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k8工业传感器的热点趋势及其解决方案

发布日期:2020-09-12 05:03

  、智能工厂等带来了对工业传感器的新需求。作者访问了8家领先的工业传感器供应商或代理商,请他们介绍了工业传感器的新动向,及其最新的解决方案。

  转动设备被广泛地应用于工业环境中,而由于设备磨损、老化等原因造成的设备停机给企业带来的损失,这不仅仅包括设备的维修成本,而且因为设备停机造成的产线停滞会给企业造成更大的经济损失。通过振动信号的分析,可以在设备故障的早期阶段侦测设备潜在故障,为设备的维修保养做提前预判,大幅度增加企业的生产效率及OEE (Overall EquipmentEffectiveness,设备总体效能)。

  在工业物联网产业中,预测性维护是最受全球制造业CEO(首席执行官)关注的一项技术。表1中的数据是由德勤与美国竞争力委员会在2016年做的调查,通过对全球制造业CEO访问,对包括预测性分析在内的多个先进工业技术进行了排序,排序1到11,1为最高排序,11为最低排序。

  从表1可见,预测性维护在美国和中国市场均排在首位。其背后的原因在于,每年制造业企业花费在设备维护上的费用开支巨大,但是依旧无法避免设备的停机或是因为设备老化而造成的生产良品率下降。据ISA数据显示,全球制造商每年因停机遭受的损失总计约为6 470 亿美元。而在预测性维护的产业中,占市场份额最大的是振动传感器,66%的预测性维护系统使用振动传感器抓取设备的振动频率,并对振动频谱分析从而做出预判。

  村田电子通过向后一体化整合战略,结合村田电子在压电陶瓷振动敏感元件的技术经验和遍布全球的先进制造能力,推出了可用于工业设备预测性故障维护的无线所示是村田电子的无线振动传感器。

  村田电子推出的无线 MHz无线通信技术,在工业现场复杂环境下可实现100 m的稳定通信距离。传感器采用电池供电,小巧灵活,易于现场安装,避免了现场布设数据线或电源线的困难。传感器的敏感元件采用的是村田电子的陶瓷压电元件,体积小巧,可检测最高10 kHz的振动信号。结合超低功耗MCU(微控制器),对采集的振动信号在传感器端做快速傅里叶变换(FFT)算法。配合村田电子的智能无线网关使用,可以应对各种复杂的工业现场,在100 m的范围内,可支持多达50个传感器节点接入,为智能化工厂转型助力。

  在工业传感器领域,工业4.0是最热门的词汇之一。这个主题非常复杂,因此许多传感器技术将会变得更加重要。最强劲的增长可能出现在气体、压力、震动、湿度、温度和光学传感器等领域。

  结合工业4.0,预测性维护可能是最令人关注的话题。k8通过监测工业机器的性能及其状态,以备故障发生的提前预防,这需要智能地结合使用不同的传感器。根据对发现潜在故障的早晚时间需要,可以使用超声波、加速度或麦克风传感器。

  这类产品的普遍技术趋势要求是更高的热稳定性、超低功耗、超低自噪声(高SNR)、低失真以及先进的数字功能。

  儒卓力的目标不仅仅是销售单一的产品,而且是在从创意阶段到产品生命周期结束的过程中为客户提供支持服务。在了解应用及其特定需求后,儒卓力尝试优化PCB(印制板),因此儒卓力使用现有的通用实践场景,把应用必需的不同产品组合起来。

  大多数情况下,传感器应用需要一个微控制器、无线组件和至少一个显示器件。而儒卓力为客户提供一站式的服务,让客户不仅可以从儒卓力获取所有的这些器件,甚至其他更多的资源。

