Senzorji so temeljni izdelki v industriji izdelave elektronske informacijske opreme in predstavljajo specializirane komponente med novimi elektronskimi komponentami, ki so prioritetne za razvoj. Industrija senzorjev, splošno priznana doma in v tujini kot obetaven visoko-tehnološki sektor, pritegne svetovno pozornost zaradi svoje visoke tehnološke vsebine, močnih gospodarskih donosov, obsežnega prodora na trg in širokih tržnih obetov. Kitajski senzorski sektor, ki ga poganja cvetoči trg elektronske informacijske industrije, je postavil trdne industrijske temelje. Pomemben napredek je bil dosežen na področju tehnoloških inovacij, neodvisnih raziskav in razvoja, komercializacije dosežkov in konkurenčnih zmogljivosti, kar je bistveno prispevalo k nacionalnemu gospodarskemu razvoju.
S prihodom informacijske dobe so senzorji postali primarno sredstvo za pridobivanje informacij iz naravnih in industrijskih področij. V sodobni industrijski proizvodnji-zlasti avtomatizirani procesi-različni senzorji spremljajo in nadzorujejo ključne parametre za vzdrževanje opreme v optimalnih delovnih pogojih in zagotavljanje kakovosti izdelkov. Senzorji imajo še vidnejši položaj v temeljnih znanstvenih raziskavah.
Danes so senzorji preželi zelo širok spekter področij, vključno z industrijsko proizvodnjo, raziskovanjem vesolja, oceanografijo, varstvom okolja, raziskovanjem virov, medicinsko diagnostiko, bioinženiringom in celo ohranjanjem kulturnih relikvij. Očitno je ključna vloga senzorske tehnologije v gospodarskem razvoju in družbenem napredku nesporna. Statistični podatki kažejo, da naj bi letni prihodek svetovnega trga pametnih senzorjev rasel po stopnji 10 % na leto. Trenutno je po vsem svetu nameščenih 65 milijonov senzorskih naprav s procesorji, številka pa naj bi do leta 2019 dosegla 2,8 bilijona.
Ključni pomisleki pri izbiri senzorja
Senzorsko znanje predstavlja pomembno vejo elektrotehnike, ki zahteva obvladovanje bogatih izkušenj. To bomo podrobneje raziskali v prihodnjih razpravah. Danes se osredotočamo predvsem na kriterije izbire.
1. Določite vrsto na podlagi merilnega predmeta in izhodnih zahtev
Za izvedbo posebne merilne naloge je najprej treba izbrati ustrezen senzorski princip. Ta odločitev zahteva analizo več dejavnikov. Na primer, merilniki pretoka vključujejo elektromagnetne, vrtinčne in ultrazvočne vrste. Izbira ustreznega merilnika pretoka zahteva ciljanje na posebne cilje. Poleg tega upoštevajte zahtevani izhodni način-, kot so 2-žilni ali 4-žilni tokovni signali (0–20 mA, 4–20 mA), napetostni signali 0–10 V ali komunikacijski protokoli.
2. Izbira na podlagi občutljivosti
Običajno je znotraj linearnega območja senzorja prednostna večja občutljivost. Samo z visoko občutljivostjo izhodni signal bistveno ustreza spremembam izmerjene količine, kar olajša obdelavo signala. Vendar upoštevajte, da je zaradi visoke občutljivosti senzor tudi dovzeten za zunanji šum, ki ni povezan z izmerjeno količino. Ta hrup lahko sistem poveča, kar ogrozi natančnost meritev. Zato mora sam senzor imeti visoko razmerje-in-šumom, da se zmanjšajo motnje zunanjih virov.
Občutljivost senzorja je usmerjena. Pri merjenju enosmernega vektorja z visokimi smernimi zahtevami izberite senzor z nizko občutljivostjo v drugih smereh. Za večdimenzionalne vektorje zmanjšajte navzkrižno-občutljivost senzorja.
3. Vrednotenje karakteristik frekvenčnega odziva
Frekvenčni odziv senzorja določa merljivo frekvenčno območje, ki mora ostati-brez popačenj v dovoljenih mejah. V praksi ima odziv senzorja vedno določeno zakasnitev, ki je v idealnem primeru čim manjša. Višji frekvenčni odziv omogoča širše merljive frekvence signala. Pri dinamičnih meritvah morajo biti karakteristike odziva usklajene z lastnostmi signala (stacionarno-stanje, prehodnost, naključnost itd.), da se preprečijo čezmerne napake.
4. Na podlagi stabilnosti senzorja
Sposobnost senzorja, da vzdržuje dosledno delovanje skozi čas, se imenuje stabilnost. Dejavniki, ki vplivajo-na dolgoročno stabilnost, ne vključujejo le notranje zgradbe senzorja, ampak predvsem njegovo delovno okolje. Da bi zagotovili dobro stabilnost, morajo imeti senzorji močno okoljsko prilagodljivost. Preden izberete senzor, raziščite predvideno delovno okolje. Izberite ustrezen senzor na podlagi posebnih pogojev ali izvedite ukrepe za zmanjšanje vpliva na okolje.
