工业领域中深入了解传感器用途

来源：本站作者：admin 时间：2021-08-24 05:59:25 点击：620

今天的工业产业结构具有前所未有的波动性、不确定性、复杂性和模糊性。因此，资产和人员以更低的成本和更高的安全性提高运营的效率变得越来越重要。在此背景下，传感技术及其进展对保持工业运营的竞争力和效率起着关键作用随着技术和业务需求的发展，传感技术及其各种应用不断发展。传感器可以用来检测从距离到热量到压力的各种实际属性。今天的产品使用传感器来感知周围的一切。它们具有非常精确的能力，消耗较少的功率，并且安装和维护成本低。事实证明，传感器是为其流程和相关业务创造新价值的重要组成部分。

一、什么是传感技术？它与传感器有何关系？

传感器的范围非常广，种类很多，但是从根本上说，传感器是检测测量对象的特征量并将该量转换为可读信号的设备，该信号显示在仪器上。简而言之，传感技术是一种使用传感器通过检测物理，化学或生物特性量并将其转换为可读信号来获取信息的技术。

实际上，有各种各样的传感器可满足任何工业需求。对于苛刻的，关键任务的工业应用，传感器可以帮助改善流程并提供无与伦比的资产保护。

这些传感器提供实时监控，包括过程所需的检测和报告。发送由传感器监视和收集的数据以进行控制和分析，并且通过传感器发出电信号来报告特定属性中的任何异常。这样，传感器可以提高流程效率和产品质量，同时确保流程符合最佳实践。

二、从人的感官了解机器的传感

原则上，任何具有检测抽象，无形或物理性质的能力的材料或设备都是传感器。我们被传感器包围着，传感器成功地测量和检测了许多成功运行在我们周围的设备及过程。

实际上，人体的正常功能取决于五种感觉器官——眼睛，耳朵，鼻子，舌头和皮肤。人体感官（感官器官）的功能已明确定义——它们获取有关外部环境的信息，并将其传输到大脑进行处理。然后，大脑将身体引导至进一步的行动过程。感觉器官的正常功能对于人体的安全和健康至关重要。

多年以来，已经开发了许多可以检测多种物理或化学性质的专用传感器。

物理传感器在视觉，听觉和触摸中起着重要的作用，可以感应并将光，声波，压力和温度等物理量转换为电信号。

化学传感器起着味道和气味的作用。根据各种化学品的存在，浓度和组成，它可以转换和检测电信号。

生物传感器被认为是化学传感器的一部分，但是它们利用发出电和光信号的生物特性来检测状态或物质。

有一些高灵敏度的传感器可以检测出人类感官无法检测到的磁性和辐射剂量。

工业应用中的传感器起着至关重要的作用，就像人体中的感觉器官一样。流程行业拥有大量依赖于传感器才能正常运行的机器或系统和互连设备的集群。在过程流中联网的传感器，可以连续不断地检测，测量和传输物理环境中任何变化的电信号。电信号被传输到控制系统（计算机），该系统处理数据并进一步指导该过程。

随着社会的不断进步，过程流和控制机制也发生了变化。实际上，现代机器现在具有高度灵敏且可选项广泛的人机界面，用于控制和监视。传感技术是如此自动化，以至于可以选择人类的愿望和意图，并将过程进一步发展。

因此，就像人体的感觉器官负责各种任务并成为生命正常运转的关键要素一样，传感器通过不断检查各种过程参数以实现连续运行，在工业中扮演着相同的角色。

三、传感器的工业用途

本质上，工业过程是导致产品制造的物理，化学，电气或机械步骤。高度发达的过程工业具有定义明确并记录在案的过程。至关重要的是连续测量和精确控制每个生产过程的状态，以避免意外的组件更改和不稳定的生产条件。对于过程的成功而言，通过监视生产设备和公用设施的状态并执行最佳维护管理来最大化基础设备的性能也很重要。这就是为什么工业传感器和仪器设计用于过程监控和资产监控的原因。

过程监控

过程监视传感器用于监视工厂中产品和过程的状态。这些放置在生产过程中的传感器连续检测被测物的状态，并将其作为过程数据传输到控制单元。然后，控制单元将传输的信号与目标值进行比较，将差异转换为受控变量，将其输出，然后将其更改为被测量状态。通过重复该循环，执行“反馈控制”以将被监视对象保持在稳定的受控状态。

