隨著智能制造技術的不斷提升，作為整個工業的核心電機技術來講，也迎來了新機遇。但是我們應當清晰的認識到，目前我國電機行業仍存在著諸多不足，具體而言，包括智能化力度不夠、品質參差不齊、維修維護成本過高等。

大部分電機廠商都有意愿升級改造自己的產品，使之具有更多的差異化。如今，隨著傳感器價格的不斷下降，設計也變得更為簡單，業界開始越來越多地探討如何給更多電機加入傳感器，使其具有更多智能化因素，以滿足行業差異化需求。

本篇文章以幾種常見的傳感器為例，探討該如何利用小小的傳感器為電機行業帶來新的變革。

電機編碼傳感器介紹

電機編碼傳感器是用來測量磁極位置和伺服電機轉角及轉速的一種傳感器，主要包括非接觸式和接觸式兩種類型。其中接觸式傳感器由于電機運行過程中的機械軸振動而容易造成失效，如今已逐步被非接觸式所替代。

對于非接觸式傳感來說，又可以利用光和磁兩種方式。

光電式編碼器：光電式編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出。

然而光編由于其特性，并不適合在惡劣環境下工作，易受灰塵等外部環境的影響，使用壽命有限。

磁傳感器則可更有效率地避免外部環境干擾。

磁和光一樣，都是具有悠久歷史的學科，不過直到近代，電和磁的認知相結合后，才有了進一步發展。當然我們也清楚，電機的運轉就是電磁學的具體體現。

目前，無刷直流電機應用中多數會采用了霍爾傳感器作為主要的傳感器。

霍爾傳感器與霍爾效應

霍爾效應是在1879年被物理學家霍爾發現，它定義了磁場和感應電壓之間的關系，這種效應和傳統的電磁感應完全不同。當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的作用力，從而在垂直于導體與磁感線的兩個方向上產生電勢差。根據霍爾效應做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉變為數字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關的功能。

磁阻效應與磁阻傳感器

霍爾傳感器本身容易受應力和溫度影響、響應頻率低以及功耗大的缺點，同時精度一般都在5°至10°之間。為了實現更平滑、更高效的電機響應，減少扭矩波動，需要更精確的電機角度信息，這時就需要更為精確的磁阻傳感器。

磁阻效應發現時間為1857 年，比霍爾效應發現時間還早，是由Lord Kelvin 所發現，他將一個鐵塊放在磁場中，注意到鐵塊的電阻發生了微弱變化，由此發現了磁阻效應。

雖然磁阻效應發現較早，但技術依然年輕，只在近期得到了商業化。100 多年后的 1971 年，才由 Hunt 第一次提出了磁阻 (MR) 傳感器的概念。又經過 20 年，到了 1991 年，IBM 公司在硬盤驅動器中引入了第一個 MR 頭，使用一條磁阻材料來檢測位數。此前，MR 傳感器只是用于要求不高的價格標簽和標記閱讀器（只讀）及磁帶應用中（1985 年）。

磁阻傳感器的基本結構由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經電阻。當施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。

磁阻傳感器可以在硅片上大量生產，并封裝成商用集成電路形式，這使得其可以和其他電路及系統元件組合在一起。

磁阻傳感器除了電機應用之外，還可以應用在各種位置、距離、開關等應用中。

TE的磁阻傳感器介紹

作為傳感器主要供應商之一的TE Connectivity，供應多種磁阻傳感器，其中包括低磁場傳感器, 磁性開關傳感器, 磁性角度傳感器, 磁性線性位移傳感器，非接觸式旋轉和線性編碼器等。

TE擁有自己的晶圓廠，可批量制造標準的磁阻傳感器元件，此外憑借著TE多年來在機械及電路結構上的優勢，還可以為客戶定制傳感器模塊。

TE的磁阻傳感器究竟有哪些好處？我們可以通過其最新推出的KMT32B磁阻傳感器的特性一探究竟。

該產品具有高精度和高分辨率（典型值0.05°，最大0.2°）；低功耗（典型工作電壓?5V，典型平均電流1.6mA）；同時提供SO8, TDFN兩種封裝，方便客戶進行表面貼裝；支持-40℃至150℃的工作環境，滿足各類嚴苛要求；符合AEC-Q100車規認證；具有自我故障診斷等智能功能；高性能模擬輸出，支持后端高性能處理等優勢。

正是因為TE產品在品質和性能上具有優勢，因此可應用在諸如工業機械、醫療及機器人等高精尖的嚴苛場景，極大豐富了磁阻傳感器的使用范圍。

溫度傳感器及其應用

作為密閉空間，電機中必須使用溫度傳感器，以監測電機溫度，避免溫升過高從而對電機造成破壞。

溫度傳感器的種類非常豐富，最主要的就是滿足不同應用場合需求，為此，TE提供了包括NTC熱敏電阻、熱電偶、鉑電阻溫度傳感器、熱電堆和數字傳感器等多種高精度、小尺寸、高絕緣耐壓性的溫度傳感器。

TE指出在選擇要使用的傳感技術類型時，不應將傳感器元件的成本作為主要考慮因素。每種類型（NTC、RTD、熱電偶或半導體）都有其優點和缺點。在每種技術中，與精確度、穩定性、溫度范圍和環境阻力等傳感器特征相關的成本范圍很廣。

TE認為溫度傳感器設計參與的最佳時機是在產品概念期間。溫度傳感器設計的一個有趣特性是它跨多個工程領域，電氣工程師通常參與指定傳感器的電氣特性以及與電氣系統的接口。機械工程師通常負責熱模擬以及將傳感器物理集成到設備設計中。設計時是由機械工程師還是電氣工程師參與，各公司情況不同。除非公司規模較大，否則通常不會有來自兩個領域的工程師同時參與。TE的設計工程團隊涵蓋了這兩個領域，為客戶提供跨整個系統設計的全面支持。

