Sensoren zijn fundamentele producten in de productie-industrie van elektronische informatieapparatuur en vertegenwoordigen gespecialiseerde componenten onder de nieuwe elektronische componenten die prioriteit krijgen bij de ontwikkeling. De sensorindustrie, die nationaal en internationaal algemeen wordt erkend als een veelbelovende high{1}}techsector, trekt mondiale aandacht vanwege haar hoge technologische inhoud, sterke economische rendementen, uitgebreide marktpenetratie en brede marktvooruitzichten. Gedreven door de bloeiende markt voor de elektronische informatie-industrie heeft de Chinese sensorsector een solide industriële basis gelegd. Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van technologische innovatie, onafhankelijk onderzoek en ontwikkeling, commercialisering van prestaties en concurrentievermogen, wat substantieel bijdraagt aan de nationale economische ontwikkeling.
Met de komst van het informatietijdperk zijn sensoren het belangrijkste middel geworden voor mensen om informatie te verwerven uit zowel natuurlijke als industriële domeinen. In de moderne industriële productie-met name geautomatiseerde processen-monitoren en controleren verschillende sensoren belangrijke parameters om de apparatuur binnen optimale bedrijfsomstandigheden te houden en de productkwaliteit te garanderen. Sensoren nemen een nog prominentere plaats in in fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.
Tegenwoordig zijn sensoren doorgedrongen in een extreem breed scala aan gebieden, waaronder industriële productie, ruimteverkenning, oceanografie, milieubescherming, onderzoek naar hulpbronnen, medische diagnostiek, bio-engineering en zelfs het behoud van culturele relikwieën. Blijkbaar valt de cruciale rol van sensortechnologie in de economische ontwikkeling en sociale vooruitgang niet te ontkennen. Statistieken geven aan dat de jaarlijkse omzet van de mondiale markt voor slimme sensoren naar verwachting met 10% per jaar zal groeien. Momenteel zijn er wereldwijd 65 miljoen sensorapparaten met processors geïnstalleerd, een cijfer dat in 2019 naar verwachting 2,8 biljoen zal bereiken.
Belangrijke overwegingen bij sensorselectie
Sensorkennis vormt een substantiële tak van de elektrotechniek die uitgebreide ervaring vereist om onder de knie te krijgen. We zullen dit in toekomstige discussies verder onderzoeken. Tegenwoordig richten we ons vooral op selectiecriteria.
1. Bepaal het type op basis van het meetobject en de outputvereisten
Om een specifieke meettaak uit te voeren, is de eerste overweging het selecteren van het juiste sensorprincipe. Deze beslissing vereist het analyseren van meerdere factoren. Debietmeters omvatten bijvoorbeeld elektromagnetische, vortex- en ultrasone typen. Het selecteren van de juiste flowmeter vereist het richten op specifieke doelstellingen. Houd bovendien rekening met de vereiste uitvoermodus-zoals tweedraads of vierdraads stroomsignalen (0-20 mA, 4-20 mA), 0-10 V-spanningssignalen of communicatieprotocollen.
2. Selectie op basis van gevoeligheid
Binnen het lineaire bereik van een sensor heeft doorgaans een hogere gevoeligheid de voorkeur. Alleen bij hoge gevoeligheid komt het uitgangssignaal significant overeen met veranderingen in de gemeten grootheid, wat de signaalverwerking vergemakkelijkt. Houd er echter rekening mee dat een hoge gevoeligheid de sensor ook gevoelig maakt voor externe ruis die geen verband houdt met de gemeten grootheid. Deze ruis kan door het systeem worden versterkt, waardoor de meetnauwkeurigheid in gevaar komt. Daarom moet de sensor zelf een hoge signaal-tot-ruisverhouding hebben om interferentie van externe bronnen te minimaliseren.
Sensorgevoeligheid is directioneel. Wanneer u een unidirectionele vector met hoge directionele vereisten meet, selecteert u een sensor met een lage gevoeligheid in andere richtingen. Voor multidimensionale vectoren minimaliseert u de kruisgevoeligheid van de sensor.