5. Domet in natančnost: najzahtevnejši par za ravnotežje
Natančnost je kritična metrika delovanja senzorjev, ki služi kot bistvena povezava pri določanju splošne natančnosti merjenja sistema. Vendar pa je natančnost senzorja omejena z njegovim obsegom: na splošno večji obseg povzroči manjšo natančnost. Nasprotno pa visoko{2}}natančni senzorji pogosto nimajo zadostnega dosega, zaradi česar so visoko{3}}natančni in veliki-senzorji pregrešno dragi. Zato je pri izbiri senzorjev potreben uravnotežen pristop.
Pri izbiri senzorjev za vzorčenje se prepričajte, da naprava izpolnjuje osnovne pogoje delovanja aplikacije (glejte podatkovne liste proizvajalca).
Šest najbolj kritičnih pogojev delovanja vključuje:
1) temperaturno območje;
2) Specifikacije;
3) Stopnja zaščite;
4) Območje napetosti;
5) diskretni ali analogni izhod;
6) Variacije parametrov, še posebej, ali so "nastavljivi parametri koristni."
Ko razmišljate o senzorjih z zmožnostjo konfiguracije IO-Link, je treba upoštevati šest dodatnih dejavnikov:
1) Hitrost odziva;
2) Obseg zaznavanja;
3) ponovljivost;
4) električna povezljivost;
5) Vrsta namestitve;
6) Vizualni prikaz: Ali aplikacija zahteva vizualni indikator na senzorju.
V sodobni industrijski proizvodnji, zlasti v avtomatiziranih procesih, različni senzorji spremljajo in nadzorujejo parametre celotne proizvodnje. To zagotavlja, da oprema deluje normalno ali optimalno, hkrati pa dosega najvišjo kakovost izdelka. Brez široke palete visokokakovostnih-senzorjev torej sodobna proizvodnja ne bi imela temeljev. V nadaljevanju so opisane nekatere najpogostejše vrste senzorjev v proizvodnji, skupaj z nasveti in vpogledi v uporabo.
Najpogostejše vrste senzorjev
Senzorji bližine
Senzorji bližine zaznajo prisotnost predmetov v bližini brez fizičnega stika. Ti senzorji so diskretne izhodne naprave. Običajno magnetni senzorji bližine zaznajo, ali je aktuator dosegel določen položaj, tako da zaznajo magnet, ki se nahaja v aktuatorju.
Nakup aktuatorja pri enem podjetju in magnetnega senzorja bližine pri drugem na splošno ni priporočljiv. Čeprav lahko proizvajalci senzorjev trdijo, da so združljivi z aktuatorji X, Y in Z, lahko razlike v magnetih in položajih vgradnje povzročijo težave z zaznavanjem. Na primer, senzor se lahko aktivira, ko je magnet napačno poravnan ali se popolnoma ne aktivira. Če proizvajalec aktuatorja ponuja ustrezen senzor bližine, bi to morala biti prednostna izbira.
Tranzistorski{0}}senzorji bližine nimajo gibljivih delov in nudijo podaljšano življenjsko dobo. Senzorji bližine na podlagi Reed- uporabljajo mehanske kontakte, kar ima za posledico krajšo življenjsko dobo, vendar nižje stroške v primerjavi s tranzistorskimi tipi. Senzorji Reed so najprimernejši za aplikacije, ki zahtevajo napajanje z izmeničnim tokom in visoka{4}}temperaturna okolja.
Senzorji položaja
Senzorji položaja imajo analogne izhode, ki prikazujejo položaj aktuatorja glede na položaj magnetov na aktuatorju. Z vidika nadzora nudijo senzorji položaja veliko prilagodljivost. Inženirji krmiljenja lahko določijo vrsto nastavljenih vrednosti, da se ujemajo z različicami komponent.
Ker so ti senzorji položaja odvisni od magnetov (kot senzorji bližine), je priporočljivo, da senzorje in aktuatorje nabavite od istega proizvajalca, kadar koli je to mogoče. Funkcionalnost IO-Link omogoča pridobivanje podatkov iz senzorjev položaja, kar poenostavi nadzor in olajša parametriranje.
Induktivni senzorji
Induktivni senzorji bližine uporabljajo Faradayev zakon indukcije za zaznavanje prisotnosti predmeta ali simulacijo izhodnega položaja. Najbolj kritičen dejavnik pri izbiri induktivnih senzorjev je določitev vrste kovine, ki jo senzor zazna, s čimer se določi razdalja zaznavanja. V primerjavi z železnimi kovinami barvne kovine zmanjšajo obseg zaznavanja za več kot 50 %. Priročniki za izdelke proizvajalcev senzorjev morajo zagotavljati informacije, potrebne za izbiro vzorca.