  此外,儒卓力还拥有自己的开发实验室,结合最新的市场趋势,有针对性地设计并开发相关的演示板,以帮助客户显著地缩短开发时间。

  工业4.0的浪潮正在兴起。众所周知,工业4.0有着大量的承诺,其中包括生产力和安全性的指数级改进。如何实现生产力和安全性的大幅提升呢?这其中工业条件监测将发挥重要作用,而传感器在其中将扮演关键角色。振动是机器诊断的关键要素之一,已被可靠地运用于监控各种工业应用中的最关键设备。

  振动测量可以使用放置在被监测元件附近的加速度计进行。这种传感器可以是压电式,也可以是MEMS(微机电系统)类型,后者更具优势,不仅可以在低频率下提供更好的响应,而且体积小巧。

  以滚珠轴承故障监测为例,每次滚珠碰触到开裂处或者触碰到内环或外环的缺陷位置,就会发生撞击,引起振动,甚至导致旋转轴轻微移位。撞击发生的频率由转动速度,以及滚珠的数量和直径决定。一旦故障出现,撞击有时候会产生可以听见的声音,即冲击波,表现为低能量谱分量和相对较高的频率,通常大于5 kHz,而且总是远远超过基本的旋转频率。只有低噪声、高带宽加速度计(例如ADI公司的ADXL100x)才能测量与首个故障信号相对应的频谱线)测量模块的解决方案

  尽管诸如ADXL100x系列加速度计具有宽带宽和低噪声特点。但是,它们采用单轴,需要配备相关的处理电子设备。为了简化设计,ADI越来越多地提供从组件到完整功能模块产品。例如ADI公司提供了一套完整的解决方案,采用 ADcmXL3021型号实施三轴测量。这款3.3 V电源电压产品包括3个基于ADXL1002的测量链、1个温度传感器、1个处理器和1个FIFO(先入先出)。整个装置封装在一个铝壳 (23.7 mm×26.7mm×12 mm) 内,可以即时安装在旋转机器上。该产品的全尺寸为±50 g,具有仅25 μg/√Hz的极低噪声水平和10 kHz带宽,这些特点使其能在大量应用中捕捉振动特征。

  信号处理模块不仅包括一个具有32个系数的可配置FIR(有限冲击响应)滤波器,还包括一个每轴2 048个节点的FFT(快速傅里叶变换)函数,用于对振动进行频谱分析。再将用这种方法计算得出的频谱的每个频率级别与可配置的报警阈值(每轴6个)进行对比。如果频谱组件过于密集,就会生成警报。该产品还可以通过SPI(串行外设接口)与主机处理器进行交互,提供访问内部寄存器以及一组用户可配置的函数的权限,包括先进的数学函数,k8例如计算平均值、标准偏差、最大值、波峰因素和峰度(四阶动力矩,支持测量振动的锐度)。利用这些机器健康状况的深入见解,可以提高生产力和效率,最大限度地延长正常运行时间,加速实现工业 4.0。

  可用于工业领域的传感器种类很多,它们各自有各特点。而近年来,TI在发力毫米波传感器(mmWaveSensor)在工业领域的应用,走在行业的前列。

  T I 目 前 发 布 的 毫 米波传感器,可工作于77GHz频段(诸如IWR1642芯片等)和60 GHz频段(IWR6843芯片),适配于各种工业场景的应用,包含室内室外各种应用场景:从无人机、智能交通、安防监控领域,到工业机器人、工厂自动化、楼宇自动化、智慧家居以及医疗看护等领域,毫米波传感器都大有用武之地。

  TI毫米波传感器基于多输入多输出(MIMO)的调频连续波(FMCW),精确感知目标的相对距离、相对速度、空间位置角度、材质(通过雷达散射截面积RCS来表述)等各项参数,并且随着技术的发展,可以对目标分类和成像。

  毫米波传感器在工作时不会受到周围环境的光照、气候等环境因素的显著影响,可以安装在塑料面板、石膏板等材料的后面,不会破坏工业设计与造型的美观度;随着系统信噪比的不断提升,毫米波传感器的辐射功率也被控制在非常安全的范围里,在许多的室内与家庭应用中,TI毫米波传感器的电磁辐射功率已经远小于人们常用的Wi-Fi设备,而且在60 GHz或者77 GHz频段,人体的体表皮肤对电磁波的反射率非常的高,大部分的辐射能量(超过60%)是被人体的皮肤直接反射回去而非能量吸收,事实上对人体而言是非常安全的。

