Датчики являются фундаментальной продукцией в индустрии производства электронного информационного оборудования и представляют собой специализированные компоненты среди новых электронных компонентов, приоритетных для разработки. Индустрия датчиков, широко признанная внутри страны и за рубежом как перспективный сектор высоких технологий, привлекает внимание всего мира своим высоким технологическим содержанием, высокой экономической отдачей, обширным проникновением на рынок и широкими рыночными перспективами. Благодаря бурно развивающемуся рынку электронной информационной индустрии, сектор датчиков Китая заложил прочную промышленную основу. Значительный прогресс был достигнут в технологических инновациях, независимых исследованиях и разработках, коммерциализации достижений и конкурентоспособности, что вносит существенный вклад в национальное экономическое развитие.
С наступлением информационного века датчики стали для людей основным средством получения информации как из природных, так и из промышленных источников. В современном промышленном производстве,-особенно автоматизированных процессах-различные датчики отслеживают и контролируют ключевые параметры, чтобы поддерживать оборудование в оптимальных рабочих условиях и обеспечивать качество продукции. Датчики занимают еще более заметное место в фундаментальных научных исследованиях.
Сегодня датчики проникли в чрезвычайно широкий спектр областей, включая промышленное производство, исследование космоса, океанографию, защиту окружающей среды, исследование ресурсов, медицинскую диагностику, биоинженерию и даже сохранение культурных реликвий. Очевидно, что жизненно важная роль сенсорных технологий в экономическом развитии и социальном прогрессе неоспорима. Статистика показывает, что годовой доход мирового рынка интеллектуальных датчиков, по прогнозам, будет расти со скоростью 10% в год. В настоящее время во всем мире установлено 65 миллионов сенсорных устройств с процессорами, а к 2019 году эта цифра, по прогнозам, достигнет 2,8 триллиона.
Ключевые факторы при выборе датчика
Знание датчиков представляет собой важную отрасль электротехники, требующую большого опыта для освоения. Мы будем изучать это подробнее в будущих обсуждениях. Сегодня мы ориентируемся в первую очередь на критерии выбора.
1. Определите тип на основе объекта измерения и требований к выходу.
Для выполнения конкретной задачи измерения первым делом необходимо выбрать подходящий принцип работы датчика. Это решение требует анализа множества факторов. Например, расходомеры бывают электромагнитные, вихревые и ультразвуковые. Выбор подходящего расходомера требует достижения конкретных целей. Кроме того, рассмотрите требуемый режим вывода,-например, 2-проводные или 4-проводные сигналы тока (0–20 мА, 4–20 мА), сигналы напряжения 0–10 В или протоколы связи.
2. Выбор на основе чувствительности
Обычно в пределах линейного диапазона датчика предпочтительна более высокая чувствительность. Только при высокой чувствительности выходной сигнал существенно соответствует изменениям измеряемой величины, что облегчает обработку сигнала. Однако обратите внимание, что высокая чувствительность также делает датчик восприимчивым к внешним шумам, не связанным с измеряемой величиной. Этот шум может усиливаться системой, что снижает точность измерений. Следовательно, сам датчик должен иметь высокое соотношение сигнал-/-шум, чтобы свести к минимуму помехи от внешних источников.
Чувствительность датчика направленная. При измерении однонаправленного вектора с высокими требованиями к направлению выберите датчик с низкой чувствительностью в других направлениях. Для многомерных векторов минимизируйте перекрестную-чувствительность датчика.
3. Оценка характеристик частотной характеристики
Частотная характеристика датчика определяет измеряемый частотный диапазон, который должен оставаться-без искажений в допустимых пределах. На практике реакция датчика всегда имеет некоторую задержку, в идеале сведенную к минимуму. Более высокая частотная характеристика обеспечивает более широкие измеряемые частоты сигнала. Для динамических измерений характеристики отклика должны соответствовать свойствам сигнала (стационарное-состояние, переходный процесс, случайный и т. д.), чтобы предотвратить чрезмерные ошибки.
