Современное промышленное предприятие без датчиков сегодня едва ли возможно. Они незаменимы для оцифровки и Industry 4.0, потому что выполняют незаметную, но чрезвычайно важную задачу: они собирают данные, которые делают фабрику разумной.
Датчики окружают нас и в нашей повседневной жизни: детекторы дыма, автоматические двери, технологии в наших смартфонах, автомобилях и во многих других местах. Существует множество различных типов и функций датчиков. Ниже мы даем обзор того, как работают датчики и как они используются.
Подсказка к книге
В книге «Промышленные датчики» описывается разработка и практическое применение наиболее важных датчиков. Благодаря прикладному анализу ошибок измерительных систем, датчиков и сенсорных систем, каждый из которых дополняется множеством подробных, полностью рассчитанных примеров применения, книга подходит не только для студентов, но и для инженеров и техников из различных дисциплин.
Что такое сенсорная технология?
Технология датчиков относится к использованию датчиков для измерения различных физических или химических свойств. Датчик является техническим компонентом и также называется «датчиком». Датчик измеряет фактическое значение и передает его на обработку данных. Данные могут быть обработаны вручную обученным лицом или, как это обычно происходит с большинством используемых сегодня датчиков, с помощью цифровой системы обработки данных. Датчик расположен в соответствующей точке измерения. Это интерфейс между обработкой данных и внешним миром системы.
Датчик никогда не работает один, он всегда является частью контура управления. Контур управления - это саморегулирующаяся система. Он постоянно сравнивает фактическое значение с целевым значением. Если фактическое значение слишком сильно отклоняется от целевого значения, система самостоятельно принимает контрмеры. Здесь возможны три реакции, которые обычно происходят поэтапно:
- 1-й этап: компенсация
- 2-й этап: сигнализация
- 3-й этап: отключение
На первом этапе контур управления пытается восстановить целевое значение путем принятия подходящих мер. В случае микропульсаций это стандартная схема комфорта, которая работает автоматически без внешнего вмешательства. Однако, если отклонения становятся слишком сильными или фактические значения указывают на тренд, срабатывает сигнал тревоги. Всеобъемлющая система, например специалист по административному поручению, теперь может принимать решения для восстановления нормального состояния. Если тревога игнорируется слишком долго, система отключается, если это возможно, чтобы предотвратить косвенное повреждение или самоуничтожение.
Какие типы датчиков есть
В сенсорной технологии обучения измерительных датчиков практически каждое физически производимое состояние оснащено подходящим датчиком. Исследования продолжаются, но датчики, которые уже доступны сегодня, способны к удивительной производительности. В сенсорной технологии датчики доступны для следующих условий и параметров:
- Измерение силы: датчики деформации, датчики силы веса
- Объем: уровень
- Свет: интенсивность света, резкость, непрозрачность
- Скорость: скорость вращения, скорость полета
- Магнетизм: датчики приближения
- Электромагнетизм: расположение радиосигналов
- Акустика: звуковые датчики
- Расположение: наклон, положение
- Климат: влажность, давление
Кроме того, высокочувствительные химические детекторы уже доступны в сенсорной технологии.
Как работает датчик
Удивительно, сколько измеренных переменных можно определить с помощью одной и той же структуры датчика. Так как различные датчики используются в сенсорной технологии, конструкция отдельного электронного компонента настолько проста.
Различные принципы измерения датчиков:
Источник видео: Endress + Hauser
Многие датчики работают по электромагнитному принципу. Катушка заряжается под определенным напряжением с точным магнитным полем. Нарушение этого магнитного поля является внешним воздействием, которое передается на блок управления в виде сигнала. Например, работать по этому принципу
- Датчики приближения,
- Датчики ускорения,
- Датчики силы
- а также датчики уровня
и многие другие. Если требуются особенно точные измеренные значения, вместо катушки и железного сердечника используется пьезокристалл. В случае деформации это создает сильную напряженность, которая может быть легко считана.
В датчиках света используются также кристаллы. Здесь именно монокристаллы из кремния изменяют свою электропроводность под воздействием света. Здесь также предварительное напряжение является обязательным условием функционирования датчика.
Также звуковые датчики выполнены по известному электромагнитному принципу. Подобно громкоговорителям или микрофонам, постоянный магнит обмотан медной катушкой в акустическом датчике. Небольшое электрическое напряжение подается на катушку и приклеивается к мембране. Если сжатие воздуха, создаваемое звуком, давит на мембрану, катушка механически перемещается вдоль постоянного магнита. Это создает напряжение или изменение напряжения, которое может быть передано.
Датчики температуры работают несколько иначе. Они обычно оснащены биметаллом. В зависимости от изменения температуры металлическая полоса изгибается точно определенным образом. Этот изгиб может служить измеренным значением различными способами. Биметаллическая полоса обычно снова подключается к источнику напряжения. При изгибе сопротивление полосы изменяется. Затем это можно определить как изменение переменной измерения. Изгиб биметаллов также может быть подключен к оптической системе. Возможности и варианты сенсорных технологий очень разнообразны.
