工業(yè)領(lǐng)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：634
今天的工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有前所未有的波動性、不確定性、復(fù)雜性和模糊性。因此，資產(chǎn)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(shù)及其進(jìn)展對保持工業(yè)運營的競爭力和效率起著關(guān)鍵作用隨著技術(shù)和業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，傳感技術(shù)及其各種應(yīng)用不斷發(fā)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(chǎn)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(hù)成本低。事實證明，傳感器是為其流程和相關(guān)業(yè)務(wù)創(chuàng)造新價值的重要組成部分。
一、什么是傳感技術(shù)？它與傳感器有何關(guān)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(zhuǎn)換為可讀信號的設(shè)備，該信號顯示在儀器上。簡而言之，傳感技術(shù)是一種使用傳感器通過檢測物理，化學(xué)或生物特性量并將其轉(zhuǎn)換為可讀信號來獲取信息的技術(shù)。
實際上，有各種各樣的傳感器可滿足任何工業(yè)需求。對于苛刻的，關(guān)鍵任務(wù)的工業(yè)應(yīng)用，傳感器可以幫助改善流程并提供無與倫比的資產(chǎn)保護(hù)。
這些傳感器提供實時監(jiān)控，包括過程所需的檢測和報告。發(fā)送由傳感器監(jiān)視和收集的數(shù)據(jù)以進(jìn)行控制和分析，并且通過傳感器發(fā)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(chǎn)品質(zhì)量，同時確保流程符合最佳實踐。
二、從人的感官了解機(jī)器的傳感
原則上，任何具有檢測抽象，無形或物理性質(zhì)的能力的材料或設(shè)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(shè)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(guān)外部環(huán)境的信息，并將其傳輸?shù)酱竽X進(jìn)行處理。然后，大腦將身體引導(dǎo)至進(jìn)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(guān)重要。
多年以來，已經(jīng)開發(fā)了許多可以檢測多種物理或化學(xué)性質(zhì)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(yīng)并將光，聲波，壓力和溫度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號。
化學(xué)傳感器起著味道和氣味的作用。根據(jù)各種化學(xué)品的存在，濃度和組成，它可以轉(zhuǎn)換和檢測電信號。
生物傳感器被認(rèn)為是化學(xué)傳感器的一部分，但是它們利用發(fā)出電和光信號的生物特性來檢測狀態(tài)或物質(zhì)。
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(yè)應(yīng)用中的傳感器起著至關(guān)重要的作用，就像人體中的感覺器官一樣。流程行業(yè)擁有大量依賴于傳感器才能正常運行的機(jī)器或系統(tǒng)和互連設(shè)備的集群。在過程流中聯(lián)網(wǎng)的傳感器，可以連續(xù)不斷地檢測，測量和傳輸物理環(huán)境中任何變化的電信號。電信號被傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)（計算機(jī)），該系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)并進(jìn)一步指導(dǎo)該過程。
隨著社會的不斷進(jìn)步，過程流和控制機(jī)制也發(fā)生了變化。實際上，現(xiàn)代機(jī)器現(xiàn)在具有高度靈敏且可選項廣泛的人機(jī)界面，用于控制和監(jiān)視。傳感技術(shù)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(jìn)一步發(fā)展。
因此，就像人體的感覺器官負(fù)責(zé)各種任務(wù)并成為生命正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵要素一樣，傳感器通過不斷檢查各種過程參數(shù)以實現(xiàn)連續(xù)運行，在工業(yè)中扮演著相同的角色。
三、傳感器的工業(yè)用途
本質(zhì)上，工業(yè)過程是導(dǎo)致產(chǎn)品制造的物理，化學(xué)，電氣或機(jī)械步驟。高度發(fā)達(dá)的過程工業(yè)具有定義明確并記錄在案的過程。至關(guān)重要的是連續(xù)測量和精確控制每個生產(chǎn)過程的狀態(tài)，以避免意外的組件更改和不穩(wěn)定的生產(chǎn)條件。對于過程的成功而言，通過監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備和公用設(shè)施的狀態(tài)并執(zhí)行最佳維護(hù)管理來最大化基礎(chǔ)設(shè)備的性能也很重要。這就是為什么工業(yè)傳感器和儀器設(shè)計用于過程監(jiān)控和資產(chǎn)監(jiān)控的原因。
過程監(jiān)控
