工業領域中深入了解傳感器用途
來源：本站 作者：admin 時間：2021-08-24 05:59:25 點擊：815
今天的工業產業結構具有前所未有的波動性、不確定性、復雜性和模糊性。因此，資產和人員以更低的成本和更高的安全性提高運營的效率變得越來越重要。在此背景下，傳感技術及其進展對保持工業運營的競爭力和效率起著關鍵作用隨著技術和業務需求的發展，傳感技術及其各種應用不斷發展。傳感器可以用來檢測從距離到熱量到壓力的各種實際屬性。今天的產品使用傳感器來感知周圍的一切。它們具有非常精確的能力，消耗較少的功率，并且安裝和維護成本低。事實證明，傳感器是為其流程和相關業務創造新價值的重要組成部分。
一、什么是傳感技術？它與傳感器有何關系？
傳感器的范圍非常廣，種類很多，但是從根本上說，傳感器是檢測測量對象的特征量并將該量轉換為可讀信號的設備，該信號顯示在儀器上。簡而言之，傳感技術是一種使用傳感器通過檢測物理，化學或生物特性量并將其轉換為可讀信號來獲取信息的技術。
實際上，有各種各樣的傳感器可滿足任何工業需求。對于苛刻的，關鍵任務的工業應用，傳感器可以幫助改善流程并提供無與倫比的資產保護。
這些傳感器提供實時監控，包括過程所需的檢測和報告。發送由傳感器監視和收集的數據以進行控制和分析，并且通過傳感器發出電信號來報告特定屬性中的任何異常。這樣，傳感器可以提高流程效率和產品質量，同時確保流程符合最佳實踐。
二、從人的感官了解機器的傳感
原則上，任何具有檢測抽象，無形或物理性質的能力的材料或設備都是傳感器。我們被傳感器包圍著，傳感器成功地測量和檢測了許多成功運行在我們周圍的設備及過程。
實際上，人體的正常功能取決于五種感覺器官——眼睛，耳朵，鼻子，舌頭和皮膚。人體感官（感官器官）的功能已明確定義——它們獲取有關外部環境的信息，并將其傳輸到大腦進行處理。然后，大腦將身體引導至進一步的行動過程。感覺器官的正常功能對于人體的安全和健康至關重要。
多年以來，已經開發了許多可以檢測多種物理或化學性質的專用傳感器。
物理傳感器在視覺，聽覺和觸摸中起著重要的作用，可以感應并將光，聲波，壓力和溫度等物理量轉換為電信號。
化學傳感器起著味道和氣味的作用。根據各種化學品的存在，濃度和組成，它可以轉換和檢測電信號。
生物傳感器被認為是化學傳感器的一部分，但是它們利用發出電和光信號的生物特性來檢測狀態或物質。
有一些高靈敏度的傳感器可以檢測出人類感官無法檢測到的磁性和輻射劑量。
工業應用中的傳感器起著至關重要的作用，就像人體中的感覺器官一樣。流程行業擁有大量依賴于傳感器才能正常運行的機器或系統和互連設備的集群。在過程流中聯網的傳感器，可以連續不斷地檢測，測量和傳輸物理環境中任何變化的電信號。電信號被傳輸到控制系統（計算機），該系統處理數據并進一步指導該過程。
隨著社會的不斷進步，過程流和控制機制也發生了變化。實際上，現代機器現在具有高度靈敏且可選項廣泛的人機界面，用于控制和監視。傳感技術是如此自動化，以至于可以選擇人類的愿望和意圖，并將過程進一步發展。
因此，就像人體的感覺器官負責各種任務并成為生命正常運轉的關鍵要素一樣，傳感器通過不斷檢查各種過程參數以實現連續運行，在工業中扮演著相同的角色。
三、傳感器的工業用途
本質上，工業過程是導致產品制造的物理，化學，電氣或機械步驟。高度發達的過程工業具有定義明確并記錄在案的過程。至關重要的是連續測量和精確控制每個生產過程的狀態，以避免意外的組件更改和不穩定的生產條件。對于過程的成功而言，通過監視生產設備和公用設施的狀態并執行最佳維護管理來最大化基礎設備的性能也很重要。這就是為什么工業傳感器和儀器設計用于過程監控和資產監控的原因。
過程監控