  也正是由于这些原因,可以预见在不久的将来,毫米波传感器将会迅速地普及到工业与民用的各个领域中,例如电子设备(诸如手机或者灯光)的手势控制、人体的体征探测(非接触式呼吸与心率的探测)、居家看护的人体运动与姿态检测(比如老人摔倒的事件)、智能自动门控系统(可以感知到人的行动意图从而决定是否真的需要为您开门)、扫地机器人的自我定位与环境感知、建筑物与桥梁的轻微震动监测、楼宇电梯的运行速度控制、河流与液位管道的防灾监控(液位高低的测量以及地质灾害引起的液面波动监测)等等,有越来越多的应用可以通过毫米波传感器来实现。

  TI在业内率先推出了基于RF(射频)CMOS制程的毫米波传感器,产品的集成度非常高,单颗芯片内集成了射频模块、高速高精度数模转换模块、射频信号处理(3D FFT)硬件加速模块、高速DSP(数字信号处理器)模块、芯片微控制器(MCU)模块、各种信号输入/输出单元模块,使得产品的性价比非常高,而且也是因为集成度高,降低了系统硬件设计的门槛(各种高速信号链都已经集成在一个单芯片内,为毫米波传感器的系统硬件设计带来便利)。TI还准备推出基于片上天线(AOP)的单芯片毫米波传感器,目前IWR6843AOP的工程样片和开发板(EVM)已经可以提供给客户。

  随着视觉信息在工业应用中变得愈发重要,未来CMOS图像传感器将从工业应用中获得巨大发展机遇。目前已有不少工业自动化应用中使用了CMOS图像传感器。然而随着应用领域的扩大,CMOS图像传感器也面临着诸多挑战,解决这些挑战正是未来CMOS传感器发展的主要技术动向。

  在工业应用中,CMOS图像传感器非常重要的应用之一便是自动光学检测(AOI,Automated OpticalInspection)。在显示面板检测、PCB检测等诸多应用中,人工检测已无法胜任,只有依靠自动光学。而随着面板尺寸和分辨率、PCB电路复杂度等的提升,检测用CMOS图像传感器的像素要求也在不断提升。

  以显示面板检测为例,配套的AOI用CMOS图像传感器像素正在不断提升——从5 MP到12 MP,再到2018年主流的20 MP,以及今年开始广泛使用的50 MP像素。

  思特威目前正针对这一趋势,设计开发分辨率更高的产品,以帮助工业用户满足其在AOI应用上的需求。

  由于CMOS图像传感器逐行扫描式的成像原理,当成像物体高速运动时,便会产生“果冻效应”,导致成像变形。而在高速运动的生产线上,“果冻效应”严重影响了CMOS图像传感器的应用。

  因 此 , 业 界 推 出 了 “ 全 局 快 门 ” ( G l o b a lShutter)的概念。通过整片CMOS图像传感器整体曝光,可实现高速物体成像无变形的效果,这对目前炙手可热的机器视觉与图像识别算法的实现至关重要。

  当然,全局快门只是一个技术点,目前思特威的SmartGS系列产品将BSI(Backside Illuminated,背照式)、单帧HDR等技术应用于全局快门CMOS图像传感器中,面向工业推出了多款具有竞争力的产品,未来还将继续研发及发布更高性能的产品。

  在很多工业应用环境中,由于环境或其他因素的限制,往往存在十分复杂的光照条件,例如低光照、明暗对比极大等情况。这就要求所采用的CMOS图像传感器拥有非常优秀的低光照性能和高动态范围(HDR)性能。