過程監(jiān)視傳感器用于監(jiān)視工廠中產(chǎn)品和過程的狀態(tài)。這些放置在生產(chǎn)過程中的傳感器連續(xù)檢測被測物的狀態(tài)，并將其作為過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茊卧Ｈ缓?，控制單元將傳輸?shù)男盘柵c目標(biāo)值進(jìn)行比較，將差異轉(zhuǎn)換為受控變量，將其輸出，然后將其更改為被測量狀態(tài)。通過重復(fù)該循環(huán)，執(zhí)行“反饋控制”以將被監(jiān)視對象保持在穩(wěn)定的受控狀態(tài)。
這些傳感器需要連續(xù)，實時的數(shù)據(jù)輸入和高速響應(yīng)。這些可靠的傳感器可實時微調(diào)過程，以消除盲點，從而實現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)和最佳工廠運行。
資產(chǎn)監(jiān)控
資產(chǎn)監(jiān)視傳感器在監(jiān)視工廠設(shè)備方面起著至關(guān)重要的作用。他們檢索和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)構(gòu)成了分析和警報的基礎(chǔ)。通過分析傳感器輸出數(shù)據(jù)，可以診斷工廠設(shè)備的健康狀況。然后，此診斷將用于警報管理，設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)以及更有效的維護(hù)巡邏。高響應(yīng)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(shè)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(tǒng)。收集可靠，準(zhǔn)確的過程數(shù)據(jù)的能力對于實現(xiàn)任何級別的過程控制都是至關(guān)重要的。加工廠可以采用最新的控制系統(tǒng)或基于云/邊緣的數(shù)據(jù)收集技術(shù)，并且如果檢測和報告存在缺陷，仍然可以見證過程故障。當(dāng)今的傳感系統(tǒng)已形成一個整體套件，可確保它們作為一個單元來實現(xiàn)最佳的過程和資產(chǎn)管理，并最終實現(xiàn)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(yè)，因為數(shù)據(jù)檢測是任何流程行業(yè)成功的非常重要的第一步。
四、工業(yè)應(yīng)用傳感器的好處
部署傳感器和傳感技術(shù)具有多項優(yōu)勢，包括預(yù)測性和預(yù)防性維護(hù)。它們不僅可以確保更快地傳輸測量數(shù)據(jù)，還可以提高準(zhǔn)確性，從而改善過程控制并增強(qiáng)資產(chǎn)健康狀況。
新型傳感器能夠進(jìn)行有線和無線傳輸，可從資產(chǎn)和過程提供實時，連續(xù)的數(shù)據(jù)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(yè)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(yōu)點包括：提高了數(shù)據(jù)捕獲的靈敏度，幾乎無損的傳輸以及連續(xù)，實時的分析。實時反饋和數(shù)據(jù)分析服務(wù)可確保流程處于活動狀態(tài)并以最佳方式執(zhí)行。
傳感技術(shù)的不斷發(fā)展催生了當(dāng)今的智能傳感器。與傳統(tǒng)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(jìn)行測量并將值輸出為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這些傳感器具有嵌入式微處理器單元，并在信號轉(zhuǎn)換器上安裝了許多傳感設(shè)備。
智能傳感器能夠執(zhí)行許多內(nèi)在的智能功能，例如自我測試，自我驗證，自我適應(yīng)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(jìn)行了編程，使執(zhí)行人員可以獲得最大的收益。
通過轉(zhuǎn)向更智能的傳感器，并有效利用從流程和資產(chǎn)中收集的數(shù)據(jù)，公司可以提高生產(chǎn)率，提高能源效率并降低工廠的總擁有成本。通過持續(xù)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)檢索，流程負(fù)責(zé)人可以確定高能耗區(qū)域，并可以采取適當(dāng)措施來限制能源浪費。這種方法將幫助公司實現(xiàn)聯(lián)合國制定的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，例如“負(fù)擔(dān)得起的清潔能源”，“工業(yè)，創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施”以及“負(fù)責(zé)任的消費和生產(chǎn)”。
簡單概括，傳感器的優(yōu)點為：
加快流程并使其更加準(zhǔn)確
實時收集過程和資產(chǎn)數(shù)據(jù)
準(zhǔn)確，可靠和連續(xù)地監(jiān)視流程和資產(chǎn)
提高生產(chǎn)率并降低總擁有成本
減少能源浪費
五、傳感技術(shù)的未來發(fā)展之路
傳感技術(shù)隨著過程自動化的發(fā)展而發(fā)展，從而產(chǎn)生了功能更強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)更好的傳感設(shè)備。傳感器已部署在各行各業(yè)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(yè)的公司。工業(yè)的進(jìn)步為專用傳感器類別鋪平了道路。隨著向數(shù)字化過渡的加速，對更大的過程自動化，增強(qiáng)的異常檢測能力以及預(yù)測性維護(hù)功能的需求正在推動傳感技術(shù)的空前采用。
預(yù)期挑戰(zhàn)
盡管它們小型化，但是今天的傳感器卻非常強(qiáng)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(yè)可以期望傳感器實現(xiàn)更大的小型化和電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及更低的價格，改進(jìn)的功能以確保消耗更少的功率，更高的響應(yīng)能力以及更高的故障承受能力。
