Sensoren sind grundlegende Produkte in der Industrie zur Herstellung elektronischer Informationsgeräte und stellen Spezialkomponenten unter den neuen elektronischen Komponenten dar, die für die Entwicklung Priorität haben. Die Sensorindustrie, die im In- und Ausland weithin als vielversprechender High-Tech-Sektor anerkannt ist, erregt aufgrund ihres hohen technologischen Inhalts, ihrer starken wirtschaftlichen Erträge, ihrer umfassenden Marktdurchdringung und ihrer breiten Marktaussichten weltweite Aufmerksamkeit. Angetrieben durch den boomenden Markt der elektronischen Informationsindustrie hat der chinesische Sensorsektor eine solide industrielle Grundlage geschaffen. Es wurden erhebliche Fortschritte bei der technologischen Innovation, der unabhängigen Forschung und Entwicklung, der Kommerzialisierung von Errungenschaften und der Wettbewerbsfähigkeit erzielt, was einen wesentlichen Beitrag zur wirtschaftlichen Entwicklung des Landes leistete.
Mit dem Aufkommen des Informationszeitalters sind Sensoren für den Menschen zum wichtigsten Mittel geworden, um Informationen aus natürlichen und industriellen Bereichen zu erfassen. In der modernen industriellen Produktion -insbesondere in automatisierten Prozessen-überwachen und steuern verschiedene Sensoren wichtige Parameter, um die Betriebsbedingungen der Geräte optimal zu halten und die Produktqualität sicherzustellen. Sensoren nehmen in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung einen noch größeren Stellenwert ein.
Heutzutage sind Sensoren in einem äußerst breiten Spektrum von Bereichen angekommen, darunter in der industriellen Produktion, der Weltraumforschung, der Ozeanographie, dem Umweltschutz, der Ressourcenerhebung, der medizinischen Diagnostik, der Biotechnik und sogar der Erhaltung kultureller Relikte. Offensichtlich ist die entscheidende Rolle der Sensortechnologie für die wirtschaftliche Entwicklung und den sozialen Fortschritt unbestreitbar. Statistiken zeigen, dass der jährliche Umsatz des globalen Marktes für intelligente Sensoren voraussichtlich um 10 % pro Jahr wachsen wird. Derzeit sind weltweit 65 Millionen Sensorgeräte mit Prozessoren installiert, eine Zahl, die bis 2019 voraussichtlich 2,8 Billionen erreichen wird.
Wichtige Überlegungen zur Sensorauswahl
Das Sensorwissen stellt einen wesentlichen Teilbereich der Elektrotechnik dar, dessen Beherrschung umfassende Erfahrung erfordert. Wir werden dies in zukünftigen Diskussionen weiter untersuchen. Heute konzentrieren wir uns vor allem auf Auswahlkriterien.
1. Bestimmen Sie den Typ anhand des Messobjekts und der Ausgabeanforderungen
Um eine konkrete Messaufgabe zu lösen, gilt es zunächst, das geeignete Sensorprinzip auszuwählen. Diese Entscheidung erfordert die Analyse mehrerer Faktoren. Zu den Durchflussmessern zählen beispielsweise elektromagnetische, Wirbel- und Ultraschall-Durchflussmesser. Die Auswahl des geeigneten Durchflussmessers erfordert die Festlegung spezifischer Ziele. Berücksichtigen Sie außerdem den erforderlichen Ausgabemodus-z. B. 2-Draht- oder 4-Draht-Stromsignale (0–20 mA, 4–20 mA), 0–10 V-Spannungssignale oder Kommunikationsprotokolle.
2. Auswahl basierend auf der Empfindlichkeit
Typischerweise wird innerhalb des linearen Bereichs eines Sensors eine höhere Empfindlichkeit bevorzugt. Nur bei hoher Empfindlichkeit entspricht das Ausgangssignal deutlich den Änderungen der Messgröße und erleichtert so die Signalverarbeitung. Beachten Sie jedoch, dass eine hohe Empfindlichkeit den Sensor auch anfällig für externes Rauschen macht, das nichts mit der gemessenen Größe zu tun hat. Dieses Rauschen kann durch das System verstärkt werden, was die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Daher sollte der Sensor selbst ein hohes Signal-zu-Verhältnis aufweisen, um Störungen durch externe Quellen zu minimieren.
