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          解決方案-制造業傳感器的分析和應用

          發表時間:2023-09-06      點擊次數:159

          21世紀,傳感器已是無處不在。日常生活中,小到遙控器、感應燈,大到醫療器械、機器人,都離不開傳感器。而像手機、汽車、飛機等智能產品,更是集成應用了很多傳感器。據統計,一部普通的智能手機大約應用了10余個傳感器,一輛高檔汽車的傳感器往往上百,而一架飛機中則有2000-4000個傳感器。


          傳感器不僅在生活中極為常見,在工業領域中更是不可缺。工業4.0時代,傳感器已經成為工業生產中的智能“感官",幫助人們檢測關鍵變量,監控生產過程,保障生產安全。比如,圖像傳感器能夠對三維結構件進行精密測量與精準定位,實現機械加工工藝的優化和提升;溫度傳感器可以連續測量大面積的溫度分布,為生產工藝的精準控制提供決策依據;接近傳感器能檢測出人體等目標對象的靠近,在大型機械設備運行中切實保障生產安全。

          本文將帶來傳感器的演進過程,介紹常見的傳感器分類,并選取六類傳感器,介紹其發展與應用趨勢。

          ? 結構型傳感器是利用結構參量的變化來感受和轉化信號。如電阻式直線位移傳感器,以位移或力的作用使電阻值產生變化進而來反映被測量的大小。


          物性型傳感器是利用材料本身的物理特性變化而實現測量的傳感器,例如熱敏傳感器、光敏傳感器。物性型傳感器無可動部件,靈敏度高,可以減少對被測對象的影響,解決了結構型傳感器不能解決的某些對象測量問題,擴大了傳感器的應用領域。


          智能型傳感器是對自身狀態具有一定的自診斷、自補償、自適應能力,同時具有雙向通訊功能的傳感器裝置。從結構上看,它是將傳感器、通信芯片、微處理器、驅動程序、軟件算法等有機結合,通過高度敏感的傳感元件實現多功能檢測,通過邊緣計算實現數據處理,基于網絡實現測量數據匯聚的一個感知測量系統 [2]。常見的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統)傳感器可視為典型的智能傳感器,隨著CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互補金屬氧化物半導體)技術與MEMS技術的發展與融合,智能傳感器未來將繼續向網絡化、微型化、集成化和多樣化發展。

          與結構型、物性型傳感器相比,智能傳感器能瞬時獲取大量信息,對所獲取的信息還具有信號處理的功能,具有高精度、高可靠性、高適應性的優勢。智能傳感器迎合了工業4.0時代對數據采集、處理等流程的高階需求,正逐漸成為市場主流。


          傳感器分類方式較為多樣,有通用分類、智能化分類、物聯網相關分類等。其中僅就通用分類方式而言,常見的有按檢測對象(用途)、工作原理、輸出信號類型、制作材料、工作機理、制作工藝等方面進行分類 [3],也可以依據結構類型、感知量類型、作用形式、能量變換關系、技術特征以及關聯方式等進行分類。


          傳感器的分類也不止一個層級,通??梢愿鶕唧w的檢測對象、工作原理或應用場景等進行更細層級的劃分,見下圖示意。下文將基于傳感器通用分類方式中常見的幾類進行介紹。

          1) 按照檢測對象(用途)分類


          根據檢測對象(用途)進行分類,有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器、濃度傳感器、粘度傳感器等等。


          上述傳感器還可以根據具體的檢測對象進一步細分,如速度傳感器可以分為角速度傳感器、線速度傳感器等,壓力傳感器可以分為靜態壓力傳感器、動態壓力傳感器、差壓傳感器以及真空傳感器等。


          2) 按工作原理分類


          根據作用原理的不同,傳感器可分為物理型、化學型和生物型三大類:


          物理傳感器是依據變換元件的物理性質制成的傳感器,可以按照被測量所屬細分領域劃分為力學、熱學、光學、磁學、聲學、電學等類型,常見的如電學傳感器、光學傳感器。還可以進一步細分,如電學傳感器又可分為電容式、電阻式、電感式等等,典型的有電阻式位移傳感器、電容式壓力傳感器等。


          化學傳感器是利用敏感材料與物質間的電化學反應原理,把無機和有機化學成分、濃度等轉換成電信號的傳感器,如氣體傳感器、濕度傳感器等。


          生物傳感器是對生物物質敏感,并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。生物體中,能夠選擇性的分辨特定物質的種類有酶、微生物、抗體等等,據此進一步分類,常見的有酶傳感器、微生物傳感器等。