許多加工廠已經(jīng)安裝了傳感器和數(shù)字化操作來進(jìn)行過程控制。他們已經(jīng)連接了工廠中的主要流程，并且可以檢測，報告和分析數(shù)據(jù)以實現(xiàn)更高水平的流程效率。下一個挑戰(zhàn)是從感官創(chuàng)造中獲得價值，而不僅僅是感官。要實現(xiàn)越來越有利可圖的可持續(xù)運營，就需要更充分地利用已被廣泛收集的高保真工廠數(shù)據(jù)。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的迅速發(fā)展將進(jìn)一步擴(kuò)展和補(bǔ)充其應(yīng)用和范圍。IIoT傳感器監(jiān)控一系列屬性，包括溫度，振動，壓力和水質(zhì)。這些傳感器連接到利用邊緣，霧和云計算資源來監(jiān)視和管理資產(chǎn)性能和能源效率的解決方案。
傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將不僅限于傳感設(shè)備。通過將智能感知與人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）融合在一起，它將支持敏捷決策和驅(qū)動器性能優(yōu)化。
隨著對智能產(chǎn)品的需求不斷增長，以及組織內(nèi)部數(shù)字化的加速，傳感器的作用和重要性將繼續(xù)增長。
潛在應(yīng)用
傳感技術(shù)在整個行業(yè)中具有多種潛在應(yīng)用，可以提高質(zhì)量，可靠性和性能。從太陽能電池和燃料電池中的應(yīng)用到醫(yī)療保健能力的提高，再到強(qiáng)大的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的安全性增強(qiáng)，無限的可能性。
例如，生物感測是尋求發(fā)展和增強(qiáng)將在視覺識別，觸覺，嗅覺，音頻和物理系統(tǒng)中使用的現(xiàn)有感測技術(shù)的能力的領(lǐng)域。由于傳感技術(shù)可以在微米和納米環(huán)境中使用，因此它在診斷和藥物監(jiān)測系統(tǒng)中產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
同樣，智能和智能傳感器技術(shù)正在尋求在未來幾年中改變世界的未來。它們將不斷發(fā)展，例如測量隱形物品并改變?yōu)楦湍?。通過確保這些傳感器產(chǎn)生的結(jié)果的完整性和可靠性，它們在醫(yī)學(xué)，消費品，通信設(shè)備，家庭和運輸中的應(yīng)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(lián)網(wǎng)）。物聯(lián)網(wǎng)世界雇用了一大批傳感器來收集大數(shù)據(jù)，然后將大數(shù)據(jù)上傳到云網(wǎng)絡(luò)。然后，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以生成有關(guān)更理想的維護(hù)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(tǒng)。這種系統(tǒng)的關(guān)鍵是柔性混合電子（FHE），它同時使用印刷和硅技術(shù)。高度靈活的薄片傳感器系統(tǒng)可以適應(yīng)各種目的和測量，包括工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，可追溯性，汽車和機(jī)器人，醫(yī)療保健以及其他應(yīng)用，并且可以為優(yōu)化工廠監(jiān)控，物流質(zhì)量控制和重要數(shù)據(jù)管理做出貢獻(xiàn)。
傳感器技術(shù)的創(chuàng)新將繼續(xù)成為工業(yè)和社會的重要工具。
延伸閱讀：工業(yè)自動化領(lǐng)域的"電五官"解析與梳理
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，傳感器幾乎必不可少。它是設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)連結(jié)的紐帶，機(jī)械系統(tǒng)通過傳感器將運動參數(shù)以及運行狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過傳感器反饋的信號和數(shù)據(jù)發(fā)出指令驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)，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(shè)備控制系統(tǒng)需要通過它來確定：機(jī)構(gòu)的位置、產(chǎn)品的有無、以及產(chǎn)品的精度等重要參數(shù)以監(jiān)測和控制設(shè)備的使用狀態(tài)和產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。具體來講，工業(yè)生產(chǎn)者需要使用各種傳感器來監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備處于正常狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障也能被及時發(fā)現(xiàn)。本文主要梳理了工業(yè)自動化領(lǐng)域五種常見的工業(yè)傳感器類型。
一、光電傳感器