Senzorji tlaka in vakuuma
Zagotovite, da senzorji tlaka ali vakuuma ustrezajo merilnim območjem v imperialnih (psi) in metričnih enotah (bar). Določite najprimernejši faktor oblike za dodeljeni prostor. Med namestitvijo opreme razmislite, ali naj senzorji vključujejo indikatorske lučke ali zaslone za udobje operaterja. Za hitre prilagoditve nastavitev razmislite o senzorjih tlaka in vakuuma, opremljenih z IO-Link.
Senzorji pretoka
Podobno kot pri tlačnih in vakuumskih senzorjih je tudi senzorje pretoka mogoče izbrati na podlagi obsega pretoka, velikosti in variabilnosti nastavljenih vrednosti. Možnosti prikaza lahko določite ob naročilu senzorjev. Senzorje pretoka z relativno nizkimi stopnjami pretoka je mogoče izbrati za določene cone ali celotno aplikacijo opreme.
Optični senzorji
Najpogostejši optični senzorji so fotoelektrični razpršilni, odbojni in-žarkovni. Laserski senzorji in naprave za zaznavanje z optičnimi vlakni prav tako spadajo v kategorije optičnih senzorjev.
Večina fotoelektričnih senzorjev zazna predmete z odbojem svetlobe ali prekinitvijo žarka. Zaradi nizkih stroškov, vsestranskosti in visoke zanesljivosti so ti senzorji med najpogosteje uporabljenimi v proizvodnji. Difuzni-odsevni fotoelektrični senzorji ne potrebujejo reflektorja. Ponujajo odlično cenovno-zmogljivost za zaznavanje prisotnosti predmetov v bližini.
Fotoelektrični senzorji skozi-žarek ponujajo najdaljši obseg zaznavanja. Ti senzorji namestijo oddajno in sprejemno enoto na dve ločeni točki. Varnostni senzorji garažnih vrat so primeri senzorjev snopa. Ko je žarek prekinjen, nakazuje prisotnost tarče. Fotoelektrični-senzor tipa reže je zanimiva različica-žarka; združuje oddajnik in sprejemnik v eno kompaktno enoto. Svetlobni senzorji-tipa tipa se uporabljajo za zaznavanje prisotnosti ali odsotnosti majhnih komponent.
Odsevni fotoelektrični senzorji imajo senzor in reflektor za srednje{0}}zaznavanje prisotnosti. Glede na natančnost in ceno se ti senzorji uvrščajo med difuzne in-žarke.
Senzorji iz optičnih vlaken se uporabljajo za zaznavanje prisotnosti in razdalje. Parametre teh vsestranskih senzorjev je mogoče prilagoditi za zaznavanje različnih barv, ozadij in obsegov razdalje.
Laserske senzorje je mogoče uporabiti za-zaznavanje prisotnosti na dolge razdalje in ponujajo najvišjo natančnost v aplikacijah za merjenje-na kratkem dosegu.
Vision senzorji so primerni za branje črtne kode, štetje, preverjanje oblike in podobna opravila. Predstavljajo stroškovno-učinkovito rešitev za aplikacije vida, kjer bi bili sistemi kamer pregrešno dragi ali zapleteni. Vision senzorji berejo črtne kode, sledijo posameznim komponentam in izvajajo procese, prilagojene tem komponentam. Senzorji lahko preverijo število funkcij, ki so prisotne na delu. Vizualni senzorji lahko ugotovijo, ali je bila dosežena določena krivulja ali druga oblika. Ker ti senzorji obdelujejo svetlobo, je njihovo testiranje v pogojih, ki so čim bližje dejanskemu delovnemu okolju-glede svetlobe okolice in odbojnosti ozadja-ključnega pomena. V večini aplikacij je priporočljivo, da senzorje za vid postavite v ohišje, da jih izolirate od zunanjih virov svetlobe. Med testiranjem senzorjev je dobra ideja, da poiščete pomoč pri proizvajalcu senzorja za vid. Poleg tega ne pozabite zagotoviti izbire ustreznega fieldbusa.
Pretvorniki signalov pretvorijo analogni izhodni signal iz senzorja v digitalni signal na pretvorniku. Druga možnost je pretvorba v podatke procesa IO-Link.
Drugi senzorji
1. Magnetno stikalo:To je specializiran izraz za senzor cilindra, ki se uporablja predvsem za zaznavanje položaja bata cilindra. Običajno dobavitelji jeklenk zagotovijo te senzorje, prilagojene scenarijem uporabe strank. Kot pove že ime, magnetna stikala zaznavajo cilje z elektromagnetno indukcijo, kar ima za posledico razmeroma nizko natančnost zaznavanja.