          3) 按照輸出信號的形式分類


          根據輸出信號,可分為模擬型、數字型、贗數字型、開關型等類型。其中:


          模擬傳感器將被測量的非電學量轉換成模擬電信號,即連續的信號。常見的模擬傳感器有聲音傳感器、水位傳感器等;


          數字傳感器將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換),即離散的信號。常見的數字傳感器有編碼器、計量光柵等;


          贗數字傳感器將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換),這類型的代表有增量型旋轉編碼器,將信號以脈沖的方式提供給控制器;


          開關傳感器是當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時,傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號,如液位開關傳感器、溫度開關傳感器、接近傳感器等。


          4) 按照所用材料分類


          按照傳感器所用材料類別可分為金屬、聚合物、陶瓷、混合物等;還可按材料的物理性質分為導體、半導體、絕緣體、磁性材料等;亦可以按材料的晶體結構分為單晶、多晶、非晶材料等類型。


          5) 按照制作工藝分類


          按照傳感器制作工藝可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器等。其中集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的;薄膜傳感器是通過真空沉積技術,在介質襯底(基板)上形成敏感材料的薄膜;厚膜傳感器則是利用敏感材料的漿料涂覆在基片上制成,通常涂覆后還要進行熱處理,使厚膜成形;陶瓷傳感器的制造主要是依靠標準的陶瓷工藝或變種的溶膠工藝,將成形的元件在高溫中進行燒結。

          應用于制造業場景的傳感器類型多樣,本文將選取視覺/圖像傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、編碼器、接近傳感器等工業應用中常見的六類傳感器,圍繞其測量參數、應用場景、技術現狀與發展趨勢等方面進行介紹,并盤點相應的主流生產廠商。

          1、視覺/圖像傳感器


          視覺傳感器(也叫圖像傳感器)是機器視覺技術的基礎,顧名思義是對圖像進行采集的裝置,是工業相機的核心部件。


          隨著機器視覺技術從二維圖像識別到三維圖像識別的演進,圖像傳感器在工業智能化生產中的應用也從質量控制階段發展到了精密測量階段。光柵投影三維測量技術就是基于三維圖像識別的一種精密測量技術[4],該技術將光柵條紋投射到被測物體,由CCD采集到條紋圖像后,通過圖像處理與三維轉換模型得到被測物體的三維信息,具有測量速度快、視場大、精度高等優點。據悉,國內的光柵投影三維測量精度目前最高可達8微米量級。在基于圖像傳感的精密測量加持下,目前汽車工業的沖壓、焊裝、涂裝、總裝等四大工藝環節都實現了高精度的自動化操作。


          圖像傳感器當前的主流技術包括CCD和CMOS兩大類。CCD(Charge-Coupled Device)含義是電荷耦合器件,CMOS是互補金屬氧化物半導體。兩類技術的主要差異是數字信號的傳送方式不同,CCD中共用一個模數轉換器,而CMOS中每個像素都有獨立的模數轉換器。這種差異導致CCD圖像傳感器在分辨率、靈敏度以及噪聲控制等方面表現較優,而CMOS圖像傳感器則具有低功耗、低成本以及高整合度的特性。業界普遍認為CMOS技術最終會取代CCD技術,但目前在工業相機中,CCD技術還是主流。隨著制造技術的進步,兩者的差異正在縮小,預計在相當長一段時間內,兩者會保持共存的關系。

          圖像傳感器的國際廠商主要有索尼、三星、豪威、安森美、海力士、意法半導體、基恩士、康耐視、西克等,國內廠商則有格科微、思特威、??禉C器人、深視智能、大恒圖像、奧普特、凌云光、華??萍?、圖漾科技等。


          2、壓力傳感器


          壓力傳感器(Pressure Sensor)是工業實踐中最為常用的一種傳感器,通常用于測量物體受力情況,并將其轉化成能夠傳輸和顯示的電信號,因此也常被稱為“變送器"(需要注意的是,在很多場合實際測量值為壓強,因此稱“壓強傳感器"更為準確,但工程上習慣稱“壓力傳感器")。


          壓力測量在工業領域應用很多。第一種常見的應用是稱重,分為靜態和動態稱重。常見的電子秤、汽車地磅等屬于靜態稱重,工業場合多用動態稱重,如輸送機在輸送大宗散料過程中的稱重,汽車在裝卸過程中的稱重等。第二種常見應用是監控生產過程中產生的力。例如,鍛壓是機械加工中常見的成形工藝,在鍛壓時會產生非常大的力施加于工件,有時會超過鍛壓機的公稱力,對設備造成損壞,因此需要對加工力進行監測。另外一種常見應用則是對加速度、振動等動態壓力的測量,如電機運行中振動的測量能夠有效地幫助診斷和預防電機故障。


