食品和饮料行业比较常见，例如牛奶厂、酿酒厂、冰冻食品、包装和填充应用，为在这些应用中运行的设备提供不利条件。经常用水、泡沫、清洁剂/杀菌剂的彻底清洗使设备满足由食品和药物管理局和其他机构设置的卫生规章制度。

在这些环境中，传感器用于运输小车、装瓶和罐头生产线、包装和填充功能以及其他机器。为抵抗这些潮湿导致的苛刻环境，传感器在保证所有技术指标情况下被设计成防水和防蒸汽。通过集成设计特点到传感器的前盖、插入式连接器、一体化耐用封装材料（例如316不锈钢）来设计传感器。

不同的制造商采用不同的方法阻止从传感器的前盖通过，一些制造商采用塑料或LCP罩；另一些制造商通过插入一个O型环修改罩的内部。制造商也用不同的材料封装这些传感器以及修改插入式连接器来帮助阻止潮湿入侵。这些方法确保传感器为彻底清洗能力而设计，从而抵抗高压、腐蚀性的清洁剂、急剧温度变化。因为这些传感器能在这些环境中正常工作，它们被评为IP68和IP69K（环境保护等级）。传感器也被设计在淹没应用中，例如石油钻井平台、海上钻井平台、堤防、轮船、污水槽。这些传感器能在油、水或海（盐）水的介质下侵入一定深度的情况下正常工作。通常这些传感器用聚丙烯封装从而抵抗液体的入侵，并防止冲击、震动、腐蚀性的化学品。

极端温度应用

在火炉、冷藏箱、面包烤箱、硫化、半导体、玻璃厂和钢厂的应用经常需要极端温度。许多传感器能适应一定温度范围，但是一些传感器更适用于极低或极高的环境；一些传感器有更宽的量程从而它能承受极端的温度。

在选择传感器使用前，因为不同材料适应环境不同，因此考虑传感器安装位置的温度非常重要。塑料、不锈钢、，聚四氟乙烯、铬铜合金以及其他材料用于封装这些传感器。制造商也用专用封装材料来封装外壳、前盖、插入式连接器，这些材料专门设计用于抵抗存在极端温度的环境。记住：一些材料更适用于低温——低至-40℃，而其他传感器更适用于高温——高达160℃。

靠电池运行的移动设备

在移动设备中使用甩负荷传感器对多种电子和机械组件来说是另一种选择，这些组件测量机器部件的位置。传感器的可靠性和少的维护也使它们取代机械开关是可取的。在重载和卸载应用中，开关设备，例如继电器、交流发电机开关或用于负载转换的电池，能导致持续5秒高达600V的放电。当一些设备供电时，使用12或24V电池系统的移动车辆，例如军事车辆、起重机、农业机械容易受到瞬间放电产生电火花的影响。当电气设备开或关时，这个讨厌的电气反馈是由电容、电感或射频能量放电引起的。

传统的感性传感器测量机器组件的位置，例如铲车上的叉形抓爪或反铲挖土机的承力外伸支架，然而它们容易受到放电的影响。这些放电能导致常规接近传感器暂时失灵或永久损坏。电源线上的电气放电对甩负荷传感器不起作用，因此它被开发用于减少停机时间、生产延误以及超支。固态甩负荷传感器能用于承受高的过载开关能量，比继电器持续的时间长，更容易解决问题以及更换。这些传感器内嵌保护电路，在非常苛刻的应用中，能增加它们良好的几率。

甩负荷传感器不仅设计用于承受电火花，而且当仍完成传统非接触固态电感传感器的功能时，在极端燥声的环境下仍能工作。燥声对这些传感器不起作用，它们持续工作，好象这里没有干扰一样：不能简单的使用一个标准的电感传感器或机械开关。

高射频干扰/电磁干扰环境

在工厂车间，射频燥声是由变频器、步进电机、高能通讯设备，例如AM/FM无线电、双向无线电、寻呼机、一些蜂窝电话引起的。从这些设备中发射的能量/频率能导致传感器不管现在目标而错误输出。

射频燥声是由上述设备电源开/关信号产生，并通过空气耦合到附近传感器的电子电路。它能通过在燥声发射设备的板上滤波器抑制，或设计传感器能承受一定级别的燥声从而使运行不受影响。国际电工委员会（IEC）的60947-5-2标准是在接近开关上承受辐射能力是3V/ m［伏/米］或超过80 MHz 到1000 MHz的频率范围。另外，进行测试是为了测量一个电子产品承受射频燥声的能力，和IEC 61000-4-3一致，1 V/m、3V/m、10V/m。或着把传感器上的干扰移除，或着保持非常低的干扰——典型距离不超过半英寸，每个都非常重要。开发成能承受这种燥声的传感器已集成专用内部电路、板上滤波器、屏蔽，以及在一些情况下，集成稳压二极管，它能钳位电压从而降低射频燥声危害的程度。传感器制造商持续努力使燥声影响到最低限度。对这些发射源进行开发越来越困难，这种开发是在更大量程范围内，用更大功率更接近信号。