Die Sensorempfindlichkeit ist gerichtet. Wenn Sie einen unidirektionalen Vektor mit hohen Richtungsanforderungen messen, wählen Sie einen Sensor mit geringer Empfindlichkeit in anderen Richtungen. Minimieren Sie bei mehrdimensionalen Vektoren die Querempfindlichkeit des Sensors.
3. Bewertung der Frequenzgangeigenschaften
Der Frequenzgang eines Sensors bestimmt den messbaren Frequenzbereich, der innerhalb der zulässigen Grenzen verzerrungsfrei bleiben muss. In der Praxis weist die Sensorreaktion immer eine gewisse Verzögerung auf, die idealerweise minimiert wird. Ein höherer Frequenzgang ermöglicht breitere messbare Signalfrequenzen. Bei dynamischen Messungen müssen die Antworteigenschaften mit den Signaleigenschaften (stationärer Zustand, transient, zufällig usw.) übereinstimmen, um übermäßige Fehler zu verhindern.
4. Basierend auf der Sensorstabilität
Die Fähigkeit eines Sensors, über einen längeren Zeitraum eine konstante Leistung aufrechtzuerhalten, wird als Stabilität bezeichnet. Zu den Faktoren, die die Langzeitstabilität beeinflussen, gehört nicht nur die interne Struktur des Sensors, sondern vor allem seine Betriebsumgebung. Um eine gute Stabilität zu gewährleisten, müssen Sensoren daher über eine starke Anpassungsfähigkeit an die Umgebung verfügen. Bevor Sie einen Sensor auswählen, untersuchen Sie dessen vorgesehene Betriebsumgebung. Wählen Sie einen geeigneten Sensor basierend auf spezifischen Bedingungen oder ergreifen Sie Maßnahmen, um die Umweltbelastung zu minimieren.
5. Reichweite und Genauigkeit: Das Paar, das am schwierigsten zu balancieren ist
Genauigkeit ist eine entscheidende Leistungsmetrik für Sensoren und dient als wichtiges Glied bei der Bestimmung der gesamten Messgenauigkeit eines Systems. Die Genauigkeit des Sensors wird jedoch durch seinen Bereich eingeschränkt: Im Allgemeinen führt ein größerer Bereich zu einer geringeren Genauigkeit. Umgekehrt mangelt es Sensoren mit hoher{2}}Genauigkeit oft an ausreichender Reichweite, wodurch Sensoren mit hoher{3}}Genauigkeit und großer-Reichweite unerschwinglich teuer werden. Daher ist bei der Auswahl der Sensoren ein ausgewogener Ansatz erforderlich.
Stellen Sie bei der Auswahl von Probenahmesensoren sicher, dass das Gerät die grundlegenden Betriebsbedingungen der Anwendung erfüllt (siehe Datenblätter des Herstellers).
Zu den sechs kritischsten Betriebsbedingungen gehören:
1) Temperaturbereich;
2) Spezifikationen;
3) Schutzart;
4) Spannungsbereich;
5) Diskreter oder analoger Ausgang;
6) Parametervariation, insbesondere ob „einstellbare Parameter von Vorteil sind“.
Bei der Betrachtung von Sensoren mit IO-Link-Konfigurationsfunktion verdienen sechs zusätzliche Faktoren Beachtung:
1) Reaktionsgeschwindigkeit;
2) Erfassungsbereich;
3) Wiederholbarkeit;
4) Elektrische Konnektivität;
5) Montageart;
6) Visuelle Anzeige: Ob die Anwendung eine visuelle Anzeige am Sensor erfordert.
In der modernen industriellen Produktion, insbesondere in automatisierten Prozessen, überwachen und steuern verschiedene Sensoren Parameter während der gesamten Fertigung. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausrüstung normal oder optimal funktioniert und gleichzeitig die höchste Produktqualität erzielt wird. Ohne eine breite Palette hochwertiger-Sensoren stünde die moderne Produktion also auf der Kippe. Im Folgenden werden einige der gängigsten Sensortypen in der Fertigung beschrieben, zusammen mit Anwendungstipps und Erkenntnissen.
Die häufigsten Sensortypen
Näherungssensoren
Näherungssensoren erkennen berührungslos die Anwesenheit von Objekten in der Nähe. Bei diesen Sensoren handelt es sich um diskrete Ausgabegeräte. Typischerweise erkennen magnetische Näherungssensoren, ob ein Aktuator eine bestimmte Position erreicht hat, indem sie einen Magneten im Aktuator erfassen.
