適合工業環境的傳感器解決方案

2020-12-12 電子發燒友

適合工業環境的傳感器解決方案

電子設計 發表於 2019-03-26 08:23:00

工業控制設置是現代傳感器最早的一些環境。隨著對監控安全性和效率的系統的需求增加，設計用於在具有挑戰性的環境中可靠運行的傳感器被用於密切關注諸如熱量，流量和振動之類的問題。它們還使操作員能夠與危險情況保持安全距離。

工業應用傳感器現在包括非常廣泛的傳感器類型：溫度，壓力，化學，接近度，力，負載和水平。支持和支持技術包括MEMS，納米技術和無線通信。

無線傳感器正在用於監控和數據採集等系統，證明這些設備可以有效地滿足工業應用的需求。這些無線傳感器主要用於定位，接近，圖像和安全應用。成功的關鍵因素是低功耗;不太遙遠的未來的無線傳感器網絡將為不受限制的工業產品獲取能量，這些產品將與電源插座斷開連接。今天，從願景到M2M通信，工業環境中的傳感器已經發揮作用。隨著工廠車間迅速向更高的自動化方向發展，傳感器是一個重要的推動因素;它們是工業能力擴張的核心，被稱為「工業4.0」，這個術語指的是第四次工業革命，包括引入自我優化，自我配置，自我診斷，認知和智能的新方法。在日益複雜的任務中支持工人。

目標是智能工廠（智能工廠），其特點是適應性，資源效率和人體工程學改進，並得到機器人，自動化系統和所謂的支持。 「物聯網」（IoT）。

正如我們將要看到的，它有時是應用程式，有時是嚴酷或至少不友好的操作環境，它決定了所使用的傳感器類型及其屬性。德州儀器（TI）LDC1000（圖1）是世界上第一款電感數字轉換器，在低功耗，小尺寸解決方案中提供電感式傳感的優勢。該產品採用SON-16封裝，提供多種工作模式。 SPI接口簡化了與MCU的連接。

圖1：TI的LDC1000實現了超低成本的系統解決方案。

電感式傳感是一種無接觸，無磁性的短程技術，可實現在存在灰塵，汙垢，油和水分的非傳導性幹擾的情況下，高解析度感應導電目標。傳感器可以是纏繞線，PCB上的線圈，在柔性基板上印刷有導電墨水的線圈，或者甚至是簡單的彈簧。它支持遠程傳感器放置，非常適合極端惡劣的環境。

電感式傳感器可產生並使用高頻振蕩磁場。進入感測場的金屬靶在靶中感應出渦流，這降低了振蕩器的信號幅度。然後，檢測器電路識別幅度的特定變化並產生一個信號，該信號將固態傳感器輸出「打開」或「關閉」。

電感式傳感技術可精確測量線性/角度位置，位移，運動，壓縮，振動，金屬成分和許多其他應用。它可在位置檢測應用中實現亞微米解析度，具有16位諧振阻抗和24位電感值。電感式傳感可用於測量金屬或導電靶的位置，運動或成分，以及檢測彈簧的壓縮，伸展或扭曲。

另一個工業傳感器的例子是Silicon Labs『 Si7013單晶片相對溼度和溫度傳感器，用於恆溫器，溼度調節器和其他類似設備中的工業HVAC。該傳感器是單片CMOS IC，集成了溼度和傳感元件，模數轉換器，信號處理，校準和I²C接口。

溼度和溫度傳感器在出廠時已校準，校準數據存儲在片上非易失性存儲器中。傳感器完全可互換，無需重新校準或需要更改軟體。

帶電源管理的輔助傳感器輸入可直接連接到外部熱敏電阻網絡或其他電壓輸出傳感器。 Si7013採用3 x 3 mm DFN封裝，可回流焊接。

其他功能包括：

精密相對溼度傳感器

溫度傳感器

輔助第二區傳感器輸入（Si7013）

0至100％RH工作範圍

工作範圍-40°至125°C

寬工作電壓範圍（1.9至3.6 V）

低功耗

I²C主機接口

集成片上加熱器

3 x 3 mm DFN封裝

出色的長期穩定性

工廠校準

回流焊和運行期間的壽命保護

符合AEC-Q100汽車標準

振動是一個常見的罪魁禍首，必須在工業環境中密切監控。模擬器件ADIS16228數字三軸振動傳感器具有FFT分析和存儲功能（圖2），是一個完整的振動傳感系統，將三軸加速度傳感與先進的時域和頻域信號處理相結合。

20.48 ksample/s採樣率和5 kHz平坦頻帶提供適合許多機器健康應用的頻率響應。鋁芯為MEMS加速度傳感器提供了出色的機械耦合。

內部時鐘驅動數據採樣和信號處理系統，無需外部時鐘源。數據捕獲功能有三種模式，提供多種選項以滿足許多不同應用的需求。此外，它的實時模式可以在一個軸上直接訪問流數據。

圖2：ADI公司的振動傳感器（上）和方框圖ADIS16228（下）。

SPI和數據緩衝結構提供了對數據輸出的便捷訪問。 ADIS16228還提供數字溫度傳感器和數字電源測量。該設備用于振動分析，狀態監測，機器健康，儀器儀表，診斷和安全關閉傳感等工業應用。它採用15×24×15 mm模塊，帶法蘭，M2機器螺孔和靈活的連接器，可實現簡單的用戶界面和安裝。 ADIS16228的封裝尺寸與引腳兼容，與供應商的ADIS16210數字測斜儀系統兼容，可在±180°的整個方向範圍內精確測量俯仰角和滾動角。 ADIS16228具有-40°至+ 125°C的擴展工作溫度範圍。

ADI公司的ADIS16000和ADIS16229（帶有嵌入式RF接收器）可為各種工業創建簡單的無線振動傳感網絡設備應用。 ADIS16000提供管理網絡的網關功能，而ADIS16229則提供遙感功能。

先進的電子控制系統激增，帶來更高的傳感器精度，可靠性，響應時間，穩健性，小型化，通信能力，和效率。這反過來又推動了R＆amp; D，為新的傳感器應用提供了機會。展望未來，工業設施將配備更多智能，以更好地管理複雜性，安全性和運營。用於這些應用的傳感器系統可能非常小，功耗很小，並且成本較低的早期傳感器的成本沒有將智能電子設備緊密集成到傳感元件中。更重要的是，這些設備通常安裝在一個晶片中並可以無線操作。

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