過程監視傳感器用于監視工廠中產品和過程的狀態。這些放置在生產過程中的傳感器連續檢測被測物的狀態，并將其作為過程數據傳輸到控制單元。然后，控制單元將傳輸的信號與目標值進行比較，將差異轉換為受控變量，將其輸出，然后將其更改為被測量狀態。通過重復該循環，執行“反饋控制”以將被監視對象保持在穩定的受控狀態。
這些傳感器需要連續，實時的數據輸入和高速響應。這些可靠的傳感器可實時微調過程，以消除盲點，從而實現高質量生產和最佳工廠運行。
資產監控
資產監視傳感器在監視工廠設備方面起著至關重要的作用。他們檢索和傳輸的數據構成了分析和警報的基礎。通過分析傳感器輸出數據，可以診斷工廠設備的健康狀況。然后，此診斷將用于警報管理，設備的預測性維護以及更有效的維護巡邏。高響應傳感器可以幫助防止工廠事故，延長過程正常運行時間并提高設備的使用壽命。
幾乎所有過程都可以使用各種各樣的傳感器和傳感系統。收集可靠，準確的過程數據的能力對于實現任何級別的過程控制都是至關重要的。加工廠可以采用最新的控制系統或基于云/邊緣的數據收集技術，并且如果檢測和報告存在缺陷，仍然可以見證過程故障。當今的傳感系統已形成一個整體套件，可確保它們作為一個單元來實現最佳的過程和資產管理，并最終實現過程的成功。
這些傳感單元被用于各種具有不同水平流程自動化的行業，因為數據檢測是任何流程行業成功的非常重要的第一步。
四、工業應用傳感器的好處
部署傳感器和傳感技術具有多項優勢，包括預測性和預防性維護。它們不僅可以確保更快地傳輸測量數據，還可以提高準確性，從而改善過程控制并增強資產健康狀況。
新型傳感器能夠進行有線和無線傳輸，可從資產和過程提供實時，連續的數據饋送。這使主管人員可以更全面地了解過程工廠。利用傳感器的企業比以往任何時候都更具連接性，安全性和敏捷性。
傳感器的主要優點包括：提高了數據捕獲的靈敏度，幾乎無損的傳輸以及連續，實時的分析。實時反饋和數據分析服務可確保流程處于活動狀態并以最佳方式執行。
傳感技術的不斷發展催生了當今的智能傳感器。與傳統的沒有有源組件的模擬傳感器不同，智能傳感器包含電路，允許它們進行測量并將值輸出為數字數據。這些傳感器具有嵌入式微處理器單元，并在信號轉換器上安裝了許多傳感設備。
智能傳感器能夠執行許多內在的智能功能，例如自我測試，自我驗證，自我適應和自我識別的能力。他們了解流程要求，管理各種條件，并可以檢測條件以支持實時決策。這些智能傳感器針對多種過程條件進行了編程，使執行人員可以獲得最大的收益。
通過轉向更智能的傳感器，并有效利用從流程和資產中收集的數據，公司可以提高生產率，提高能源效率并降低工廠的總擁有成本。通過持續的監控和數據檢索，流程負責人可以確定高能耗區域，并可以采取適當措施來限制能源浪費。這種方法將幫助公司實現聯合國制定的可持續發展目標，例如“負擔得起的清潔能源”，“工業，創新和基礎設施”以及“負責任的消費和生產”。
簡單概括，傳感器的優點為：
加快流程并使其更加準確
實時收集過程和資產數據
準確，可靠和連續地監視流程和資產
提高生產率并降低總擁有成本
減少能源浪費
五、傳感技術的未來發展之路
傳感技術隨著過程自動化的發展而發展，從而產生了功能更強大，網絡更好的傳感設備。傳感器已部署在各行各業的公司中，包括石油，天然氣，石化，化工，電力，紙漿和造紙，制藥，食品，鋼鐵，供水和廢水處理以及金屬等行業的公司。工業的進步為專用傳感器類別鋪平了道路。隨著向數字化過渡的加速，對更大的過程自動化，增強的異常檢測能力以及預測性維護功能的需求正在推動傳感技術的空前采用。
預期挑戰
盡管它們小型化，但是今天的傳感器卻非常強大且易于接受。它們具有較低的故障率，并且比以往消耗更少的功率。在不久的將來，企業可以期望傳感器實現更大的小型化和電子技術的進一步發展，以及更低的價格，改進的功能以確保消耗更少的功率，更高的響應能力以及更高的故障承受能力。
