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解决方案-制造业传感器的分析和应用

更新时间:2023-09-06      点击次数:310

21世纪,传感器已是无处不在。日常生活中,小到遥控器、感应灯,大到医疗器械、机器人,都离不开传感器。而像手机、汽车、飞机等智能产品,更是集成应用了很多传感器。据统计,一部普通的智能手机大约应用了10余个传感器,一辆高档汽车的传感器往往上百,而一架飞机中则有2000-4000个传感器。


传感器不仅在生活中极为常见,在工业领域中更是不可缺。工业4.0时代,传感器已经成为工业生产中的智能“感官",帮助人们检测关键变量,监控生产过程,保障生产安全。比如,图像传感器能够对三维结构件进行精密测量与精准定位,实现机械加工工艺的优化和提升;温度传感器可以连续测量大面积的温度分布,为生产工艺的精准控制提供决策依据;接近传感器能检测出人体等目标对象的靠近,在大型机械设备运行中切实保障生产安全。

本文将带来传感器的演进过程,介绍常见的传感器分类,并选取六类传感器,介绍其发展与应用趋势。

◉ 结构型传感器是利用结构参量的变化来感受和转化信号。如电阻式直线位移传感器,以位移或力的作用使电阻值产生变化进而来反映被测量的大小。


◉ 物性型传感器是利用材料本身的物理特性变化而实现测量的传感器,例如热敏传感器、光敏传感器。物性型传感器无可动部件,灵敏度高,可以减少对被测对象的影响,解决了结构型传感器不能解决的某些对象测量问题,扩大了传感器的应用领域。


◉ 智能型传感器是对自身状态具有一定的自诊断、自补偿、自适应能力,同时具有双向通讯功能的传感器装置。从结构上看,它是将传感器、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等有机结合,通过高度敏感的传感元件实现多功能检测,通过边缘计算实现数据处理,基于网络实现测量数据汇聚的一个感知测量系统 [2]常见的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)传感器可视为典型的智能传感器,随着CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)技术与MEMS技术的发展与融合,智能传感器未来将继续向网络化、微型化、集成化和多样化发展。

与结构型、物性型传感器相比,智能传感器能瞬时获取大量信息,对所获取的信息还具有信号处理的功能,具有高精度、高可靠性、高适应性的优势。智能传感器迎合了工业4.0时代对数据采集、处理等流程的高阶需求,正逐渐成为市场主流。


传感器分类方式较为多样,有通用分类、智能化分类、物联网相关分类等。其中仅就通用分类方式而言,常见的有按检测对象(用途)、工作原理、输出信号类型、制作材料、工作机理、制作工艺等方面进行分类 [3],也可以依据结构类型、感知量类型、作用形式、能量变换关系、技术特征以及关联方式等进行分类。


传感器的分类也不止一个层级,通常可以根据更具体的检测对象、工作原理或应用场景等进行更细层级的划分,见下图示意。下文将基于传感器通用分类方式中常见的几类进行介绍。

1) 按照检测对象(用途)分类


根据检测对象(用途)进行分类,有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、湿度传感器、光强传感器、浓度传感器、粘度传感器等等。


上述传感器还可以根据具体的检测对象进一步细分,如速度传感器可以分为角速度传感器、线速度传感器等,压力传感器可以分为静态压力传感器、动态压力传感器、差压传感器以及真空传感器等。


2) 按工作原理分类


根据作用原理的不同,传感器可分为物理型、化学型和生物型三大类:


物理传感器是依据变换元件的物理性质制成的传感器,可以按照被测量所属细分领域划分为力学、热学、光学、磁学、声学、电学等类型,常见的如电学传感器、光学传感器。还可以进一步细分,如电学传感器又可分为电容式、电阻式、电感式等等,典型的有电阻式位移传感器、电容式压力传感器等。


化学传感器是利用敏感材料与物质间的电化学反应原理,把无机和有机化学成分、浓度等转换成电信号的传感器,如气体传感器、湿度传感器等。


生物传感器是对生物物质敏感,并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物体中,能够选择性的分辨特定物质的种类有酶、微生物、抗体等等,据此进一步分类,常见的有酶传感器、微生物传感器等。


3) 按照输出信号的形式分类


根据输出信号,可分为模拟型、数字型、赝数字型、开关型等类型。其中:


模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号,即连续的信号。常见的模拟传感器有声音传感器、水位传感器等;


数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换),即离散的信号。常见的数字传感器有编码器、计量光栅等;


赝数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换),这类型的代表有增量型旋转编码器,将信号以脉冲的方式提供给控制器;


开关传感器是当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号,如液位开关传感器、温度开关传感器、接近传感器等。


4) 按照所用材料分类


按照传感器所用材料类别可分为金属、聚合物、陶瓷、混合物等;还可按材料的物理性质分为导体、半导体、绝缘体、磁性材料等;亦可以按材料的晶体结构分为单晶、多晶、非晶材料等类型。


5) 按照制作工艺分类


按照传感器制作工艺可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器等。其中集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的;薄膜传感器是通过真空沉积技术,在介质衬底(基板)上形成敏感材料的薄膜;厚膜传感器则是利用敏感材料的浆料涂覆在基片上制成,通常涂覆后还要进行热处理,使厚膜成形;陶瓷传感器的制造主要是依靠标准的陶瓷工艺或变种的溶胶工艺,将成形的元件在高温中进行烧结。

应用于制造业场景的传感器类型多样,本文将选取视觉/图像传感器、压力传感器、液位传感器、温度传感器、编码器、接近传感器等工业应用中常见的六类传感器,围绕其测量参数、应用场景、技术现状与发展趋势等方面进行介绍,并盘点相应的主流生产厂商。

1、视觉/图像传感器


视觉传感器(也叫图像传感器)是机器视觉技术的基础,顾名思义是对图像进行采集的装置,是工业相机的核心部件。


随着机器视觉技术从二维图像识别到三维图像识别的演进,图像传感器在工业智能化生产中的应用也从质量控制阶段发展到了精密测量阶段。光栅投影三维测量技术就是基于三维图像识别的一种精密测量技术[4],该技术将光栅条纹投射到被测物体,由CCD采集到条纹图像后,通过图像处理与三维转换模型得到被测物体的三维信息,具有测量速度快、视场大、精度高等优点。据悉,国内的光栅投影三维测量精度目前最高可达8微米量级。在基于图像传感的精密测量加持下,目前汽车工业的冲压、焊装、涂装、总装等四大工艺环节都实现了高精度的自动化操作。


图像传感器当前的主流技术包括CCD和CMOS两大类。CCD(Charge-Coupled Device)含义是电荷耦合器件,CMOS是互补金属氧化物半导体。两类技术的主要差异是数字信号的传送方式不同,CCD中共用一个模数转换器,而CMOS中每个像素都有独立的模数转换器。这种差异导致CCD图像传感器在分辨率、灵敏度以及噪声控制等方面表现较优,而CMOS图像传感器则具有低功耗、低成本以及高整合度的特性。业界普遍认为CMOS技术最终会取代CCD技术,但目前在工业相机中,CCD技术还是主流。随着制造技术的进步,两者的差异正在缩小,预计在相当长一段时间内,两者会保持共存的关系。

图像传感器的国际厂商主要有索尼、三星、豪威、安森美、海力士、意法半导体、基恩士、康耐视、西克等,国内厂商则有格科微、思特威、海康机器人、深视智能、大恒图像、奥普特、凌云光、华睿科技、图漾科技等。


2、压力传感器


压力传感器(Pressure Sensor)是工业实践中最为常用的一种传感器,通常用于测量物体受力情况,并将其转化成能够传输和显示的电信号,因此也常被称为“变送器"(需要注意的是,在很多场合实际测量值为压强,因此称“压强传感器"更为准确,但工程上习惯称“压力传感器")。


压力测量在工业领域应用很多。第一种常见的应用是称重,分为静态和动态称重。常见的电子秤、汽车地磅等属于静态称重,工业场合多用动态称重,如输送机在输送大宗散料过程中的称重,汽车在装卸过程中的称重等。第二种常见应用是监控生产过程中产生的力。例如,锻压是机械加工中常见的成形工艺,在锻压时会产生非常大的力施加于工件,有时会超过锻压机的公称力,对设备造成损坏,因此需要对加工力进行监测。另外一种常见应用则是对加速度、振动等动态压力的测量,如电机运行中振动的测量能够有效地帮助诊断和预防电机故障。