TE建議溫度傳感器設計要趁早。根據TE官方提供的一個案例，多年前公司與大型計算機制造商合作時，溫度探頭被納入制造商的設計中。探頭設計由制造商提供，該應用要求兩個熱敏電阻暴露在塑料管末端，盡管TE提供了符合制造商規格的熱敏電阻，但是在產品發布過程中發現探頭存在設計問題。暴露的熱敏電阻受到損壞。此熱敏電阻設計問題阻礙了數十億美元產品的發布。為此，TE和客戶進行溝通，才知道客戶并沒有提出將探頭放在保護套內之類的要求，實際上如果TE提前了解產品的設計和應用限制，就可以設計出更合適的溫度傳感器。

振動傳感器與預測性維護

預測性維護是對固定資產投入最好的保障，通過將狀態監測與故障模式的動態預測模型相結合，可以最大限度地保護機器壽命并降低生產力影響，而不必進行停機維修或檢查，從而減少維護時間和成本。

對于預測性維護來說，最復雜的就是通過測量到的聲音、溫度及振動物理量進行分析，而對于電機這類運動設備，振動是其最基礎的狀態參數。

一切分析的前提是所有數據都是準確可靠的，并且噪音越小越好，只有這樣才能保證后期的分析高效且準確，這就給傳感器提出了更多要求。對于工業狀態監測和預見性維護應用，以下振動規范參數對于確保長期、可靠、穩定和準確的性能至關重要。其中包括：寬頻率響應、測量分辨率和動態范圍、長期穩定性，偏移最小、工作溫度范圍、包裝選項，易于安裝、傳感器輸出選項等。

過去，加速度傳感器主要用于重型高端機械，例如風車、工業泵、壓縮機和暖通空調系統。隨著自動化程度的提高，對大批量、更小型系統（例如需要更好的預見性維護的機床主軸、傳送帶、分揀臺或機床）的需求不斷增加。在客戶體驗和盈利能力方面，這些應用中的機器停工期是一個關鍵考慮因素。在數字化工業轉型的推動下，我們看到對大批量和更小型機械的傳感器需求日益增長。

一般來說，振動傳感器根據原理不同分為壓電振動傳感器和可變電容振動傳感器（MEMS傳感器），二者的關鍵參數比對如下圖。

為了一探傳感器的性能指標，TE進行了一次嚴苛測評，分別選取了三個壓電振動傳感器和三個MEMS傳感器。

實際結果說明，在寬頻率響應測試下，MEMS傳感器的可用帶寬為 3KHz，而壓電傳感器具有一個大于 10KHz 的可用帶寬。而對于分辨率來說，PE傳感器的分辨率約高出MEMS傳感器 9 倍，更高的分辨率帶來更好的動態范圍，使最終用戶能夠在更早的階段檢測潛在的問題。

在長期信號穩定性方面，長期漂移參數也將取決于所用的晶體配方，因此難以呈現實際值。石英材料的PE加速度計具有最佳的長期穩定性，但受產量和成本限制，極少用于狀態監測中。PZT (鋯鈦酸鉛-鋯酸鹽) 晶體是 PE 加速度計中最常用的晶體，并且正日益成為大多數應用的理想晶體選擇。對于MEMS來說，雖然體硅微加工 MEMS 傳感器具有最佳的長期漂移，但其成本也明顯更為昂貴，因此通常只用于慣性應用中。針對狀態監測，MEMS供應商提供了一種表面微加工 VC MEMS 傳感器，這類傳感器的成本雖然要便宜得多，但最終用戶將無法獲得較好的測量分辨率和長期穩定性。表面微加工設計的 MEMS 結構不如體硅微加工的 MEMS 傳感器穩定。

這兩種技術各有優劣，具體取決于最終應用。在工業狀態監測和預測性維護應用中，壓電傳感器是顯而易見的選擇，由于其成熟的技術，它們可長期穩定地保持可靠性。憑借其寬頻率響應，嵌入式 PE 加速度計是從低速到高速機械的理想選擇，它們還可為早期故障檢測提供更好的信號分辨率。

速度傳感器

對于速度傳感器來說，同樣有多種分類，TE 開發了6 個技術平臺：基于有源渦電流、無源渦電流、霍爾效應或可變磁阻原理以及轉速計和診斷系統的速度傳感器，以適用于不同應用。

TE的速度傳感器具有多項特性，其中包括：

豐富的產品組合

針對以下項的標準或定制執行：汽車和商用車輛渦輪增壓器、大型柴油和汽油發動機、鐵路、發電、液力、危險區域、航空航天以及各種工業應用

設計面向廣泛溫度范圍：-40°C 到 300°C（峰值）

一個外殼中有多個通道，例如可用于獨立監控、控制系統和冗余穩固可靠的電氣設計，可承受 EMC 和 EMI 干擾

具有溫度和傳感器診斷功能的可配置智能電子元件

設計適合鐵磁目標物以及鋁質和鈦質等低導性目標物

可定制外殼采用鐵質、重疊注塑熱固材料和熱塑性材料

可定制光纜組件和連接器類型

總結：

從盤點電機傳感器種類上，我們清晰地看到，根據應用和技術分類不同，就有如此豐富多彩的傳感器組合，這當然給客戶帶來了靈活性的選擇時，同時也給客戶選型帶來了一些困難。

為此，TE建議在設計初級階段就應進行傳感器的設計選型，從性能、價格、使用途徑、尺寸、溫度特性、可擴展性等多方面進行探討，當然也可以提前聯系諸如TE這樣類型的電機傳感器領域專家，從而讓電機傳感器設計更加簡單，產品更加智能化，重要的是量產實施也會更加順暢。