          除了直接的壓力測量,壓力傳感器同時也可用于間接測量其他量,如液體/氣體的流量、速度、液位等,在流程行業壓力傳感器常見的三類應用如下:第一種是在蒸汽系統的壓強測量中,壓力傳感器首先用來監控壓力,其次可以測量蒸汽流動的時間和流向,智能壓力傳感器還可以通過控制閥門以調節蒸汽壓力保持在恒定數值上。第二種是過濾系統的流量測量。壓力傳感器被安裝在過濾器旁,只要濾網開始堵塞,流量就會降低,隨之濾網處受到的壓強就會發生變化,從而給出提示需要清理或者更換過濾器。還有一種是液位的測量,通過測量液面和容器內氣體的壓力差值來間接計算出靜態或者動態液位。


          根據結構與原理的不同,壓力傳感器可分為應變式、壓阻式、電容式、壓電式、光電式、光纖式、超聲式等不同類型。其中應變式是應用較為廣泛的一種,有數據表明,應變式壓力傳感器使用量約占壓力傳感器總量的90%左右。這類傳感器廣泛用于機械、汽車、食品、建筑等行業,如機械制造工藝中的液壓系統、動力系統等,以及機械裝備的載荷監測系統。


          壓力傳感器的生產廠商眾多,其中較為的國際廠商均有生產,如博世、英飛凌、泰科電子、霍尼韋爾、意法半導體、森薩塔、橫河電機、威卡、安費諾、恩智浦等等,國內廠商有杭州美控、青島潤能、鵬合電子、聯測、天宇恒創、米科、創威、星儀、匡建儀表等。


          3、液位傳感器


          液位傳感器能夠把容器內的液位高度轉換成為標準電信號,進行集中顯示、報警、控制,廣泛應用在石油、化工、冶金、電力、制藥、食品加工、給排水、環保等領域。


          工業中常用的液位傳感器可分為點式液位傳感器和連續液位傳感器兩類。


          點式液位傳感器通常用于檢測介質存在與否,或者判斷液位處在高或低的水平。點式液位傳感器的兩類常見應用一是泄露檢測,防止對設備、生產造成損壞。如液壓系統的油液,通過非工作通道,由高壓腔流到低壓腔,或由系統內流到系統外時,會造成設備異常,嚴重時導致整機癱瘓;二是防止液體外溢或者空轉干燒的情況。生產中的常見裝置水泵,其葉輪主要依靠水流冷卻。當管道中缺水時,水泵長時間空轉會產生大量熱量,進而燒毀。


          連續液位傳感器用于實現液位的連續測量。在化工行業一些有毒有害的原料檢測場合,如液氯儲罐、氯化石蠟反應釜中,連續液位傳感能夠適用這種危險品的實時液位監測,對生產的監控、分析具有重要意義。


          液位傳感器根據檢測原理,可以分為電容式、電導率(電阻)式、光學、振動音叉式、浮子式、超聲波式、雷達(微波)式、激光式等。與前幾種類型相比,超聲波式和雷達式屬于非接觸式測量,適用于有毒、高粘性液體的液位測量,在當前的工業應用中普及迅速。由于超聲波需要傳播媒介,且容易被氣泡、水霧等吸收,而電磁波不存在這些問題,因此相比超聲波式,雷達式應用的場合要擴展不少。激光液位傳感器的出現,更是將非接觸式的液位測量拓展到表面粗造的工況中,如鑄造砂型鐵水液位測量。

          液位傳感器的國際廠商主要有威格、西門子、科隆、E+H、艾默生、橫河電機、ABB、霍尼韋爾、施耐德、西克等,國內廠商主要有美控、正泰、伊萊科、新九洲、匡建儀表、天康、中控、通博、仁科等。


          4、溫度傳感器


          溫度是工業生產領域的重要參數,在工業生產自動化流程中,溫度測量點有時會占全部測量點的一半以上。例如,在鋼鐵冶煉過程中,準確地控制冶煉溫度可以明顯提高產品質量,還能節能降耗;在石油煉化廠,準確控制裂解溫度,可以得到不同品質的柴油系列產品。


          溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分,可按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻、熱電偶、半導體熱敏電阻以及光學式等,也可按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。熱電阻、熱電偶、半導體熱敏電阻等等屬于接觸式溫度傳感器,非接觸式溫度傳感器則主要包括紅外測溫、光纖測溫等。非接觸式溫度傳感器具有測溫范圍廣、測溫面積大、信號傳輸與轉換方便快捷等優勢,正在工業測溫領域逐步普及。