除了直接的压力测量,压力传感器同时也可用于间接测量其他量,如液体/气体的流量、速度、液位等,在流程行业压力传感器常见的三类应用如下:第一种是在蒸汽系统的压强测量中,压力传感器首先用来监控压力,其次可以测量蒸汽流动的时间和流向,智能压力传感器还可以通过控制阀门以调节蒸汽压力保持在恒定数值上。第二种是过滤系统的流量测量。压力传感器被安装在过滤器旁,只要滤网开始堵塞,流量就会降低,随之滤网处受到的压强就会发生变化,从而给出提示需要清理或者更换过滤器。还有一种是液位的测量,通过测量液面和容器内气体的压力差值来间接计算出静态或者动态液位。


根据结构与原理的不同,压力传感器可分为应变式、压阻式、电容式、压电式、光电式、光纤式、超声式等不同类型。其中应变式是应用较为广泛的一种,有数据表明,应变式压力传感器使用量约占压力传感器总量的90%左右。这类传感器广泛用于机械、汽车、食品、建筑等行业,如机械制造工艺中的液压系统、动力系统等,以及机械装备的载荷监测系统。


压力传感器的生产厂商众多,其中较为的国际厂商均有生产,如博世、英飞凌、泰科电子、霍尼韦尔、意法半导体、森萨塔、横河电机、威卡、安费诺、恩智浦等等,国内厂商有杭州美控、青岛润能、鹏合电子、联测、天宇恒创、米科、创威、星仪、匡建仪表等。


3、液位传感器


液位传感器能够把容器内的液位高度转换成为标准电信号,进行集中显示、报警、控制,广泛应用在石油、化工、冶金、电力、制药、食品加工、给排水、环保等领域。


工业中常用的液位传感器可分为点式液位传感器和连续液位传感器两类。


点式液位传感器通常用于检测介质存在与否,或者判断液位处在高或低的水平。点式液位传感器的两类常见应用一是泄露检测,防止对设备、生产造成损坏。如液压系统的油液,通过非工作通道,由高压腔流到低压腔,或由系统内流到系统外时,会造成设备异常,严重时导致整机瘫痪;二是防止液体外溢或者空转干烧的情况。生产中的常见装置水泵,其叶轮主要依靠水流冷却。当管道中缺水时,水泵长时间空转会产生大量热量,进而烧毁。


连续液位传感器用于实现液位的连续测量。在化工行业一些有毒有害的原料检测场合,如液氯储罐、氯化石蜡反应釜中,连续液位传感能够适用这种危险品的实时液位监测,对生产的监控、分析具有重要意义。


液位传感器根据检测原理,可以分为电容式、电导率(电阻)式、光学、振动音叉式、浮子式、超声波式、雷达(微波)式、激光式等。与前几种类型相比,超声波式和雷达式属于非接触式测量,适用于有毒、高粘性液体的液位测量,在当前的工业应用中普及迅速。由于超声波需要传播媒介,且容易被气泡、水雾等吸收,而电磁波不存在这些问题,因此相比超声波式,雷达式应用的场合要扩展不少。激光液位传感器的出现,更是将非接触式的液位测量拓展到表面粗造的工况中,如铸造砂型铁水液位测量。

液位传感器的国际厂商主要有威格、西门子、科隆、E+H、艾默生、横河电机、ABB、霍尼韦尔、施耐德、西克等,国内厂商主要有美控、正泰、伊莱科、新九洲、匡建仪表、天康、中控、通博、仁科等。


4、温度传感器


温度是工业生产领域的重要参数,在工业生产自动化流程中,温度测量点有时会占全部测量点的一半以上。例如,在钢铁冶炼过程中,准确地控制冶炼温度可以明显提高产品质量,还能节能降耗;在石油炼化厂,准确控制裂解温度,可以得到不同品质的柴油系列产品。


温度传感器是温度测量仪表的核心部分,可按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻、热电偶、半导体热敏电阻以及光学式等,也可按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。热电阻、热电偶、半导体热敏电阻等等属于接触式温度传感器,非接触式温度传感器则主要包括红外测温、光纤测温等。非接触式温度传感器具有测温范围广、测温面积大、信号传输与转换方便快捷等优势,正在工业测温领域逐步普及。