3. Evaluatie van frequentieresponskarakteristieken
De frequentierespons van een sensor bepaalt het meetbare frequentiebereik, dat binnen de toegestane grenzen vervormingsvrij moet blijven-. In de praktijk vertoont de sensorreactie altijd enige vertraging, idealiter geminimaliseerd. Een hogere frequentierespons maakt bredere meetbare signaalfrequenties mogelijk. Voor dynamische metingen moeten de responskarakteristieken overeenkomen met de signaaleigenschappen (stationaire-toestand, transiënt, willekeurig, enz.) om buitensporige fouten te voorkomen.
4. Gebaseerd op sensorstabiliteit
Het vermogen van een sensor om in de loop van de tijd consistente prestaties te behouden, wordt stabiliteit genoemd. Factoren die van invloed zijn op de stabiliteit op de lange- termijn omvatten niet alleen de interne structuur van de sensor, maar vooral de werkomgeving. Om een goede stabiliteit te garanderen, moeten sensoren daarom een sterk aanpassingsvermogen aan de omgeving hebben. Onderzoek de beoogde gebruiksomgeving voordat u een sensor selecteert. Kies een geschikte sensor op basis van specifieke omstandigheden of implementeer maatregelen om de impact op het milieu te minimaliseren.
5. Bereik en nauwkeurigheid: het meest uitdagende paar om in evenwicht te brengen
Nauwkeurigheid is een kritische prestatiemaatstaf voor sensoren en dient als een essentiële schakel bij het bepalen van de algehele meetprecisie van een systeem. De nauwkeurigheid van de sensor wordt echter beperkt door het bereik: over het algemeen resulteert een groter bereik in een lagere nauwkeurigheid. Omgekeerd hebben sensoren met een hoge-nauwkeurigheid vaak onvoldoende bereik, waardoor sensoren met een hoge-nauwkeurigheid en een groot- bereik onbetaalbaar worden. Daarom is een evenwichtige aanpak vereist bij het selecteren van sensoren.
Zorg er bij het selecteren van bemonsteringssensoren voor dat het apparaat voldoet aan de fundamentele bedrijfsomstandigheden van de toepassing (zie de gegevensbladen van de fabrikant).
De zes meest kritische bedrijfsomstandigheden zijn onder meer:
1) Temperatuurbereik;
2) Specificaties;
3) Beschermingsgraad;
4) Spanningsbereik;
5) Discrete of analoge uitgang;
6) Parametervariatie, met name of "instelbare parameters gunstig zijn."
Bij het overwegen van sensoren met IO-Link-configuratiemogelijkheden verdienen zes extra factoren de aandacht:
1) Reactiesnelheid;
2) Detectiebereik;
3) Herhaalbaarheid;
4) Elektrische connectiviteit;
5) Montagetype;
6) Visuele weergave: of de toepassing een visuele indicator op de sensor vereist.
In de moderne industriële productie, met name geautomatiseerde processen, bewaken en controleren verschillende sensoren parameters tijdens de hele productie. Dit zorgt ervoor dat apparatuur normaal of optimaal werkt en tegelijkertijd de hoogste productkwaliteit wordt bereikt. Zonder een breed scala aan sensoren van hoge-kwaliteit zou de moderne productie dus geen basis hebben. Hieronder worden enkele meest voorkomende sensortypen in de productie beschreven, samen met toepassingstips en inzichten.
Meest voorkomende sensortypen
Nabijheidssensoren
Nabijheidssensoren detecteren de aanwezigheid van objecten in een nabije omgeving zonder fysiek contact. Deze sensoren zijn discrete uitvoerapparaten. Meestal detecteren magnetische nabijheidssensoren of een actuator een specifieke positie heeft bereikt door een magneet te detecteren die zich in de actuator bevindt.