          紅外測溫儀是常見的非接觸式溫度傳感器,它是利用被測物體自身向外輻射的能量來實現對溫度的監測,還可以將溫度分布以可視化的形式展示出來(紅外熱像儀),是溫度檢測的重要手段。目前紅外熱像儀在新品研發、生產管控、設備維護、環境檢測等領域獲得了廣泛應用,特別在高溫測量方面,如高爐爐壁、工件、冷卻壁等固體表面測溫以及爐膛內溫度及分布的測量等。

          溫度傳感器的國際廠商有德州儀器、泰科電子、TDK、芝浦電子、TKS、SEMITEC、意法半導體、霍尼韋爾、安費諾、西門子等,國內廠商則有華工科技(華工高理)、高德智感、杭州美控、飛卓科技、奧迪威、保隆科技、精創、南北儀器、勝利儀器等。


          5、編碼器


          編碼器(encoder)是一種運動控制傳感器,主要用于機械運動中角度、速度、位置、距離等的測量,廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、電梯等需要檢測位置和角度的裝置中。它同時也是一種典型的數字傳感器,能夠將被測對象轉換為數字信號輸出。


          按結構形式劃分,編碼器可分為線性編碼器和旋轉編碼器。其中線性編碼器用來測量直線位移,通常用在CNC銑床上;旋轉編碼器可以將旋轉位置或旋轉量轉換成模擬或數字信號,多用于需要精確旋轉位置及速度的場合,例如機器人。


          按照測量類型,編碼器可以分為增量式編碼器和絕對式編碼器。顧名思義,增量式編碼器可以輸出編碼器從預定義起始位置發生的增量變化。優點是精度高、構造簡單,可靠性高,成本相對較低。缺點是斷電后需要先尋零,易受干擾導致累計誤差。絕對式編碼器可以記錄編碼器在一個絕對坐標系上的位置,優點是精度高,無接觸,壽命長,開機不需尋零,沒有累計誤差,缺點是結構復雜,價格不具優勢。


          按照工作原理,編碼器又可分為光電式、電磁式、電感式、電容式、激光式等。其中光學編碼器精度更高,應用范圍更廣,但在戶外及惡劣環境下使用時需要較高的防護要求,并且不適宜在凝露的環境中使用。比如在低溫下使用光學編碼器,如果環境溫度急劇上升,可能在光學碼盤上形成凝霧,進而導致信號讀取障礙;磁編碼器受到環境的影響較小,但由于存在天然的非線性現象,精度不如光學編碼器。它們通常用于灰塵、蒸汽、振動和其他可能干擾光學編碼器性能的環境中。隨著技術的發展,磁編碼器的精度得到持續提升,逐漸可與光學編碼器抗衡。

          編碼器的國際廠商有海德漢、西克、堡盟、倍加福、亨士樂、多摩川、歐姆龍、奧托尼克斯、圖爾克、巴魯夫等,國內廠商有禹衡光學、宜科電子、時易、深浦電氣、上海锝秉工控、升威電子等。


          6、接近傳感器


          以無需接觸的方式檢測到物體的接近和檢測對象有無的產品總稱為“接近傳感器"或者“接近開關",在各種自動控制系統中可作為限位、定位控制等功能使用,能夠保障生產安全。


          接近傳感器代替了限位開關等接觸式檢測方式,根據其感應原理,一般分為電感式、電容式、光電式、磁性式等,每種類型都有特定使用的應用范圍,如電感式接近傳感器檢測的被測物體是金屬導體,非金屬導體不能測量;電容式接近開關可以檢測絕緣的液體或粉狀物體;光電式開關抗電、磁干擾能力強,但使用環境要保證不能振動,否則將嚴重影響精度;磁性接近傳感器利用磁效應,只對磁性物體做出響應。


          安全光幕是一種典型的接近傳感器,隨著人與機器協同工作場景的普及而為人們所熟知。安全光幕主要由投光器和受光器組成,兩者之間形成一個保護網,當有物體進入保護網區間,投光器發射的光線會被物體擋住,受光器就會作出反應。安全光幕常會應用在具有潛在危險的機械設備或危險區域,如沖壓機械、剪切設備、金屬切削設備、自動化焊接線、機械傳送搬運設備以及高溫、高壓及有毒等危險區域。

          接近傳感器的國際廠商有西克、易福門、巴魯夫、圖爾克、歐姆龍、倍加福、阿自倍爾、奧托尼克斯、基恩士、堡盟等,國內廠商有長江傳感、德寶、深浦、德夫爾、肯森斯等。

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