2. Bližinska stikala:Približevalna stikala, zasnovana na principih elektromagnetne indukcije, lahko zaznajo le kovinske tarče z majhnimi razlikami v razdalji zaznavanja, odvisno od vrste kovine. Običajni razponi zaznavanja za bližinska stikala vključujejo: 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm itd. Bližinska stikala so na splošno na voljo v dveh vrstah: podometna-montaža in ne-podometna-montaža. Stikalo za podometno montažo pomeni, da senzorska glava ne zazna kovinskih tarč okoli svojega oboda, ampak zazna le tarče neposredno pred seboj. Z drugimi besedami, zaznavalni glavi senzorja ni treba štrleti izven kovinskega pritrdilnega nosilca. Ne{14}}v-vgrajeni tipi zaznajo spredaj{16}}obrnjene in obodne kovinske tarče. Pri tem mora glava senzorja štrleti iz kovinskega pritrdilnega nosilca in v določenem obsegu oboda ne sme biti nobenih kovinskih predmetov, da se prepreči lažno zaznavanje. Bližinska stikala ponujajo večjo natančnost zaznavanja kot magnetna stikala. Običajno se uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo relativno nizko pozicijsko natančnost, kot je preverjanje prisotnosti izdelka ali pozicioniranje vpenjal.
3. Fotoelektrična stikala:Fotoelektrično zaznavanje nudi prednosti, kot so visoka natančnost, hiter odziv in-brezkontaktno delovanje. Meri lahko več parametrov, ima preproste senzorske strukture in ponuja prilagodljive konfiguracije. Posledično se fotoelektrični senzorji pogosto uporabljajo v sistemih zaznavanja in krmiljenja. Pogosti tipi vključujejo: odsevne fotoelektrične senzorje, fotoelektrične senzorje skozi-žarek in senzorje, ki uporabljajo odsevne plošče za odboj svetlobnih žarkov. Slednji dve vrsti zaznavata tako, da blokirata svetlobo s ciljnega predmeta, medtem ko prva zaznavata z zaznavanjem svetlobe, ki se odbija od tarče. Posledično zadnja dva tipično nudita daljši obseg zaznavanja in večjo natančnost. Zaradi visoke natančnosti zaznavanja se fotoelektrični senzorji pogosto uporabljajo za natančno pozicioniranje izdelkov ali robotskih obdelovancev, kot tudi v povratnih sistemih za koračne in servo mehanizme.
4. Senzorji iz optičnih vlaken:Senzorji z optičnimi vlakni so druga vrsta zaznavnih elementov, ki uporabljajo pretvorbo fotoelektričnega signala. V primerjavi s fotoelektričnimi stikali lahko običajno zaznajo manjše predmete, delujejo na večjih razdaljah in nudijo večjo natančnost. Posledično se senzorji iz optičnih vlaken pogosto uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo večjo natančnost, in kot povratne naprave za pozicioniranje v koračnih in servo sistemih.
5. Fotoelektrični senzorji:Fotoelektrični senzorji uporabljajo tudi fotoelektrične signale. Z velikim območjem zaznavanja jih pogosto imenujemo senzorji območja. Njihova primarna uporaba je v povezovalnih in varnostnih funkcijah med opremo, zlasti v sistemih za zaščito ljudi.
6. Termoelementi:Termočleni se uporabljajo predvsem za zaznavanje temperature okolja v njihovi okolici.
7. Laserski skenerji:Laserski skenerji delujejo predvsem za natančno merjenje dimenzionalnih kontur ciljnih predmetov.
8. Industrijske kamere:Industrijske kamere, znane tudi kot kamere CCD (Charge{0}}coupled Device) v tehniki, se večinoma uporabljajo za zaznavanje oblike in položaja ciljnih predmetov. Z napredkom v tehnologiji CCD so industrijske kamere z-visoko ločljivostjo zdaj uporabne na področjih natančnih meritev.
9. Kodirnik:Na podlagi načel delovanja so dajalniki razvrščeni v inkrementalne in absolutne vrste. Inkrementalni dajalniki pretvorijo premik v periodične električne signale, ki se nato pretvorijo v štetne impulze. Velikost premika je predstavljena s številom impulzov. Vsak položaj na dajalniku absolutne vrednosti ustreza edinstveni digitalni kodi. Zato je njegova prikazana vrednost odvisna izključno od začetnega in končnega položaja meritve, ne pa od vmesnega procesa. Dajalniki so običajno povezani s koračnimi motorji ali servo motorji, da tvorijo krmilne sisteme z zaprto-zanko ali pol{6}}zaprto-zanko.
10. Mikro stikalo:Mikrostikalo je kontaktni{0}}senzor, ki se uporablja predvsem za medsebojno povezovanje opreme ali zaznavanje statusa varnostnih vrat na strojih.