  思特威在低光照、HDR等方面拥有不俗的技术优势,而通过将这些技术优势应用于工业用CMOS图像传感器产品,思特威先后推出了具有高感度和HDR功能的CMOS传感器产品SC2210、SC4210。这两款产品主要针对复杂环境,能够实现具备高适应性的成像性能。

  提到工业应用,严苛的工作温度是所有相关传感器不可回避的问题之一。传统CMOS图像传感器芯片的工作温度范围往往不能满足工业应用的需求,这就要求CMOS图像传感器芯片设计者从设计、制造、封装等多个层面出发,扩大工作温度。

  2019年7月,思特威发布了两款全新工业级CMOS图像传感器——SC2310T与SC4210T。这两款产品兼具思特威独特的像素技术与业界领先的工作温度范围,能够为恶劣工作环境中的应用提供超低光照条件下的优异成像性能,以及高达100 dB的动态范围。3 工业传感器的整体趋势探讨

  在工业4.0及智慧城市等市场的驱动下,ST在运动传感器(加速计、陀螺仪、磁力计)和环境传感器(温度计、湿度计、气压计、硅麦克风)上持续投入

  。基于20多年MEMS产品设计和市场经验的积累,ST(意法半导体)认为工业市场对于传感器提出了更高精度、更加综合、更加智能化的需求。

  为了助力智能工业,ST已经发布了很多针对工业市场的高精度传感器。它们中有具备超高带宽(5kHz)的加速计可以检测到高频振动,从而对工业设备做出有效的预测性维护;也有基于陶瓷封装技术的加速计具有高精度、高稳定性(0.075 mg/℃)及超宽温度范围(-40 ℃~+105℃),可以保证产品的安装精度或检测桥梁建筑物的倾斜角度。

  在很多工业应用场景里,客户经常会既有运动传感器的需求(比如检测碰撞和跌落),又有环境传感器的需求(监测环境的温度)。针对这样的多样化要求,ST将加速计和温度计封装到一颗芯片中,从而给系统带来了更加简单的设计和更加小的尺寸。

  很多工业客户希望传感器能更加智能化,不仅能从工业设备上采集到原始数据,更希望能告诉系统其数据背后的含义;也希望能通过大量设备收集到的数据进行系统优化,从而让设备工作得更有效率。ST将人工智能和机器学习的概念也带到了传感器中,将上述设想变成了现实。

  最近ST发布了 一 系列“ X ”传感器( 例 如ISM330DHCX、IIS2ICLX等),该系列传感器具有增强的机器学习核心(Core),并且可以支持可编程状态机(Finite State Machine)。通过这些功能,传感器可以预设告警条件,一旦采集到的数据满足预设条件则可以自行向系统告警;也可以设置几种工作模式,然后通过不同设备采集到的大数据对工作模式的细节进行优化,从而令系统更加智能。

  1)IIoT所需传感器的总体特点超高效率的工业自动化将需要采用IIoT(工业物联网)支持的技术,实现这一技术将需要一系列传感器来监测环境条件,包括温度、压力、振动、湿度和声学。这些类型的传感器已经被广泛采用,并持续增长。

  IIoT的增长还将推动对机器视觉的需求,这将要求光学传感器能支持具有极高帧速率(通常超过 1000 帧/s)的摄像机,以便近乎实时地传输高速工业过程的流媒体视频。

  在制造无人机(UAV)在过程中有无数的应用。其中,精确导航需要使用加速度计、陀螺仪、磁力仪、气压传感器等,其中许多都结合在惯性测量单元等“传感器融合”设备中。这将带来高需求和长期增长。

  印刷传感器的使用,例如Molex(莫仕)印刷电子产品Soligie生产线上的传感器,将加快生产速度,同时降低成本。

  莫仕最近与Contrinex合作,后者生产用于工厂自动化、安全和RFID(射频识别)系统的传感器,现在可以为产品设计师提供多种感应式和光电传感器。这些设备中的大多数都具有强大的ASIC(专用集成电路),适用于一流的操作距离和较长的传感器寿命。