冲压应用

非接触式接近开关用于工业金属成型中的冲压和冲模应用中，例如，在汽车模具应用中。这些传感器用于测量一些量，包括位置（进给过多和进给过少）、零件脱模、孔定位和镶嵌。传感器校验过程，并降低损坏模具的可能。

传感器直接安装在模具上从而决定零件位置和放置。在这些应用中，在冲模和弯曲阶段，一些传感器是独立的。模具内的传感器也用于双冲击、定位以及零件脱模。机械手使用的环境，也是用接近开关在其他设备之间移动大零件、把零件焊接到一起或保持零件原位。在这些应用中，一路传感器通过安装在手臂汽缸的附近放置的传感器来测量活塞的运动，在汽缸对应的角度，钳口或钳子打开。这种方法能被配置从而允许钳子开到与零件对应的精确的位置。这种方法的缺陷是钳子不能判断实际的零件是否在钳子里，或这个零件是否移动到恰当位置。制造商在钳位应用中使用的另一个测量方法是探测零件的位置和/或零件是否在钳口里。这种方法是在钳口的槽里放置一个传感器。通过这样做，传感器能检测零件是否真的在钳口里，钳口是否在正确的位置，或零件被移动到恰当的位置。

焊接领域

在汽车工业中，焊接用于熔合车体的零件，传感器用于检测汽车金属零件放置的位置，从而确保在焊接前恰当的放置零件。一个自动（机器人）焊接臂运动到正确位置，在车辆周围焊接多个点。这导致传感器在接近焊接火花时经历了不同程度的暴露的影响。传感器在涉及依靠焊接量的速率情况下失效，以及根据焊接指令（速度、角度、焊接火花的距离）定位的地方失效。

传感器受到焊接产生的条件的影响，强大的电磁场导致标准接近开关不能触发或跟踪。焊接火花或火星累积到传感器上或熔化封装材料，以致形成“麻点”。这些地方很容易再受到焊接火花或火星的影响。一些制造商通过使用不同材料（例如聚四氟乙烯）制成前盖解决这个问题。一些制造商使用不同的材料封装，例如聚四氟乙烯或铜。一些制造商使用专门抵抗焊接的特殊材料用于封装和前盖。当封装不能完全密封以防止熔渣/火花，以及不能完全抵抗电磁场的干扰时，确保前盖（测量面）有抵抗焊接区、熔渣、火花的测量能力。这是因为传感器的测量面经常直接暴露在焊接火花下，熔渣和火星会依附在传感器的表面，而不是有更少累积可能地滑到一边。工作在焊接环境下的传感器也把技术集成到它们的设计里，从而使传感器能抵抗更强的电磁场。在PCB板上使用分离的独立发送和接收线圈并删除铁心的一类传感器根本不受磁场干扰，这种干扰常发生在电气焊接、起重机、电炉中。没有铁心也允许一类传感器运行在更高的开关频率下。对用户来说，在这种环境下，通过简单地更换传感器来处理传感器故障很常见。一些用户通过使用工具（螺丝刀）铲下溶渣来修理传感器。这种方式下修理的传感器能工作一段时间，但是在更少的弧光灼伤作用下，故障会再次发生，直到放弃使用。不建议采取这种方式修理传感器，当损坏面时会导致传感器故障。用户不需要接受这种困境，研究发现：高端传感器能抵抗高达20000-30000次的焊接火花。当为焊接环境选择一个传感器时，记住根据传感器安放的位置，也会受到人为的损伤或机械损伤。在这种情况下，用户需要比聚四氟乙烯或铜更具保护性的封装。制造商用保护套安装这些传感器阻止两边和前部受影响。一些制造商在封装传感器之前把安装面板集成到传感器，使传感器成为一块，实际上密封防止来自两边的物理损坏和来自前部的损坏（当采用专用防焊接前罩或涂层时）。

电缆

焊接环境也为电缆产生了一些问题。很象传感器，电缆受到焊接熔渣的损坏。到传感器的连接器也被焊接熔渣熔化。保护套管能用在电缆以及其他能抵抗高温和熔化的应用上，焊接熔渣累积在保护套管上，而不是累积到电缆外壳上，从而保持连接器和电缆的完整。这种套管是由编织玻璃丝制造，用于高温环境，虽然在低温环境下工作的也好。

带PVC护套的电缆最适于长期暴露在彻底清洗化学品的环境中，例如氯化钠、硫酸，硫酸，能导致用其他材料（例如PUR）制造的电缆变脆。这些化学品对PVC不起作用，316不锈钢连接螺母极好地适应这些环境。也有为另一种方法设计的电缆，通过电缆槽布线，直接埋在地下和电缆桥架布线。铝护套和PVC电缆外壳阻止化学品、切削、磨损等，也能连接屏蔽到螺母。当用在危险或安全场合时，使用凯装ITC电缆能提供重要的好处，因为没有要求进一步的机械保护。这种凯装金属电缆自接地，被视为开放接线，特别适用于NEC允许的危险场合。能抵抗它们安装的环境条件的集成组件是确保连续运行的相关步骤。在长期的运行中，花时间调查哪种传感器和相应的组件能最好适用于特殊的环境条件，能节省时间和金钱，以及使解决故障和维护简单。
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