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工业4.0步步进逼 新一代感测器持续升级
不再只是数据撷取

【作者: 王岫晨】2019年09月04日 星期三

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工业感测器是工厂自动化和工业4.0的关键组成元件。最常见者包括运动、环境和振动感测器等,可用於监测设备的健康状况。此外,还有包括线性或角度定位、倾斜感应、水准测量、冲击或跌落检测等,可满足智能工厂各不同环节的感测应用。


基於MEMS元件的专用工业运动感测器非常适用於工业4.0的应用需求,这种类型的感测器不止具有更大的机械频率感应频宽,还拥有高可靠性、稳定的测量和高达105℃的精确操作温度范围。


面对智能工厂的发展趋势,新一代感测器也不断进行升级,例如更低的功耗,甚至可以结合工厂的绿能环境。


工业感测器系统通常由24V的DC电源供电,这与由3V或5V电源供电的消费性装置系统中的感测器非常不同。因此,工业感测器系统需要额外的电源管理来有效地驱动感测装置。它们将数位输出介面(如IO-Link)直接连接到微控制器甚至无线收发器。类比数据输出通常由运算放大器来进行调节,并与微控制器中的类比数位转换器(ADC)相连。


工业自动化感测器


图一 : 工业感测器是工厂自动化的关键组成元件。最常见者包括运动、环境和振动感测器等。
图一 : 工业感测器是工厂自动化的关键组成元件。最常见者包括运动、环境和振动感测器等。

有几种类型的工业感测器类型,包括以下几种:


温度感测器

温度感测器可以感测从正系数类型设备到负系数类型设备,以及RTD(电阻温度检测器)的变化量。


正温度系数(PTC)热敏电阻是具有正温度系数的电阻器,因此电阻随温度增加。这通常用矽材料来构建,以提供线性特性。相反,开关型PCT热敏电阻具有非线性温度测量曲线。当热敏电阻加热时,电阻会降低,直到达到临界温度,之後温度会升高。


它们通常用於工业设备中的电动机组以及监控继电器,以提供过热保护以防止绝缘损坏。非线性响应曲线在最大允许的温度下电阻显着增加,触发继电器以防止过热。然後,这可以链接到无线感测器网络。


负温度系数(NTC)热敏电阻,其电阻随温度降低,在0℃至70℃的正负0.1℃或0.2℃的宽温度范围内具有精确的准确度,且具有长期稳定性。这些通常用於IIoT和智能工厂的热敏电阻探头组件,可应用於故障诊断。热敏电阻感测元件可用於监控与无线感测器系统连接的各种系统。



图二 : 在高科技工厂中,工业感测器在处理系统的精度和可靠性方面发挥着不可或缺的作用。
图二 : 在高科技工厂中,工业感测器在处理系统的精度和可靠性方面发挥着不可或缺的作用。

距离(接近)感测器

电感式接近感测器可以检测附近的金属,使人机界面(HMI)更安全。有2和3线DC版本以及带有单独放大器的感测器,用於高速操作。雷射测距(雷射雷达)感测器可以在一维空间中用於物体检测,例如在输送线上用作红外线运动感测器。2D雷射雷达感测器可用作位置感测器,以识别生产线中零件的位置。


震动感测器

振动感测器可以使用MEMS加速度计或压电晶体来测量振动频率,并根据被监测系统的谐波进行调谐。震动感测器为故障诊断提供重要的数据采集,而加速度计可用作运动感测器,以提供倾斜、跌落和冲击测量。


其他感测器

其他感测器还包括有压力、pH、流量、湿度、超音波、PIR、光电感测器等。例如在自动化工厂中经常可见到布建於设备上的压力感测器,用於测量液体酸度的pH感测器,以及用於监控执行器的流量感测器、湿度感测器和超音波感测器等。而PIR感测器、光电感测器和旋转编码器等则可用作工业自动化系统中??值测量的限位开关。所有这些物联网感测器都可透过工业感测器网路(包括有线或无线)连接,然後数据资料返回物联网,提供实时分析和条件监测。


结合AI 为感测器导入机器学习能力

一般来说,工业用的工规感测器与消费等级的商规感测器需求就不相同。除了工业规格需要能适应更宽的工作温度之外,更重要的则是在於感测器的稳定度,以及供货的持久度。一般来说,商用感测器由於配合终端产品的快速产品更迭周期,大约4~5年的供货期就大致已经符合需求,然而工规感测器却必须要能满足长达10年的稳定供货。再者,工业4.0的应用环境对於连网的需求大增,因此感测器多半还必须要赋予连网能力,才能进一步加快智慧工厂实现的脚步。