Der Kauf eines Aktors von einem Unternehmen und eines magnetischen Näherungssensors von einem anderen ist grundsätzlich nicht ratsam. Während Sensorhersteller möglicherweise Kompatibilität mit X-, Y- und Z-Aktuatoren behaupten, können Abweichungen bei Magneten und Montagepositionen zu Sensorproblemen führen. Beispielsweise kann es sein, dass der Sensor aktiviert wird, wenn der Magnet falsch ausgerichtet ist, oder dass er überhaupt nicht aktiviert wird. Wenn der Aktuatorhersteller einen passenden Näherungssensor anbietet, sollte dieser die bevorzugte Wahl sein.
Näherungssensoren auf Transistorbasis-haben keine beweglichen Teile und bieten eine längere Lebensdauer. Reed-basierte Näherungssensoren nutzen mechanische Kontakte, was zu einer kürzeren Lebensdauer, aber geringeren Kosten im Vergleich zu Transistortypen führt. Reed-Sensoren eignen sich am besten für Anwendungen, die Wechselstrom und Umgebungen mit hohen Temperaturen erfordern.
Positionssensoren
Positionssensoren verfügen über analoge Ausgänge, die die Aktuatorposition basierend auf der Position der Magnete am Aktuator anzeigen. Aus steuerungstechnischer Sicht bieten Positionssensoren erhebliche Flexibilität. Steuerungsingenieure können eine Reihe von Sollwerten definieren, um Komponentenschwankungen anzupassen.
Da diese Positionssensoren (wie Näherungssensoren) auf Magneten basieren, ist es ratsam, sowohl Sensoren als auch Aktoren nach Möglichkeit vom selben Hersteller zu beziehen. Die IO-Link-Funktionalität ermöglicht die Datenerfassung von Positionssensoren, vereinfacht die Steuerung und erleichtert die Parametrisierung.
Induktive Sensoren
Induktive Näherungssensoren nutzen das Faradaysche Induktionsgesetz, um die Anwesenheit von Objekten zu erkennen oder die Positionsausgabe zu simulieren. Der wichtigste Faktor bei der Auswahl induktiver Sensoren ist die Bestimmung der Art des Metalls, das der Sensor erkennt, und damit die Festlegung des Erfassungsabstands. Im Vergleich zu Eisenmetallen reduzieren Nichteisenmetalle den Erfassungsbereich um über 50 %. Die Produkthandbücher der Sensorhersteller sollten die für die Probenauswahl erforderlichen Informationen enthalten.
Druck- und Vakuumsensoren
Stellen Sie sicher, dass Druck- oder Vakuumsensoren die Messbereiche sowohl in imperialen (psi) als auch metrischen (bar) Einheiten erfüllen. Geben Sie den am besten geeigneten Formfaktor für den zugewiesenen Platz an. Überlegen Sie bei der Geräteinstallation, ob die Sensoren zur Erleichterung des Bedieners mit Anzeigeleuchten oder Anzeigebildschirmen ausgestattet sein sollten. Für schnelle Einstellungsanpassungen sollten Sie Druck- und Vakuumsensoren in Betracht ziehen, die mit IO-Link ausgestattet sind.
Durchflusssensoren
Ähnlich wie Druck- und Vakuumsensoren können Durchflusssensoren basierend auf Durchflussbereich, Größe und Variabilität der Sollwerte ausgewählt werden. Bei der Bestellung von Sensoren können Anzeigeoptionen angegeben werden. Durchflusssensoren mit relativ geringen Durchflussraten können für bestimmte Zonen oder die gesamte Geräteanwendung ausgewählt werden.
Optische Sensoren
Die gebräuchlichsten optischen Sensoren sind photoelektrische Streusensoren, Reflexionssensoren und Einwegsensoren. Lasersensoren und faseroptische Sensorgeräte fallen ebenfalls in die Kategorien optischer Sensoren.
Die meisten fotoelektrischen Sensoren erkennen Objekte, indem sie Licht reflektieren oder einen Strahl unterbrechen. Aufgrund ihrer geringen Kosten, Vielseitigkeit und hohen Zuverlässigkeit gehören diese Sensoren zu den am häufigsten in der Fertigung eingesetzten Sensoren. Reflexionslichtschranken erfordern keinen Reflektor. Sie bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis für die Erkennung der Anwesenheit von Objekten in der Nähe.