Het kopen van een actuator bij het ene bedrijf en een magnetische naderingssensor bij een ander bedrijf is over het algemeen niet aan te raden. Hoewel sensorfabrikanten mogelijk beweren dat ze compatibel zijn met X-, Y- en Z-actuatoren, kunnen variaties in magneten en montageposities tot detectieproblemen leiden. De sensor kan bijvoorbeeld worden bekrachtigd als de magneet niet goed is uitgelijnd of helemaal niet wordt bekrachtigd. Als de fabrikant van de actuator een bijpassende naderingssensor aanbiedt, zou dit de voorkeur moeten hebben.
Op transistor-gebaseerde naderingssensoren hebben geen bewegende delen en bieden een langere levensduur. Op Reed-gebaseerde naderingssensoren maken gebruik van mechanische contacten, wat resulteert in een kortere levensduur maar lagere kosten in vergelijking met transistortypes. Reed-sensoren zijn het meest geschikt voor toepassingen die wisselstroom vereisen en omgevingen met hoge- temperaturen.
Positiesensoren
Positiesensoren zijn voorzien van analoge uitgangen die de positie van de actuator aangeven op basis van de positie van de magneten op de actuator. Vanuit besturingsperspectief bieden positiesensoren aanzienlijke flexibiliteit. Regelingenieurs kunnen een reeks instelpuntwaarden definiëren om de componentvariaties aan te passen.
Omdat deze positiesensoren afhankelijk zijn van magneten (zoals nabijheidssensoren), is het raadzaam om waar mogelijk zowel sensoren als actuatoren van dezelfde fabrikant te betrekken. IO-Link-functionaliteit maakt data-acquisitie van positiesensoren mogelijk, waardoor de bediening wordt vereenvoudigd en parametrisering wordt vergemakkelijkt.
Inductieve sensoren
Inductieve nabijheidssensoren maken gebruik van de inductiewet van Faraday om de aanwezigheid van objecten te detecteren of positie-uitvoer te simuleren. De meest kritische factor bij het selecteren van inductieve sensoren is het bepalen van het type metaal dat de sensor detecteert, waardoor de detectieafstand wordt bepaald. Vergeleken met ferrometalen verkleinen non-ferrometalen het detectiebereik met meer dan 50%. De producthandleidingen van sensorfabrikanten moeten de informatie bevatten die nodig is voor de selectie van monsters.
Druk- en vacuümsensoren
Zorg ervoor dat druk- of vacuümsensoren voldoen aan meetbereiken in zowel imperiale (psi) als metrische (bar) eenheden. Specificeer de meest geschikte vormfactor voor de toegewezen ruimte. Overweeg tijdens de installatie van apparatuur of sensoren indicatielampjes of beeldschermen moeten bevatten voor het gemak van de operator. Voor snelle aanpassingen van de instellingen kunt u druk- en vacuümsensoren overwegen die zijn uitgerust met IO-Link.
Stromingssensoren
Net als bij druk- en vacuümsensoren kunnen flowsensoren worden geselecteerd op basis van flowbereik, grootte en variabiliteit van instelpunten. Weergaveopties kunnen worden opgegeven bij het bestellen van sensoren. Stromingssensoren met relatief lage debieten kunnen worden gekozen voor specifieke zones of voor de gehele apparatuurtoepassing.
Optische sensoren
De meest voorkomende optische sensoren zijn de typen foto-elektrische verstrooiing, reflectie en door-doorstraling. Lasersensoren en glasvezeldetectieapparatuur vallen ook onder de categorieën optische sensoren.
De meeste foto-elektrische sensoren detecteren objecten door licht te reflecteren of een straal te onderbreken. Vanwege hun lage kosten, veelzijdigheid en hoge betrouwbaarheid behoren deze sensoren tot de meest gebruikte in de productie. Diffuse-reflecterende foto-elektrische sensoren vereisen geen reflector. Ze bieden uitstekende kosten-voor het detecteren van de aanwezigheid van objecten in de buurt.