意法半导体(ST)亚太区资深产品行销经理陈建成指出,面对智能工厂的趋势,新一代的感测器也进行不断的升级,例如更低的功耗,甚至可以结合工厂的绿能环境。以目前ST新一代的工业感测器为例,已经加入了休眠功能,在低功耗状态下还能维持稳定运作,持续环境的侦测行为而不中断功能。此外,感测器的智能化也是迈向工业4.0不可或缺的关键。针对感测器的智能化,ST也为感测器导入机器学习(ML)的能力,并结合AI,如此不只可让工厂中的自动化设定最隹化,更可提升整体的生产效能。


感测元件让机器人拥有『眼睛』与『耳朵』

ADI拥有许多应用於机器人的感测器。例如MEMS、LiDAR、RADAR、TOF和接近感测等技术,这些技术使机器人能拥有更多的『眼睛』和『耳朵』。ADI亚太区工业自动化行业市场部经理于常涛指出,目前ADI的MEMS感测器产品线包括了加速度计、陀螺仪和IMU等,由於在零偏稳定性、温度回置特性、长时稳定性、以及震动条件下的性能,都远远超过消费等级的MEMS感测器产品,因此在工业领域中,被广泛应用於各种机器人、无人机的导航、以及机械自动化的稳定等功能。


以目前ADI所推出的ADIS16470系列高性能IMU来看,透过三轴MEMS加速度计和陀螺仪共可提供6自由度(DoF)检测,并注重工业『运动物联网』及其对精准地理定位的需求。其性能令系统能精确地表徵运动,不受湍流、振动、风、温度和其他环境干扰,从而实现更精准的导航和引导和/或仪器稳定度。


基於ADI产品的LiDAR和TOF技术可以实现高精度的蔽障功能,适用於AGV等领域。ADI2018年收购的symeo公司,使ADI在毫米波雷达方面不仅能提供晶片,也能够提供整体解决方案。例如,利用60GHz雷达,可以实现mm级的距离测量,相应的产品被广泛应用在大型厂矿设备的精确定位和自动化运作上。


为工业感测器提供最隹性价比


图三 : 随着设备与技术变得越来越依赖於物联网,可以检测来自物理世界的讯息并执行指定指令,正成为新产品设计中不可或缺的一部分。
图三 : 随着设备与技术变得越来越依赖於物联网,可以检测来自物理世界的讯息并执行指定指令,正成为新产品设计中不可或缺的一部分。

在当今的高科技工厂中,工业感测器在处理系统的精度和可靠性方面发挥着不可或缺的作用。但是感测器必须足够耐用以在工业环境中工作,并且足够小以适应整合於印刷电路板(PCB)上的有限空间。此外,应对的另一个挑战就是:降解效应,例如光栅就是一个例子。对於客户想选择最隹性价比的高品质工业感测器半导体,英飞凌的产品将是首选。目前英飞凌也提供了广泛的解决方案来满足客户设计所需的所有产品,而且都具备最好的品质。


除了搭配XMC1000系列微控制器来发挥感测器功能之外,英飞凌也透过对於工业感测器应用的深入了解,帮助客户的系统开发出合适的解决方案。至於另一个优点则是,英飞凌提供了专门针对工业感测器的叁考设计,例如用於雷达液位计的24GHz晶片组。


实现物联网愿景

对於罗姆来说,检测环境与物理条件的感测器,和传输以及共享感测器数据的网络,对於实现物联网将至关重要。ROHM集团也将来自自家、LAPIS和Kionix等不同专有技术结合起来,提出解决方案并打造下一代的感测器网路产品开发。


让感测器满足各种电机需求

从减少意外停机时间到预防性维护的计划时间,TE Connectivity(TE)的感测器解决方案可测量和监控工业电机的振动、温度和位置,以确保工厂设备间的高效运行。在恶劣环境和条件下可进行精确测量,并可将感测器的范围扩展到各种类型的设备和制程。更具体地说,TE的工程感测解决方案可满足各种电机应用的独特要求,包括大型设备操作和更精确的功能。此外,具有多个数位输出信号和无线感测器技术的感测器,也可使工厂能够转变为更具智能的连接操作。



图四 : 工业感测器需要能适应更宽的工作温度之外,更重要的则是在於感测器的稳定度。
图四 : 工业感测器需要能适应更宽的工作温度之外,更重要的则是在於感测器的稳定度。

智能化感测器不可或缺

随着设备与技术变得越来越依赖於物联网,可以检测来自物理世界的讯息并执行指定指令,或将数据中继到其他系统的智能感测器,正在成为新产品设计中不可或缺的一部分。瑞萨提供可扩展的微控制器解决方案,还包括放大器和缓冲器、接囗设备(RS-485/422和RS-232)、电压基准、类比数位转换器、数位类比转换器和开关稳压器等,以提供支持下一个小型到大型感测器和执行器的设计之用。


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