红外测温仪是常见的非接触式温度传感器,它是利用被测物体自身向外辐射的能量来实现对温度的监测,还可以将温度分布以可视化的形式展示出来(红外热像仪),是温度检测的重要手段。目前红外热像仪在新品研发、生产管控、设备维护、环境检测等领域获得了广泛应用,特别在高温测量方面,如高炉炉壁、工件、冷却壁等固体表面测温以及炉膛内温度及分布的测量等。

温度传感器的国际厂商有德州仪器、泰科电子、TDK、芝浦电子、TKS、SEMITEC、意法半导体、霍尼韦尔、安费诺、西门子等,国内厂商则有华工科技(华工高理)、高德智感、杭州美控、飞卓科技、奥迪威、保隆科技、精创、南北仪器、胜利仪器等。


5、编码器


编码器(encoder)是一种运动控制传感器,主要用于机械运动中角度、速度、位置、距离等的测量,广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、电梯等需要检测位置和角度的装置中。它同时也是一种典型的数字传感器,能够将被测对象转换为数字信号输出。


按结构形式划分,编码器可分为线性编码器和旋转编码器。其中线性编码器用来测量直线位移,通常用在CNC铣床上;旋转编码器可以将旋转位置或旋转量转换成模拟或数字信号,多用于需要精确旋转位置及速度的场合,例如机器人。


按照测量类型,编码器可以分为增量式编码器和绝对式编码器。顾名思义,增量式编码器可以输出编码器从预定义起始位置发生的增量变化。优点是精度高、构造简单,可靠性高,成本相对较低。缺点是断电后需要先寻零,易受干扰导致累计误差。绝对式编码器可以记录编码器在一个绝对坐标系上的位置,优点是精度高,无接触,寿命长,开机不需寻零,没有累计误差,缺点是结构复杂,价格不具优势。


按照工作原理,编码器又可分为光电式、电磁式、电感式、电容式、激光式等。其中光学编码器精度更高,应用范围更广,但在户外及恶劣环境下使用时需要较高的防护要求,并且不适宜在凝露的环境中使用。比如在低温下使用光学编码器,如果环境温度急剧上升,可能在光学码盘上形成凝雾,进而导致信号读取障碍;磁编码器受到环境的影响较小,但由于存在天然的非线性现象,精度不如光学编码器。它们通常用于灰尘、蒸汽、振动和其他可能干扰光学编码器性能的环境中。随着技术的发展,磁编码器的精度得到持续提升,逐渐可与光学编码器抗衡。

编码器的国际厂商有海德汉、西克、堡盟、倍加福、亨士乐、多摩川、欧姆龙、奥托尼克斯、图尔克、巴鲁夫等,国内厂商有禹衡光学、宜科电子、时易、深浦电气、上海锝秉工控、升威电子等。


6、接近传感器


以无需接触的方式检测到物体的接近和检测对象有无的产品总称为“接近传感器"或者“接近开关",在各种自动控制系统中可作为限位、定位控制等功能使用,能够保障生产安全。


接近传感器代替了限位开关等接触式检测方式,根据其感应原理,一般分为电感式、电容式、光电式、磁性式等,每种类型都有特定使用的应用范围,如电感式接近传感器检测的被测物体是金属导体,非金属导体不能测量;电容式接近开关可以检测绝缘的液体或粉状物体;光电式开关抗电、磁干扰能力强,但使用环境要保证不能振动,否则将严重影响精度;磁性接近传感器利用磁效应,只对磁性物体做出响应。


安全光幕是一种典型的接近传感器,随着人与机器协同工作场景的普及而为人们所熟知。安全光幕主要由投光器和受光器组成,两者之间形成一个保护网,当有物体进入保护网区间,投光器发射的光线会被物体挡住,受光器就会作出反应。安全光幕常会应用在具有潜在危险的机械设备或危险区域,如冲压机械、剪切设备、金属切削设备、自动化焊接线、机械传送搬运设备以及高温、高压及有毒等危险区域。

接近传感器的国际厂商有西克、易福门、巴鲁夫、图尔克、欧姆龙、倍加福、阿自倍尔、奥托尼克斯、基恩士、堡盟等,国内厂商有长江传感、德宝、深浦、德夫尔、肯森斯等。

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