Радио и радарные датчики: высокотехнологичные сенсорные технологии
Радио и радарные датчики практически формируют следующий уровень в сенсорной технологии. Технически они намного сложнее, чем обычные электромагнитные датчики. К счастью, благодаря их широкому распространению эти технически совершенные электронные компоненты теперь можно купить очень недорого. Это особенно актуально при покупке больших количеств. Только так автомобили могут оснащаться датчиками расстояния.
Как датчики помогают с парковкой
Источник видео: Renault
При парковке датчики постоянно измеряют расстояние автомобиля в непосредственной близости от него. Это делается либо с помощью радарных датчиков или ультразвуковых датчиков.
Радарный датчик излучает электромагнитный сигнал тысячи раз в секунду и измеряет время, необходимое для возврата эха. В отличие от обычного электромагнитного датчика, радарный датчик является активным компонентом. Он следует принципу привод-реактор: вместо ожидания измеряемой переменной радарный датчик выдает собственный сигнал.
Ультразвуковые датчики также прикреплены к амортизатору автомобиля. Они отправляют и получают ультразвуковые сигналы. Блок управления оценивает расстояние до препятствия по данным и, соответственно, дает обратную связь водителю.
В самой высокой конфигурации датчики расстояния и радара подключены к системе экстренного торможения. Это срабатывает автоматически, если автомобиль слишком быстро приближается к препятствию. Системы экстренного торможения на основе радиолокационных датчиков уже обязательны для новых грузовых автомобилей. Ожидается, что подобные вещи скоро потребуются от нормальных автомобилей.
Однако реальные радиодатчики в автомобиле встречаются реже. Они имеют свое место в авионике и обороне. Общая радиотехника также частично оснащена соответствующими датчиками. Логистика - это то, где определенная форма радиодатчика получила огромный приток за последние годы.
Датчики при доставке товаров
Мощная система отслеживания необходима для эффективной доставки большого количества товаров в нужное место в кратчайшие сроки. Поток товаров может управляться соответствующим образом только в том случае, если участвующие стороны точно знают, где находятся товары. Здесь сенсорная технология разработала целый ряд решений. Радиодатчики также являются активными датчиками, которые сначала излучают сигнал, а затем ждут ответа. Теперь все зависит от радиосистем, используемых на товарах, какие датчики здесь используются.
Знание - конкурентное преимущество
Будьте в курсе: с нашей новостной рассылкой, редакция электротехники AUTOMATISUNG информирует вас по понедельникам, вторникам и четвергам о темах, новостях и тенденциях в отрасли.
Подпишись сейчас!
Чипы RFID стали использоваться на складах и в качестве защиты от краж. Это небольшие микросхемы без тока, которые прикрепляются к продукту или его контейнеру. Радиодатчик теперь излучает сигнал, на который отвечает чип RFID. Микросхема использует излучаемую энергию из сигнала вызова для генерации ответного сигнала. Сам радиодатчик теперь должен быть оснащен только чувствительной технологией приема, чтобы можно было определить местонахождение продукта или контейнера. Система RFID не работает на контейнерах, которые в настоящее время находятся на судне, здесь датчики слежения должны опираться на гораздо более мощные системы. Использование GPS-передатчиков и соответственно оборудованных датчиков является обычным явлением в этой области.
Использование датчиков в автомобиле
Сенсорная технология доступна практически во всех электротехнических сооружениях. Пример нормального автомобиля показывает, насколько важна сегодня технология датчиков для оптимального и безупречного функционирования технической системы. У нормального автомобиля есть следующие датчики:
- Датчик скорости
- Датчик скорости
- Датчик уровня бензобака
- Датчик заряда аккумулятора
- Датчик массы воздуха во впускном тракте
- Датчики веса
- Датчики наклона
- Датчик температуры
- Датчики расстояния
Подсказка к книге
В книге «Промышленные датчики» описывается разработка и практическое применение наиболее важных датчиков. Благодаря прикладному анализу ошибок измерительных систем, датчиков и сенсорных систем, каждый из которых дополняется множеством подробных, полностью рассчитанных примеров применения, книга подходит не только для студентов, но и для инженеров и техников из различных дисциплин.
Пример датчика температуры: как работает датчик
Большинство контуров управления работают незаметно для водителя. Три уровня технологии датчиков становятся понятными на примере датчика температуры. Цепь управления температурного датчика управляется тремя приводами. После запуска холодного двигателя охлаждающая жидкость сначала поступает в так называемый малый контур охлаждения. Он проходит через двигатель и сразу же закачивается обратно в него. Это гарантирует, что двигатель достигает рабочей температуры как можно быстрее. Когда рабочая температура достигнута, большой охлаждающий контур открывается.