4. На основе стабильности датчика
Способность датчика поддерживать постоянную производительность с течением времени называется стабильностью. Факторы, влияющие на долгосрочную-стабильность, включают не только внутреннюю структуру датчика, но, прежде всего, среду его эксплуатации. Следовательно, чтобы обеспечить хорошую стабильность, датчики должны обладать высокой способностью адаптироваться к окружающей среде. Прежде чем выбирать датчик, изучите предполагаемую среду его эксплуатации. Выбирайте подходящий датчик с учетом конкретных условий или принимайте меры по минимизации воздействия на окружающую среду.
5. Дальность и точность: самая сложная пара для баланса.
Точность — это важнейший показатель производительности датчиков, служащий жизненно важным звеном в определении общей точности измерений системы. Однако точность датчика ограничена его диапазоном: обычно больший диапазон приводит к снижению точности. И наоборот, датчикам высокой-точности часто не хватает достаточного радиуса действия, что делает датчики высокой-точности и большого-диапазона непомерно дорогими. Поэтому при выборе датчиков необходим взвешенный подход.
При выборе датчиков отбора проб убедитесь, что устройство соответствует основным условиям эксплуатации (см. технические характеристики производителя).
К шести наиболее критическим условиям эксплуатации относятся:
1) Диапазон температур;
2) Технические характеристики;
3) Степень защиты;
4) Диапазон напряжения;
5) Дискретный или аналоговый выход;
6) Изменение параметров, в частности, полезны ли «регулируемые параметры».
При рассмотрении датчиков с возможностью настройки IO-Link необходимо обратить внимание на шесть дополнительных факторов:
1) Скорость реакции;
2) Диапазон срабатывания;
3) Повторяемость;
4) Электрическая связь;
5) Тип крепления;
6) Визуальный дисплей: требуется ли приложению визуальный индикатор на датчике.
В современном промышленном производстве, особенно в автоматизированных процессах, различные датчики контролируют и контролируют параметры на протяжении всего процесса производства. Это гарантирует нормальную или оптимальную работу оборудования при достижении высочайшего качества продукции. Таким образом, без широкого спектра высококачественных датчиков-современному производству не хватило бы основы. Ниже подробно описаны несколько наиболее распространенных типов датчиков в производстве, а также даны советы и рекомендации по их применению.
Наиболее распространенные типы датчиков
Датчики приближения
Датчики приближения обнаруживают наличие объектов поблизости без физического контакта. Эти датчики представляют собой устройства дискретного вывода. Обычно магнитные датчики приближения определяют, достиг ли привод определенного положения, распознавая магнит, расположенный внутри привода.
Покупка привода одной компании и магнитного датчика приближения другой, как правило, не рекомендуется. Хотя производители датчиков могут заявлять о совместимости с приводами X, Y и Z, различия в магнитах и положениях монтажа могут привести к проблемам с распознаванием. Например, на датчик может подать питание, когда магнит не выровнен или вообще не подается питание. Если производитель привода предлагает соответствующий датчик приближения, он должен быть предпочтительным выбором.
Транзисторные-датчики приближения не имеют движущихся частей и имеют увеличенный срок службы. В датчиках приближения на основе геркона- используются механические контакты, что приводит к сокращению срока службы, но снижению затрат по сравнению с транзисторными типами. Герконовые датчики лучше всего подходят для применений, требующих переменного тока и высоких-температур.
Датчики положения
Датчики положения имеют аналоговые выходы, которые указывают положение привода на основе положения магнитов на приводе. С точки зрения управления датчики положения обеспечивают значительную гибкость. Инженеры по системам управления могут определить ряд заданных значений, соответствующих вариациям компонентов.
Поскольку эти датчики положения основаны на магнитах (как и датчики приближения), рекомендуется по возможности приобретать датчики и исполнительные механизмы одного и того же производителя. Функциональность IO-Link позволяет получать данные от датчиков положения, упрощая управление и облегчая параметризацию.
Индуктивные датчики
Индуктивные датчики приближения используют закон индукции Фарадея для обнаружения присутствия объекта или имитации выходных данных о положении. Наиболее важным фактором при выборе индуктивных датчиков является определение типа металла, который обнаруживает датчик, и тем самым определение расстояния срабатывания. По сравнению с черными металлами цветные-металлы уменьшают диапазон срабатывания более чем на 50 %. В руководствах производителей датчиков должна содержаться информация, необходимая для отбора проб.