Doorgaande- foto-elektrische sensoren bieden het langste detectiebereik. Deze sensoren installeren zender- en ontvangereenheden op twee afzonderlijke punten. Veiligheidssensoren voor garagedeuren zijn voorbeelden van straalsensoren. Wanneer de straal wordt onderbroken, duidt dit op de aanwezigheid van een doelwit. De foto-elektrische sensor van het gleuf-type is een interessante door- straalvariant; het integreert een zender en ontvanger in één compacte eenheid. Slot-lichtsensoren worden gebruikt om de aan- of afwezigheid van kleine componenten te detecteren.
Reflecterende foto-elektrische sensoren bestaan uit een sensor en reflector voor aanwezigheidsdetectie in het midden- bereik. In termen van nauwkeurigheid en kosten vallen deze sensoren tussen het diffuse en doorgaande- straaltype.
Glasvezelsensoren worden gebruikt voor aanwezigheids- en afstandsdetectie. Parameters op deze veelzijdige sensoren kunnen worden aangepast om verschillende kleuren, achtergronden en afstandsbereiken te detecteren.
Lasersensoren kunnen worden gebruikt voor aanwezigheidsdetectie op lange- afstanden en bieden de hoogste nauwkeurigheid bij meettoepassingen op korte- afstanden.
Vision-sensoren zijn geschikt voor het lezen van streepjescodes, tellen, vormverificatie en soortgelijke taken. Ze vormen een kosteneffectieve oplossing voor vision-toepassingen waarbij camerasystemen onbetaalbaar of complex zouden zijn. Vision-sensoren lezen barcodes, volgen individuele componenten en voeren processen uit die zijn afgestemd op die componenten. Sensoren kunnen het aantal aanwezige kenmerken van een onderdeel verifiëren. Visiesensoren kunnen bepalen of een bepaalde curve of andere vorm is bereikt. Omdat deze sensoren licht verwerken, is het van cruciaal belang om ze te testen onder omstandigheden die zo dicht mogelijk bij de werkelijke werkomgeving liggen,-met betrekking tot omgevingslicht en achtergrondreflectie-. Bij de meeste toepassingen wordt aanbevolen om vision-sensoren in een behuizing te plaatsen om ze te isoleren van externe lichtbronnen. Het is een goed idee om tijdens het testen van de sensoren hulp in te roepen van de fabrikant van de vision-sensor. Vergeet bovendien niet te zorgen voor de selectie van een geschikte veldbus.
Signaalomzetters zetten het analoge uitgangssignaal van de sensor om in een digitaal signaal op de omzetter. Een andere optie is conversie naar IO-Link-procesgegevens.
Andere sensoren
1. Magnetische schakelaar:Dit is een gespecialiseerde term voor een cilindersensor, die voornamelijk wordt gebruikt om de positie van een cilinderzuiger te detecteren. Normaal gesproken leveren cilinderleveranciers deze sensoren die zijn afgestemd op de gebruiksscenario's van klanten. Zoals de naam al aangeeft, detecteren magnetische schakelaars doelen via elektromagnetische inductie, wat resulteert in een relatief lage detectienauwkeurigheid.
2. Naderingsschakelaars:Naderheidsschakelaars zijn ontworpen op basis van elektromagnetische inductieprincipes en kunnen alleen metalen doelen detecteren, met kleine variaties in de detectieafstand, afhankelijk van het metaaltype. Algemene detectiebereiken voor naderingsschakelaars zijn: 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm, enz. Naderingsschakelaars zijn over het algemeen in twee typen verkrijgbaar: verzonken-gemonteerd en niet-verzonken-gemonteerd. Een verzonken -schakelaar betekent dat de detectiekop geen metalen doelen rond de omtrek detecteert, maar alleen doelen direct ervoor. Met andere woorden: de sensorkop van de sensor hoeft niet buiten de metalen montagebeugel uit te steken. Niet-verzonken-gemonteerde typen detecteren zowel naar voren-gerichte metalen doelen als langs de omtrek ervan. Hierbij moet de sensorkop uit de metalen montagebeugel steken en mogen er binnen een bepaald omtreksbereik geen metalen voorwerpen aanwezig zijn om valse detectie te voorkomen. Naderingsschakelaars bieden een hogere detectienauwkeurigheid dan magnetische schakelaars. Ze worden doorgaans gebruikt in toepassingen die een relatief lage positionele precisie vereisen, zoals het verifiëren van de aanwezigheid van producten of de positionering van armatuur.