Einweg-Lichtschranken-bieten den größten Erfassungsbereich. Diese Sensoren installieren Sender- und Empfängereinheiten an zwei getrennten Punkten. Sicherheitssensoren für Garagentore sind Beispiele für Strahlsensoren. Wenn der Strahl unterbrochen wird, zeigt dies die Anwesenheit eines Ziels an. Die Lichtschranke vom Schlitz--Typ ist eine interessante Einweg--Variante; Es integriert einen Sender und einen Empfänger in einer einzigen kompakten Einheit. Lichtsensoren vom Schlitz--Typ werden verwendet, um das Vorhandensein oder Fehlen kleiner Komponenten zu erkennen.
Reflektierende fotoelektrische Sensoren verfügen über einen Sensor und einen Reflektor zur Anwesenheitserkennung im mittleren{0}}Bereich. In Bezug auf Präzision und Kosten liegen diese Sensoren zwischen den diffusen und den Einweglichtsensoren.
Zur Anwesenheits- und Abstandserfassung werden faseroptische Sensoren eingesetzt. Die Parameter dieser vielseitigen Sensoren können angepasst werden, um verschiedene Farben, Hintergründe und Entfernungsbereiche zu erkennen.
Lasersensoren können für die Anwesenheitserkennung über große Entfernungen eingesetzt werden und bieten höchste Präzision bei Messanwendungen über kurze Entfernungen.
Vision-Sensoren eignen sich zum Lesen von Barcodes, zum Zählen, zur Formüberprüfung und für ähnliche Aufgaben. Sie stellen eine kostengünstige Lösung für Bildverarbeitungsanwendungen dar, bei denen Kamerasysteme übermäßig teuer oder komplex wären. Vision-Sensoren lesen Barcodes, verfolgen einzelne Komponenten und führen auf diese Komponenten zugeschnittene Prozesse aus. Sensoren können die Anzahl der auf einem Teil vorhandenen Merkmale überprüfen. Vision-Sensoren können feststellen, ob eine bestimmte Kurve oder andere Form erreicht wurde. Da diese Sensoren Licht verarbeiten, ist es von entscheidender Bedeutung, sie unter Bedingungen zu testen, die der tatsächlichen Betriebsumgebung möglichst nahe kommen -hinsichtlich Umgebungslicht und Hintergrundreflexion-. In den meisten Anwendungen wird empfohlen, Vision-Sensoren in einem Gehäuse zu platzieren, um sie von externen Lichtquellen zu isolieren. Es ist eine gute Idee, beim Testen des Sensors Unterstützung vom Hersteller des Vision-Sensors in Anspruch zu nehmen. Vergessen Sie außerdem nicht, auf die Auswahl eines geeigneten Feldbusses zu achten.
Signalwandler wandeln das analoge Ausgangssignal des Sensors am Wandler in ein digitales Signal um. Eine weitere Möglichkeit ist die Konvertierung in IO-Link-Prozessdaten.
Andere Sensoren
1. Magnetschalter:Hierbei handelt es sich um einen Fachbegriff für einen Zylindersensor, der hauptsächlich zur Erfassung der Position eines Zylinderkolbens dient. Typischerweise stellen Zylinderlieferanten diese Sensoren bereit, die auf die Nutzungsszenarien der Kunden zugeschnitten sind. Wie der Name schon sagt, erkennen Magnetschalter Ziele durch elektromagnetische Induktion, was zu einer relativ geringen Erkennungsgenauigkeit führt.
2. Näherungsschalter:Näherungsschalter basieren auf elektromagnetischen Induktionsprinzipien und können nur Metallziele erkennen, wobei der Erfassungsabstand je nach Metallart geringfügig variiert. Zu den gängigen Erfassungsbereichen für Näherungsschalter gehören: 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm usw. Näherungsschalter gibt es im Allgemeinen in zwei Ausführungen: bündig-montiert und nicht-bündig-montiert. Ein bündig montierter Schalter bedeutet, dass der Sensorkopf keine Metallziele rund um seinen Umfang erkennt, sondern nur Ziele direkt davor. Mit anderen Worten: Der Sensorkopf muss nicht über die Metallhalterung hinausragen. Nicht-bündig-montierte Typen erkennen sowohl nach vorne-zugewandte als auch umlaufende Metallziele. Dabei muss der Sensorkopf aus der Metallhalterung herausragen und in einem bestimmten Umfangsbereich dürfen sich keine Metallgegenstände befinden, um eine Fehldetektion zu verhindern. Näherungsschalter bieten eine höhere Erkennungsgenauigkeit als Magnetschalter. Sie werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, die eine relativ geringe Positionsgenauigkeit erfordern, wie z. B. die Überprüfung der Anwesenheit von Produkten oder die Positionierung von Vorrichtungen.
