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適合工業(yè)環(huán)境的傳感器解決方案

電子設(shè)計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2019-03-26 08:23 ? 次閱讀

工業(yè)控制設(shè)置是現(xiàn)代傳感器最早的一些環(huán)境。隨著對監(jiān)控安全性和效率的系統(tǒng)的需求增加,設(shè)計用于在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中可靠運行的傳感器被用于密切關(guān)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(yè)應(yīng)用傳感器現(xiàn)在包括非常廣泛的傳感器類型:溫度,壓力,化學(xué),接近度,力,負(fù)載和水平。支持和支持技術(shù)包括MEMS,納米技術(shù)無線通信。

無線傳感器正在用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng),證明這些設(shè)備可以有效地滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。這些無線傳感器主要用于定位,接近,圖像和安全應(yīng)用。成功的關(guān)鍵因素是低功耗;不太遙遠(yuǎn)的未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將為不受限制的工業(yè)產(chǎn)品獲取能量,這些產(chǎn)品將與電源插座斷開連接。今天,從愿景到M2M通信,工業(yè)環(huán)境中的傳感器已經(jīng)發(fā)揮作用。隨著工廠車間迅速向更高的自動化方向發(fā)展,傳感器是一個重要的推動因素;它們是工業(yè)能力擴(kuò)張的核心,被稱為“工業(yè)4.0”,這個術(shù)語指的是第四次工業(yè)革命,包括引入自我優(yōu)化,自我配置,自我診斷,認(rèn)知和智能的新方法。在日益復(fù)雜的任務(wù)中支持工人。

目標(biāo)是智能工廠(智能工廠),其特點是適應(yīng)性,資源效率和人體工程學(xué)改進(jìn),并得到機(jī)器人,自動化系統(tǒng)和所謂的支持。 “物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)。

正如我們將要看到的,它有時是應(yīng)用程序,有時是嚴(yán)酷或至少不友好的操作環(huán)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(shù)字轉(zhuǎn)換器,在低功耗,小尺寸解決方案中提供電感式傳感的優(yōu)勢。該產(chǎn)品采用SON-16封裝,提供多種工作模式。 SPI接口簡化了與MCU的連接。

適合工業(yè)環(huán)境的傳感器解決方案

圖1:TI的LDC1000實現(xiàn)了超低成本的系統(tǒng)解決方案。

電感式傳感是一種無接觸,無磁性的短程技術(shù),可實現(xiàn)在存在灰塵,污垢,油和水分的非傳導(dǎo)性干擾的情況下,高分辨率感應(yīng)導(dǎo)電目標(biāo)。傳感器可以是纏繞線,PCB上的線圈,在柔性基板上印刷有導(dǎo)電墨水的線圈,或者甚至是簡單的彈簧。它支持遠(yuǎn)程傳感器放置,非常適合極端惡劣的環(huán)境。

電感式傳感器可產(chǎn)生并使用高頻振蕩磁場。進(jìn)入感測場的金屬靶在靶中感應(yīng)出渦流,這降低了振蕩器信號幅度。然后,檢測器電路識別幅度的特定變化并產(chǎn)生一個信號,該信號將固態(tài)傳感器輸出“打開”或“關(guān)閉”。

電感式傳感技術(shù)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(yīng)用。它可在位置檢測應(yīng)用中實現(xiàn)亞微米分辨率,具有16位諧振阻抗和24位電感值。電感式傳感可用于測量金屬或?qū)щ姲械奈恢?,運動或成分,以及檢測彈簧的壓縮,伸展或扭曲。

另一個工業(yè)傳感器的例子是Silicon Labs‘ Si7013單芯片相對濕度和溫度傳感器,用于恒溫器,濕度調(diào)節(jié)器和其他類似設(shè)備中的工業(yè)HVAC。該傳感器是單片CMOS IC,集成了濕度和傳感元件,模數(shù)轉(zhuǎn)換器,信號處理,校準(zhǔn)和I2C接口。

濕度和溫度傳感器在出廠時已校準(zhǔn),校準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(zhǔn)或需要更改軟件。

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(wǎng)絡(luò)或其他電壓輸出傳感器。 Si7013采用3 x 3 mm DFN封裝,可回流焊接。

其他功能包括:

精密相對濕度傳感器

溫度傳感器

輔助第二區(qū)傳感器輸入(Si7013)

0至100%RH工作范圍

工作范圍-40°至125°C

寬工作電壓范圍(1.9至3.6 V)

低功耗

I2C主機(jī)接口

集成片上加熱器

3 x 3 mm DFN封裝

出色的長期穩(wěn)定性

工廠校準(zhǔn)

回流焊和運行期間的壽命保護(hù)

符合AEC-Q100汽車標(biāo)準(zhǔn)

振動是一個常見的罪魁禍?zhǔn)祝仨氃诠I(yè)環(huán)境中密切監(jiān)控。模擬器件ADIS16228數(shù)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(tǒng),將三軸加速度傳感與先進(jìn)的時域和頻域信號處理相結(jié)合。

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

內(nèi)部時鐘驅(qū)動數(shù)據(jù)采樣和信號處理系統(tǒng),無需外部時鐘源。數(shù)據(jù)捕獲功能有三種模式,提供多種選項以滿足許多不同應(yīng)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(shù)據(jù)。

適合工業(yè)環(huán)境的傳感器解決方案

圖2:ADI公司的振動傳感器(上)和方框圖ADIS16228(下)。

SPI和數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)提供了對數(shù)據(jù)輸出的便捷訪問。 ADIS16228還提供數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字電源測量。該設(shè)備用于振動分析,狀態(tài)監(jiān)測,機(jī)器健康,儀器儀表,診斷和安全關(guān)閉傳感等工業(yè)應(yīng)用。它采用15×24×15 mm模塊,帶法蘭,M2機(jī)器螺孔和靈活的連接器,可實現(xiàn)簡單的用戶界面和安裝。 ADIS16228的封裝尺寸與引腳兼容,與供應(yīng)商的ADIS16210數(shù)字測斜儀系統(tǒng)兼容,可在±180°的整個方向范圍內(nèi)精確測量俯仰角和滾動角。 ADIS16228具有-40°至+ 125°C的擴(kuò)展工作溫度范圍。

ADI公司的ADIS16000和ADIS16229(帶有嵌入式RF接收器)可為各種工業(yè)創(chuàng)建簡單的無線振動傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用。 ADIS16000提供管理網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能,而ADIS16229則提供遙感功能。

先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)激增,帶來更高的傳感器精度,可靠性,響應(yīng)時間,穩(wěn)健性,小型化,通信能力,和效率。這反過來又推動了R& D,為新的傳感器應(yīng)用提供了機(jī)會。展望未來,工業(yè)設(shè)施將配備更多智能,以更好地管理復(fù)雜性,安全性和運營。用于這些應(yīng)用的傳感器系統(tǒng)可能非常小,功耗很小,并且成本較低的早期傳感器的成本沒有將智能電子設(shè)備緊密集成到傳感元件中。更重要的是,這些設(shè)備通常安裝在一個芯片中并可以無線操作。

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