3. Foto-elektrische schakelaars:Foto-elektrische detectie biedt voordelen zoals hoge precisie, snelle respons en contactloze bediening. Het kan meerdere parameters meten, beschikt over eenvoudige sensorstructuren en biedt flexibele configuraties. Daarom worden foto-elektrische sensoren op grote schaal toegepast in detectie- en controlesystemen. Veel voorkomende typen zijn onder meer: reflecterende foto-elektrische sensoren, door- foto-elektrische sensoren en sensoren die gebruik maken van reflecterende platen om lichtstralen te reflecteren. De laatste twee typen detecteren door licht van het doelobject te blokkeren, terwijl de eerste typen detecteren door licht te detecteren dat door het doel wordt gereflecteerd. Bijgevolg bieden de laatste twee doorgaans langere detectiebereiken en hogere precisie. Vanwege hun hoge detectienauwkeurigheid worden foto-elektrische sensoren vaak gebruikt voor de nauwkeurige positionering van producten of robotwerkstukken, maar ook in feedbacksystemen voor stappen- en servomechanismen.
4. Glasvezelsensoren:Vezeloptische sensoren zijn een ander type detectie-element dat gebruik maakt van foto-elektrische signaalconversie. Vergeleken met foto-elektrische schakelaars kunnen ze doorgaans kleinere objecten detecteren, op grotere afstanden werken en een hogere nauwkeurigheid bieden. Bijgevolg worden glasvezelsensoren vaak gebruikt in toepassingen die een grotere nauwkeurigheid vereisen en als positioneringsfeedbackapparaten in stappen- en servosystemen.
5. Foto-elektrische sensoren:Foto-elektrische sensoren maken ook gebruik van foto-elektrische signalen. Met een groot detectiegebied worden ze vaak gebiedssensoren genoemd. Hun primaire toepassing ligt in de vergrendelings- en veiligheidsfuncties tussen apparatuur, met name in systemen voor menselijke bescherming.
6. Thermokoppels:Thermokoppels worden voornamelijk gebruikt om omgevingstemperaturen in hun omgeving te detecteren.
7. Laserscanners:Laserscanners functioneren voornamelijk om de dimensionale contouren van doelobjecten nauwkeurig te meten.
8. Industriële camera's:Industriële camera's, ook bekend als CCD-camera's (Charge-coupled Device), worden in de techniek voornamelijk gebruikt om de vorm en positie van doelobjecten te detecteren. Dankzij de vooruitgang in de CCD-technologie zijn industriële camera's met hoge-resolutie nu toepasbaar in precisiemeetvelden.
9. Codeur:Op basis van werkingsprincipes worden encoders onderverdeeld in incrementele en absolute typen. Incrementele encoders zetten verplaatsing om in periodieke elektrische signalen, die vervolgens worden omgezet in telpulsen. De verplaatsingsgrootte wordt weergegeven door het aantal pulsen. Elke positie op een absolute encoder komt overeen met een unieke digitale code. Daarom hangt de weergegeven waarde uitsluitend af van de begin- en eindposities van de meting, en niet van het tussenliggende proces. Encoders worden doorgaans gecombineerd met stappenmotoren of servomotoren om regelsystemen met gesloten-lus of semi-gesloten-lus te vormen.
10. Microschakelaar:Een microschakelaar is een contactsensor- die voornamelijk wordt gebruikt voor het onderling verbinden van apparatuur of het detecteren van de status van veiligheidsdeuren op machines.