  针对恶劣的环境,产品组合包括IP67、68和69K级别的产品以及符合Ecolab标准的产品。感应范围还包括一些非常强大的设备,例如具有机油一体式不锈钢外壳,以及一些耐盐水和其他具有焊接现场防护功能的设备。广泛的光电范围包括有专利UV(紫外线)技术的透明物体传感器,以及颜色和对比度传感器。

  空间有限,莫仕可提供直径仅为3 mm(感应式)或4 mm(光电式)的小型独立设备的作为选择。与大多数组合中的传感器一样,这些微型设备也具有可选的IO-Link接口,用于远程传感器教学、调整和监控。通过IO-Link接口,传感器处理和输出数据可以无缝地集成到一个物联网架构中,用于持续监测和诊断。

  Allegro MicroSystems(以下简称Allegro)的创新传感解决方案正在推动工业技术的发展和创新,从叉车中的精确速度传感器到变频驱动器,以及精密控制的工厂和仓库机器人等,都可以看到Allegro创新传感的广泛应用。

  在工业领域,一个趋势是自动化的深度和广度都在不断提高。在仓库和厂房领域,许多公司都在转向多层建筑以节省房地产成本,并靠近人口稠密的城市,这就需要更先进的电梯、叉车和机器人等设备。但是,在这些自动化设备周围,也会有一些人在进行各种操作。为了保证人员和设施的安全,并保证生产活动的正常进行,需要始终确保这些设备安全运行。

  安全正成为智能工厂的首要任务。预防性维护不仅有助于降低计划外的维护/维修成本,还可以通过减少关键组件可能发生的故障来保证工厂中人员和设备的安全。例如,Allegro的霍尔和GMR(巨磁电阻)速度传感器可以识别齿轮速度的降低,这种速度降低可能预示即将发生轴承故障。Allegro的电流传感器可以检测到过流状况,而这种过流通常由过载电机引起,因而该检测功能可增加额外的安全保护,防止对设备或人员造成伤害。电流传感器还可用于监控电机电流波形,并提供预测性维护和高级诊断信息,从而提高电机的整体效率和寿命。

  除了上述安全挑战之外,工业自动化和智能工厂也正在普遍地面临从机械系统过渡到高度复杂的电子系统,这要求制造商在电子系统的开发和维护方面具有精深的专业知识。Allegro开发了一些创新的高集成度解决方案,使客户能更轻松地设计先进、高效、功能强大的传感系统。从电流传感器到速度和线性传感器,在Allegro所有传感器产品系列中都可以看到这些优势。Allegro的目标是在提高系统性能和可靠性的同时,帮助客户减少电路板所需的元器件数量,简化工艺设计和元器件采购管理。

  此外,在工业领域也面临着提高能源效率和减少碳排放的挑战,在世界各地都是如此,特别是在亚洲。预计未来十年后能源需求将超过供给,因此,工业制造商需要采用低功耗的解决方案来应对可能的能源短缺。可持续性发展是Allegro追求的目标,其正在努力探寻更具创新的技术来提高能源效率。

  Allegro最新的电流传感器IC(集成电路)即是用于工业和工厂自动化领域的创新典范,这些完全集成的解决方案可提供优异的性能、更小的占位面积和更多的功能,同时可简化PCB布局,并消除由于设计中的零部件拥挤而导致的潜在可能故障。所有这些解决方案都具有非常有竞争力的价格和功能,能满足市场的需求。

  Allegro的ACS720系列就是一个例子,它是一种易于使用且功效很高的解决方案,具有极低的电阻,理想适合于客户在工厂车间实现“绿色”解决方案的设计目标。ACS720的一个应用案例是变频驱动器(VFD),该解决方案只需非常低的功率损耗即可实现电流感测,提供可提高性能和效率的优化算法,利用该系列传感器能够进行高精度的电机控制。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第8页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。