Датчики давления и вакуума
Убедитесь, что датчики давления или вакуума соответствуют диапазонам измерения как в британских (psi), так и в метрических (бар) единицах измерения. Укажите наиболее подходящий форм-фактор для выделенного пространства. Во время установки оборудования подумайте, должны ли датчики включать световые индикаторы или экраны дисплея для удобства оператора. Для быстрой регулировки настроек рассмотрите возможность использования датчиков давления и вакуума, оснащенных IO-Link.
Датчики потока
Подобно датчикам давления и вакуума, датчики расхода можно выбирать в зависимости от диапазона расхода, размера и изменчивости уставок. Варианты отображения можно указать при заказе датчиков. Датчики расхода с относительно низкими расходами могут быть выбраны для конкретных зон или всего оборудования.
Оптические датчики
Наиболее распространены оптические датчики фотоэлектрического рассеяния, отражения и датчики на пересечение луча. Лазерные датчики и оптоволоконные датчики также относятся к категории оптических датчиков.
Большинство фотоэлектрических датчиков обнаруживают объекты, отражая свет или прерывая луч. Благодаря низкой стоимости, универсальности и высокой надежности эти датчики являются одними из наиболее широко используемых в производстве. Фотоэлектрические датчики с диффузным-отражением не требуют отражателя. Они обеспечивают превосходное соотношение цены и качества-при обнаружении присутствия близлежащих объектов.
Фотоэлектрические датчики на пересечение-лучей обеспечивают самый большой диапазон срабатывания. Эти датчики устанавливают блоки передатчика и приемника в двух отдельных точках. Датчики безопасности гаражных ворот являются примером лучевых датчиков. Когда луч прерывается, это указывает на наличие цели. Фотоэлектрический датчик щелевого-типа представляет собой интересный вариант со сквозным-лучем; он объединяет передатчик и приемник в одном компактном блоке. Датчики освещенности щелевого-типа используются для обнаружения присутствия или отсутствия мелких компонентов.
Отражающие фотоэлектрические датчики состоят из датчика и отражателя для обнаружения присутствия на среднем-диапазоне. С точки зрения точности и стоимости эти датчики делятся на диффузные и-лучевые датчики.
Оптоволоконные датчики используются для определения присутствия и расстояния. Параметры этих универсальных датчиков можно настроить для обнаружения различных цветов, фона и диапазонов расстояний.
Лазерные датчики можно использовать для-обнаружения присутствия на большом расстоянии и обеспечивают высочайшую точность в приложениях для измерения на коротких-диапазонах.
Датчики технического зрения подходят для считывания штрих-кодов, подсчета, проверки формы и подобных задач. Они представляют собой экономичное-эффективное решение для систем машинного зрения, где системы камер слишком дороги или сложны. Датчики технического зрения считывают штрих-коды, отслеживают отдельные компоненты и выполняют процессы, адаптированные к этим компонентам. Датчики могут проверять количество элементов, присутствующих в детали. Датчики зрения могут определить, была ли достигнута заданная кривая или другая форма. Поскольку эти датчики обрабатывают свет, критически важно тестировать их в условиях, максимально приближенных к реальной рабочей среде,-с точки зрения окружающего освещения и фоновой отражательной способности-. В большинстве случаев рекомендуется размещать видеодатчики внутри корпуса, чтобы изолировать их от внешних источников света. Во время тестирования датчика рекомендуется обратиться за помощью к производителю датчика технического зрения. Кроме того, не забудьте убедиться в выборе подходящей полевой шины.
Преобразователи сигналов преобразуют аналоговый выходной сигнал датчика в цифровой сигнал на преобразователе. Другой вариант — преобразование в данные процесса IO-Link.
Другие датчики
1. Магнитный переключатель:Это специальный термин для датчика цилиндра, который в основном используется для определения положения поршня цилиндра. Обычно поставщики баллонов предоставляют эти датчики, адаптированные к сценариям использования клиентов. Как следует из названия, магнитные переключатели обнаруживают цели посредством электромагнитной индукции, что приводит к относительно низкой точности обнаружения.