許多加工廠已經安裝了傳感器和數字化操作來進行過程控制。他們已經連接了工廠中的主要流程，并且可以檢測，報告和分析數據以實現更高水平的流程效率。下一個挑戰是從感官創造中獲得價值，而不僅僅是感官。要實現越來越有利可圖的可持續運營，就需要更充分地利用已被廣泛收集的高保真工廠數據。
工業物聯網（IIoT）的迅速發展將進一步擴展和補充其應用和范圍。IIoT傳感器監控一系列屬性，包括溫度，振動，壓力和水質。這些傳感器連接到利用邊緣，霧和云計算資源來監視和管理資產性能和能源效率的解決方案。
傳感技術的進一步發展將不僅限于傳感設備。通過將智能感知與人工智能（AI）和機器學習（ML）融合在一起，它將支持敏捷決策和驅動器性能優化。
隨著對智能產品的需求不斷增長，以及組織內部數字化的加速，傳感器的作用和重要性將繼續增長。
潛在應用
傳感技術在整個行業中具有多種潛在應用，可以提高質量，可靠性和性能。從太陽能電池和燃料電池中的應用到醫療保健能力的提高，再到強大的環境監控系統的安全性增強，無限的可能性。
例如，生物感測是尋求發展和增強將在視覺識別，觸覺，嗅覺，音頻和物理系統中使用的現有感測技術的能力的領域。由于傳感技術可以在微米和納米環境中使用，因此它在診斷和藥物監測系統中產生了深遠的影響。
同樣，智能和智能傳感器技術正在尋求在未來幾年中改變世界的未來。它們將不斷發展，例如測量隱形物品并改變為更耐磨。通過確保這些傳感器產生的結果的完整性和可靠性，它們在醫學，消費品，通信設備，家庭和運輸中的應用是不可避免的。
再例如高度靈活的片材印刷傳感器。作為可穿戴傳感器之一，印刷傳感器有望用于IoT（物聯網）。物聯網世界雇用了一大批傳感器來收集大數據，然后將大數據上傳到云網絡。然后，對這些數據進行分析，以生成有關更理想的維護實踐的建議。
為了支持大量的傳感器，需要堅固且可靠的傳感系統。這種系統的關鍵是柔性混合電子（FHE），它同時使用印刷和硅技術。高度靈活的薄片傳感器系統可以適應各種目的和測量，包括工業基礎設施，可追溯性，汽車和機器人，醫療保健以及其他應用，并且可以為優化工廠監控，物流質量控制和重要數據管理做出貢獻。
傳感器技術的創新將繼續成為工業和社會的重要工具。
延伸閱讀：工業自動化領域的"電五官"解析與梳理
在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，傳感器幾乎必不可少。它是設備的機械系統和控制系統連結的紐帶，機械系統通過傳感器將運動參數以及運行狀態反饋給控制系統，控制系統通過傳感器反饋的信號和數據發出指令驅動機械系統，其重要性不言而喻。
傳感器是人類五官的延伸，又稱之為電五官。設備控制系統需要通過它來確定：機構的位置、產品的有無、以及產品的精度等重要參數以監測和控制設備的使用狀態和產品的生產過程。具體來講，工業生產者需要使用各種傳感器來監視、控制生產過程中的各個參數，使設備處于正常狀態，如果出現故障也能被及時發現。本文主要梳理了工業自動化領域五種常見的工業傳感器類型。
一、光電傳感器
光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種器件。其工作原理基于光電效應。光電效應是指光照射在某些物質上時，物質的電子吸收光子的能量而發生了相應的電效應現象。根據光電效應現象的不同將光電效應分為三類：外光電效應、內光電效應及光生伏特效應。光電器件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。