Эта саморегулирующаяся система не требует сложных датчиков: клапан, который отделяет маленький охлаждающий контур от большого, является термостатом. Это небольшой компонент, состоящий из капсулы, заполненной воском, и биметаллической пружины. Как только охлаждающая жидкость достаточно теплая, воск тает, и биметаллическая пружина сжимается. Клапан открывается, и охлаждающая жидкость может протекать через радиатор двигателя. Эта система работала очень надежно на протяжении десятилетий и практически не менялась с момента ее появления в 1920-х годах. Недостаток этой чисто ручной схемы управления заключается в том, что дефект термостата практически не заметен. В случае неисправности в контуре охлаждения его можно заменить только в случае подозрения или проверки вне места его установки. Его просто помещают в кипящую воду, чтобы проверить его поведение при открытии и закрытии.
Ганноверская ярмарка 2018
Самокалибрующийся датчик температуры получает премию Гермеса
1-й этап: саморегуляция
Поэтому один термостат не может регулировать температуру двигателя достаточно надежно. Он также имеет ограниченную область влияния с точки зрения конструкции: когда он открыт, радиатор подключен к системе охлаждения двигателя. Тем не менее, температура окружающей среды может быть слишком высокой для двигателя. Вентилятор используется для отвода избыточного тепла от охлаждающей жидкости и, следовательно, от двигателя. В большинстве транспортных средств он приводится в движение электродвигателем. Если бы он работал непрерывно, это излишне увеличило бы расход топлива. Таким образом, электродвигатель подключен к контуру управления. Этот контур управления состоит из датчика температуры, электродвигателя и блока управления. Датчик температуры, подключенный к контуру охлаждения, посылает сигнал на блок управления, если температура охлаждающей жидкости слишком высокая. Это включает электродвигатель. Это продолжается до тех пор, пока охлаждающая жидкость не остынет достаточно. Если датчик охлаждающей жидкости снова сообщает о заданном состоянии, электродвигатель отключается.
2-й этап: сигнализация
Из-за чрезмерной температуры наружного воздуха или неисправности автомобиля охлаждающая способность вентилятора может быть недостаточной для охлаждения охлаждающей жидкости. В этом случае блок управления загорается предупреждающим сигналом на приборной панели. Теперь водителя предупреждают, что его автомобиль может перегреться.
3-й этап: автоматическое отключение
Это не тот случай, когда блок управления автоматически вмешивается в подачу тока зажигания или топлива для выключения двигателя. Это слишком опасно. Управление транспортным средством должно быть оставлено водителю как можно дольше. Однако перегретый двигатель в любом случае близок к саморазрушению. По соображениям безопасности двигатель с подключенной системой охлаждения спроектирован таким образом, что сначала он ломается в довольно некритичной точке. Обычно шланг охлаждающей жидкости лопается, и его больше нельзя игнорировать из-за сильного выброса пара. Если водитель продолжает движение, датчики сделали все, чтобы предотвратить серьезное повреждение двигателя. Пожиратель поршней больше не отвечает за датчики. У водителя теперь есть опцияостановить машину и выключить двигатель. Это показывает, на что способна мощная сенсорная система.
Преимущества и проблемы сенсорных технологий
Сенсорная система - это мощная система защиты и оптимального управления регулируемой системой. Он защищает от повреждений, повышает эффективность, снижает расход топлива, предотвращает износ и поддерживает надежную работу сборки. Производительность датчиков продолжает выходить за рамки. Датчики расстояния последних поколений на транспортном средстве могут многое сделать для активной безопасности автомобиля: соединенный контур управления с ассистентом экстренного торможения может не только уменьшить повреждение вашего автомобиля или избежать его в целом. Эта мощная сенсорная технология также все больше защищает других участников дорожного движения.
Сложность сенсорной технологии заключается в сложности всей системы и чувствительности отдельных датчиков. Чем больше измеренных значений должно быть обработано в центральной системе, тем более оно подвержено сбоям. Сегодня этому противостоит запись ненадежных значений в память ошибок. Это может быть затем считано и, таким образом, предоставляет информацию о том, где есть дефект в сенсорной системе.
датчиков
Получите лучший обзор трафика с помощью датчиков
Однако сами датчики по-прежнему являются интерфейсом с внешним миром. Их прямой контакт с другими компонентами, внешним воздухом, погодой или любым другим физическим количеством всегда способствует их износу. Поэтому система датчиков включает в себя контроль и предупредительный обмен чувствительными компонентами. Как часто это необходимо, сильно зависит от области применения датчика. Датчик ABS, установленный непосредственно на колесе, который постоянно подвергается воздействию грязи, соли и пыли от дороги, является чрезвычайно износостойким.
То же самое относится к датчикам температуры охлаждающей воды, чтобы остаться в упомянутом примере. Другие датчики предназначены для работы в течение всего предполагаемого срока службы технической системы. В автомобиле, например, это датчик уровня от бака. Этот датчик никогда не выходит из строя в большинстве моделей, но надежно поддерживает его срок службы в течение длительного времени.
Обратная связь
Теперь твоя очередь! Мы много работали над этой статьей, чтобы она была актуальной и актуальной. Оставьте отзыв и дайте нам знать, что вас больше всего интересует в датчиках. Какие вопросы еще открыты? Какой аспект мы должны пролить больше света?
Ваши комментарии помогут нам улучшить нашу статью.