2. Бесконтактные переключатели:Бесконтактные переключатели, разработанные на основе принципов электромагнитной индукции, могут обнаруживать только металлические цели с небольшими изменениями в расстоянии срабатывания в зависимости от типа металла. Общие диапазоны обнаружения бесконтактных переключателей включают: 1 мм, 2 мм, 4 мм, 8 мм, 12 мм и т. д. Бесконтактные переключатели обычно бывают двух типов: для скрытого-монтажа и для-монтируемого заподлицо-. Переключатель скрытого-монтажа означает, что чувствительная головка не обнаруживает металлические цели по своей окружности, а обнаруживает только цели непосредственно перед ней. Другими словами, чувствительная головка датчика не должна выступать за пределы металлического монтажного кронштейна. Типы, монтируемые не-заподлицо-, обнаруживают как фронтальные-металлические цели, так и расположенные по периметру. Здесь головка датчика должна выступать из металлического монтажного кронштейна, и в определенном диапазоне окружности не должно быть никаких металлических предметов, чтобы предотвратить ложное обнаружение. Бесконтактные переключатели обеспечивают более высокую точность обнаружения, чем магнитные переключатели. Они обычно используются в приложениях, требующих относительно низкой точности позиционирования, таких как проверка наличия продукта или позиционирование приспособления.
3. Фотоэлектрические переключатели:Фотоэлектрическое обнаружение предлагает такие преимущества, как высокая точность, быстрое реагирование и бесконтактное управление. Он может измерять множество параметров, имеет простую структуру датчиков и предлагает гибкие конфигурации. Следовательно, фотоэлектрические датчики широко применяются в системах обнаружения и управления. К распространенным типам относятся: отражающие фотоэлектрические датчики, фотоэлектрические датчики со сквозным-лучем и датчики, в которых используются отражающие пластины для отражения световых лучей. Последние два типа обнаруживают, блокируя свет от целевого объекта, а первый обнаруживает, воспринимая свет, отраженный от цели. Следовательно, последние два обычно обеспечивают большую дальность обнаружения и более высокую точность. Благодаря высокой точности обнаружения фотоэлектрические датчики широко используются для точного позиционирования изделий или роботизированных заготовок, а также в системах обратной связи шаговых и сервомеханизмов.
4. Оптоволоконные датчики:Волоконно-оптические датчики — это еще один тип элемента обнаружения, использующий фотоэлектрическое преобразование сигнала. По сравнению с фотоэлектрическими переключателями они обычно обнаруживают более мелкие объекты, работают на больших расстояниях и обеспечивают более высокую точность. Следовательно, оптоволоконные датчики обычно используются в приложениях, требующих большей точности, а также в качестве устройств обратной связи позиционирования в шаговых и сервосистемах.
5. Фотоэлектрические датчики:Фотоэлектрические датчики также используют фотоэлектрические сигналы. Имея большую зону обнаружения, их часто называют датчиками площади. Их основное применение заключается в обеспечении функций блокировки и безопасности между оборудованием, особенно в системах защиты человека.
6. Термопары:Термопары в основном используются для определения температуры окружающей среды в окружающей среде.
7. Лазерные сканеры:Лазерные сканеры в первую очередь предназначены для точного измерения контуров целевых объектов.
8. Промышленные камеры:Промышленные камеры, также известные как ПЗС-камеры (устройства с зарядовой-связью) в технике, в основном используются для определения формы и положения целевых объектов. Благодаря достижениям в области ПЗС-технологий промышленные камеры с высоким-разрешением теперь могут применяться в области прецизионных измерений.
9. Кодировщик:По принципу работы энкодеры делятся на инкрементальные и абсолютные. Инкрементные энкодеры преобразуют смещение в периодические электрические сигналы, которые затем преобразуются в счетные импульсы. Величина смещения представлена количеством импульсов. Каждая позиция абсолютного энкодера соответствует уникальному цифровому коду. Поэтому его отображаемое значение зависит исключительно от начальной и конечной позиции измерения, а не от промежуточного процесса. Энкодеры обычно соединяются с шаговыми двигателями или серводвигателями, образуя системы управления с замкнутым- или полу-замкнутым-контуром.
10. Микропереключатель:Микропереключатель – это датчик контактного-типа, который в основном используется для соединения оборудования или определения состояния защитных дверей на оборудовании.