在工業 4.0 的架構中，如果 PLC 是大腦、通訊網路是神經，那麼 感測器（Sensor） 就是系統的「感官」。沒有精準的感測器，數據採集（Data Acquisition）便無從談起，智慧製造中的自我診斷與預測性維護也將成為空中樓閣。

本文將深入探討工業現場最核心的感測技術，解析其物理特性、選型痛點及數位化轉型下的應用趨勢。

一、 近接開關（Proximity Switch）：自動化的第一道防線

近接開關屬於「非接觸式」位置偵測元件，其核心價值在於無需與物體摩擦即可判定位置，大幅提升了機械壽命。

1. 電感式感測器（Inductive Sensors）：金屬獵人

• 物理原理： 利用高頻振盪器在感應面產生交變磁場。當金屬目標靠近時，金屬表面會產生「渦流（Eddy Current）」，導致振盪電路能量衰減。

• 深度選型考量： * 修正係數（Correction Factor）： 偵測距離通常以鐵（Fe）為標準。若偵測鋁、銅或不鏽鋼，感應距離會大幅衰減（如鋁可能縮減至原距離的 30%）。

  • 屏蔽（Shielded）與非屏蔽（Non-shielded）： 屏蔽型可埋入金屬安裝而不受側面干擾；非屏蔽型感應距離較長，但需與周圍金屬保持安全間距。

2. 電容式感測器（Capacitive Sensors）：萬能偵測

• 物理原理： 將感應頭視為電容器的一個極板。當物體（液體、塑膠、木材）靠近時，介電常數改變，導致電容量增加，進而觸發輸出。

• 深度應用： 常用於「非金屬桶槽」內的液位監控，或隔著包裝盒偵測內部是否有內容物。

二、 光電感測器（Photoelectric Sensor）：精準的遠距之眼

光電感測器利用光的物理特性（反射、遮斷、折射）進行偵測，是目前自動化產線上應用範圍最廣、種類最繁雜的元件。

1. 偵測模式的技術權衡

• 對射型（Through-beam）： 發射與接收端分開。其光束能量最強，抗粉塵、抗干擾能力最優，適合惡劣環境及超長距離偵測。

• 反射板型（Retro-reflective）： 利用專用反光板。優點是單邊配線，但對於「透明物體（如玻璃瓶）」需要選用具備偏光濾鏡（Polarizing Filter）的特殊型號。

• 背景抑制型（BGS, Background Suppression）： 利用三角測量原理。它能精確鎖定某個距離區間內的物體，無論物體顏色深淺，只要超過設定距離即不觸發，有效解決傳送帶背景干擾問題。

2. 光源的選擇：紅光 vs. 紅外光 vs. 雷射

• 紅光： 肉眼可見，調校方便。

• 紅外光： 穿透力強，適用於汙濁環境。

• 雷射（Laser）： 光斑極小（微米級），適合偵測微小零件或進行高精度間隙測量。

三、 類比量感測器：從「有無」到「量化」的飛躍

工業 4.0 強調數據的細膩度。僅知道開關狀態是不夠的，我們需要掌握具體的數值。

1. 壓力與位移感測

• 壓力傳送器（Pressure Transmitter）： 透過應變計（Strain Gauge）感應膜片變形。在智慧液壓系統中，透過實時壓力監測可預測泵浦的磨損狀況。

• 超音波感測器： 利用聲波回傳時間（Time of Flight）測量距離。適合偵測液位或透明膜卷的直徑，但需注意環境噪音及風速對聲波的干擾。

2. 訊號傳輸的深度學問

• 電壓訊號（0-10V）： 容易受到長距離線路電阻產生的壓降影響，且抗電磁干擾能力弱。

• 電流訊號（4-20mA）： 目前工業標準。4mA 代表零點（Offset），若斷線則顯示 0mA，具備自我診斷功能，且電流訊號抗雜訊能力極強。

四、 選型指南：如何為智慧設備選擇正確的感測器？

在實務中，感測器的損壞往往不是因為品質不好，而是因為「選型錯誤」。

五、 未來趨勢：IO-Link 時代的來臨

在工業 4.0 浪潮下，傳統感測器正演變為「智慧感測器」。IO-Link 技術 是目前的發展重點：

• 參數下載： 換線生產時，PLC 可直接將設定值寫入感測器，無需手動調整旋鈕。

• 預測性維護： 感測器能回報「我快髒了」或「我收到的光強度在下降」，在停機發生前提醒保養。

• 數位通訊： 將類比訊號數位化，徹底解決電磁雜訊導致的數值跳動問題。

結論

感測器不只是電路的開關，它是智慧製造的基礎數據來源。深入理解物理原理並針對環境特性進行精準選型，能顯著降低設備的誤動作率。對於工程師而言，掌握感測器從類比訊號到 IO-Link 數位化的轉型，將是從傳統自動化邁向智慧工廠的必經之路。
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