光電傳感器擁有分辨率高、響應時間短、檢測距離長、對檢測物體的限制少等特點。尤其值得一提的是，它可實現顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。
二、接近傳感器
接近傳感器能以非接觸式進行傳感檢測，所以不會進行磨損以及傷害檢測對象，更無火花、噪音。由于是無接觸的輸出方式，所以使用壽命長，幾乎對接點的壽命沒有任何的影響。接近傳感器與其他檢測方式不同的是，它適合和在水油環境下使用，檢測時幾乎不受檢測對象的污漬和水油的影響。
其中，接近式傳感器本身只能近距離且無接觸檢測金屬物體。測距改變式彈力桿裝置最大的特點是可以使觸點的感應范圍范圍過載。彈簧加載活塞、探針、按鈕，一般是用來接觸產品然后檢測產品是否到位、定位準確以及核實被測產品。
三、光纖傳感器
利用光纖研制光纖傳感器始于1977年，該技術一問世即引起人們的極大興趣，目前光纖傳感器已經得到迅猛發展。因為光纖本身是電介質，而且敏感元件也可用電介質材料制作，因此光纖傳感器具有良好的電絕緣性，光纖表面能承受80kV／20cm電壓，尤其適用于高壓的供電系統以及大容量電機的測試，可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環境，而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。
利用光纖能構成種類繁多的傳感器，故有人稱光纖傳感器是萬能傳感器。它可測量許多物理量，應用范圍遍布軍事、商業、民用、醫學、工業控制等各個領域。需要明確的一點是，傳統傳感器是以機－電測量為基礎，而光纖傳感器則以光學測量為基礎。
四、位移傳感器
位移傳感器是把物體的運動位移轉換成可測量的電學量一種裝置。通常用于把不便于定量檢測和處理的形變、振動、位移、位置、尺寸等物理量轉換為易于定量檢測、便于作信息傳輸與處理的電學量。
位移傳感器種類繁多，近幾年應用領域不斷擴大，越來越多的創新技術也開始被運用到傳感器中。例如，基于光纖技術、時柵技術、OEM的LVDT技術、超聲波技術、磁致伸縮技術等，由于技術的進步，各種傳感器性能大幅提高，成本也顯著降低。
五、霍爾效應傳感器
旋轉霍爾效應傳感器一般不使用任何運動部件，這種基于半導體的傳感器將霍爾效應傳感元件與電路相結合，以提供與旋轉磁場變化相對應的模擬輸出信號。有兩個輸出選項可供選擇，即模擬或脈沖寬度調制（PWM）。
其中，線性霍爾效應傳感器測量磁場的線性運動，而不是旋轉。據悉，該傳感器可針對設定的輸出電壓進行編程，該輸出電壓對于給定的行進距離是成比例的。截至目前，霍爾傳感器的相關技術仍在不斷進步過程之中，可編程霍爾傳感器、智能霍爾元件和微型霍爾傳感器將具有良好的市場前景。
小結：
隨著新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在使用信息的過程中，首先要解決的是獲取準確可靠的信息，而傳感器是自然和生產領域獲取信息的主要途徑和手段。在現代工業生產中，特別是在自動化生產過程中，需要使用各種傳感器對生產過程中的各種參數進行監測和控制，使設備能夠在正常狀態或最佳狀態下工作，使產品達到最佳質量。所以可以說，沒有很多優秀的傳感器，現代生產就會失去基礎。傳感器的特點是小型化、數字化、智能化、多功能化、系統化和網絡化。它們不僅促進了傳統產業的轉型升級，還可能建立新的產業，從而成為21世紀新的經濟增長點。未來幾年，隨著智能制造的加速，市場對智能傳感、監控、生產、監控系統、技術和設備的需求有望進一步增加。其中，不同類型的傳感器將搭載在常見的汽車電子、通信電子、消費電子和專用電子設備中。
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