光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種器件。其工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射在某些物質(zhì)上時，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生了相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象的不同將光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)及光生伏特效應(yīng)。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(yīng)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(xiàn)顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)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(zhì)，可對檢測物體的顏色進(jìn)行檢測。
二、接近傳感器
接近傳感器能以非接觸式進(jìn)行傳感檢測，所以不會進(jìn)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(huán)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(yīng)范圍范圍過載。彈簧加載活塞、探針、按鈕，一般是用來接觸產(chǎn)品然后檢測產(chǎn)品是否到位、定位準(zhǔn)確以及核實被測產(chǎn)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(shù)一問世即引起人們的極大興趣，目前光纖傳感器已經(jīng)得到迅猛發(fā)展。因為光纖本身是電介質(zhì)，而且敏感元件也可用電介質(zhì)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(tǒng)以及大容量電機(jī)的測試，可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境，而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。
利用光纖能構(gòu)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(yīng)用范圍遍布軍事、商業(yè)、民用、醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。需要明確的一點是，傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)－電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ)。
四、位移傳感器
位移傳感器是把物體的運動位移轉(zhuǎn)換成可測量的電學(xué)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(zhuǎn)換為易于定量檢測、便于作信息傳輸與處理的電學(xué)量。
位移傳感器種類繁多，近幾年應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，越來越多的創(chuàng)新技術(shù)也開始被運用到傳感器中。例如，基于光纖技術(shù)、時柵技術(shù)、OEM的LVDT技術(shù)、超聲波技術(shù)、磁致伸縮技術(shù)等，由于技術(shù)的進(jìn)步，各種傳感器性能大幅提高，成本也顯著降低。
五、霍爾效應(yīng)傳感器
旋轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)傳感器一般不使用任何運動部件，這種基于半導(dǎo)體的傳感器將霍爾效應(yīng)傳感元件與電路相結(jié)合，以提供與旋轉(zhuǎn)磁場變化相對應(yīng)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(diào)制（PWM）。
其中，線性霍爾效應(yīng)傳感器測量磁場的線性運動，而不是旋轉(zhuǎn)。據(jù)悉，該傳感器可針對設(shè)定的輸出電壓進(jìn)行編程，該輸出電壓對于給定的行進(jìn)距離是成比例的。截至目前，霍爾傳感器的相關(guān)技術(shù)仍在不斷進(jìn)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(jié)：
隨著新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時代。在使用信息的過程中，首先要解決的是獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是自然和生產(chǎn)領(lǐng)域獲取信息的主要途徑和手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，特別是在自動化生產(chǎn)過程中，需要使用各種傳感器對生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制，使設(shè)備能夠在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)下工作，使產(chǎn)品達(dá)到最佳質(zhì)量。所以可以說，沒有很多優(yōu)秀的傳感器，現(xiàn)代生產(chǎn)就會失去基礎(chǔ)。傳感器的特點是小型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。它們不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，還可能建立新的產(chǎn)業(yè)，從而成為21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點。未來幾年，隨著智能制造的加速，市場對智能傳感、監(jiān)控、生產(chǎn)、監(jiān)控系統(tǒng)、技術(shù)和設(shè)備的需求有望進(jìn)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(shè)備中。
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