3. Lichtschranken:Die fotoelektrische Erkennung bietet Vorteile wie hohe Präzision, schnelle Reaktion und berührungslosen Betrieb. Es kann mehrere Parameter messen, verfügt über einfache Sensorstrukturen und bietet flexible Konfigurationen. Daher werden fotoelektrische Sensoren häufig in Erkennungs- und Steuerungssystemen eingesetzt. Zu den gängigen Typen gehören: reflektierende fotoelektrische Sensoren, fotoelektrische Einwegsensoren und Sensoren, die reflektierende Platten zum Reflektieren von Lichtstrahlen verwenden. Die beiden letztgenannten Typen erkennen, indem sie das Licht vom Zielobjekt abblocken, während ersterer die Erkennung durch Erfassen des vom Ziel reflektierten Lichts durchführt. Folglich bieten die beiden letztgenannten typischerweise größere Erkennungsreichweiten und eine höhere Präzision. Aufgrund ihrer hohen Erkennungsgenauigkeit werden fotoelektrische Sensoren häufig zur präzisen Positionierung von Produkten oder Roboterwerkstücken sowie in Feedbacksystemen für Schritt- und Servomechanismen eingesetzt.
4. Faseroptische Sensoren:Faseroptische Sensoren sind eine weitere Art von Erkennungselementen, die eine fotoelektrische Signalumwandlung nutzen. Im Vergleich zu fotoelektrischen Schaltern können sie typischerweise kleinere Objekte erkennen, über größere Entfernungen arbeiten und bieten eine höhere Präzision. Daher werden faseroptische Sensoren häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Genauigkeit erfordern, sowie als Positionsrückmeldungsgeräte in Schritt- und Servosystemen.
5. Fotoelektrische Sensoren:Auch fotoelektrische Sensoren nutzen fotoelektrische Signale. Da sie einen großen Erfassungsbereich haben, werden sie oft auch als Flächensensoren bezeichnet. Ihre Hauptanwendung liegt in Verriegelungs- und Sicherheitsfunktionen zwischen Geräten, insbesondere in Personenschutzsystemen.
6. Thermoelemente:Thermoelemente dienen in erster Linie dazu, Umgebungstemperaturen in ihrer Umgebung zu erfassen.
7. Laserscanner:Laserscanner dienen in erster Linie dazu, die Maßkonturen von Zielobjekten präzise zu messen.
8. Industriekameras:Industriekameras werden in der Technik auch als CCD-Kameras (Charge{0}}Coupled Device) bezeichnet und hauptsächlich zur Erkennung der Form und Position von Zielobjekten eingesetzt. Dank der Fortschritte in der CCD-Technologie sind hochauflösende Industriekameras nun auch in Präzisionsmessbereichen einsetzbar.
9. Encoder:Basierend auf den Funktionsprinzipien werden Encoder in Inkremental- und Absolutwertgeber eingeteilt. Inkrementalgeber wandeln Wegbewegungen in periodische elektrische Signale um, die dann in Zählimpulse umgewandelt werden. Die Größe der Verschiebung wird durch die Anzahl der Impulse dargestellt. Jede Position auf einem Absolutwertgeber entspricht einem einzigartigen digitalen Code. Daher hängt der angezeigte Wert ausschließlich von der Start- und Endposition der Messung ab, nicht vom Zwischenprozess. Encoder werden typischerweise mit Schrittmotoren oder Servomotoren gepaart, um Regelsysteme mit geschlossenem -Loop oder halb-geschlossenem-Loop zu bilden.
10. Mikroschalter:Ein Mikroschalter ist ein Kontaktsensor-, der hauptsächlich zum Verbinden von Geräten oder zum Erkennen des Status von Schutztüren an Maschinen verwendet wird.