这些传感器需要连续，实时的数据输入和高速响应。这些可靠的传感器可实时微调过程，以消除盲点，从而实现高质量生产和最佳工厂运行。

资产监控

资产监视传感器在监视工厂设备方面起着至关重要的作用。他们检索和传输的数据构成了分析和警报的基础。通过分析传感器输出数据，可以诊断工厂设备的健康状况。然后，此诊断将用于警报管理，设备的预测性维护以及更有效的维护巡逻。高响应传感器可以帮助防止工厂事故，延长过程正常运行时间并提高设备的使用寿命。

几乎所有过程都可以使用各种各样的传感器和传感系统。收集可靠，准确的过程数据的能力对于实现任何级别的过程控制都是至关重要的。加工厂可以采用最新的控制系统或基于云/边缘的数据收集技术，并且如果检测和报告存在缺陷，仍然可以见证过程故障。当今的传感系统已形成一个整体套件，可确保它们作为一个单元来实现最佳的过程和资产管理，并最终实现过程的成功。

这些传感单元被用于各种具有不同水平流程自动化的行业，因为数据检测是任何流程行业成功的非常重要的第一步。

四、工业应用传感器的好处

部署传感器和传感技术具有多项优势，包括预测性和预防性维护。它们不仅可以确保更快地传输测量数据，还可以提高准确性，从而改善过程控制并增强资产健康状况。

新型传感器能够进行有线和无线传输，可从资产和过程提供实时，连续的数据馈送。这使主管人员可以更全面地了解过程工厂。利用传感器的企业比以往任何时候都更具连接性，安全性和敏捷性。

传感器的主要优点包括：提高了数据捕获的灵敏度，几乎无损的传输以及连续，实时的分析。实时反馈和数据分析服务可确保流程处于活动状态并以最佳方式执行。

传感技术的不断发展催生了当今的智能传感器。与传统的没有有源组件的模拟传感器不同，智能传感器包含电路，允许它们进行测量并将值输出为数字数据。这些传感器具有嵌入式微处理器单元，并在信号转换器上安装了许多传感设备。

智能传感器能够执行许多内在的智能功能，例如自我测试，自我验证，自我适应和自我识别的能力。他们了解流程要求，管理各种条件，并可以检测条件以支持实时决策。这些智能传感器针对多种过程条件进行了编程，使执行人员可以获得最大的收益。

通过转向更智能的传感器，并有效利用从流程和资产中收集的数据，公司可以提高生产率，提高能源效率并降低工厂的总拥有成本。通过持续的监控和数据检索，流程负责人可以确定高能耗区域，并可以采取适当措施来限制能源浪费。这种方法将帮助公司实现联合国制定的可持续发展目标，例如“负担得起的清洁能源”，“工业，创新和基础设施”以及“负责任的消费和生产”。

简单概括，传感器的优点为：

加快流程并使其更加准确

实时收集过程和资产数据

准确，可靠和连续地监视流程和资产

提高生产率并降低总拥有成本

减少能源浪费

五、传感技术的未来发展之路

传感技术随着过程自动化的发展而发展，从而产生了功能更强大，网络更好的传感设备。传感器已部署在各行各业的公司中，包括石油，天然气，石化，化工，电力，纸浆和造纸，制药，食品，钢铁，供水和废水处理以及金属等行业的公司。工业的进步为专用传感器类别铺平了道路。随着向数字化过渡的加速，对更大的过程自动化，增强的异常检测能力以及预测性维护功能的需求正在推动传感技术的空前采用。

预期挑战

尽管它们小型化，但是今天的传感器却非常强大且易于接受。它们具有较低的故障率，并且比以往消耗更少的功率。在不久的将来，企业可以期望传感器实现更大的小型化和电子技术的进一步发展，以及更低的价格，改进的功能以确保消耗更少的功率，更高的响应能力以及更高的故障承受能力。

许多加工厂已经安装了传感器和数字化操作来进行过程控制。他们已经连接了工厂中的主要流程，并且可以检测，报告和分析数据以实现更高水平的流程效率。下一个挑战是从感官创造中获得价值，而不仅仅是感官。要实现越来越有利可图的可持续运营，就需要更充分地利用已被广泛收集的高保真工厂数据。

工业物联网（IIoT）的迅速发展将进一步扩展和补充其应用和范围。IIoT传感器监控一系列属性，包括温度，振动，压力和水质。这些传感器连接到利用边缘，雾和云计算资源来监视和管理资产性能和能源效率的解决方案。

传感技术的进一步发展将不仅限于传感设备。通过将智能感知与人工智能（AI）和机器学习（ML）融合在一起，它将支持敏捷决策和驱动器性能优化。

随着对智能产品的需求不断增长，以及组织内部数字化的加速，传感器的作用和重要性将继续增长。

潜在应用

传感技术在整个行业中具有多种潜在应用，可以提高质量，可靠性和性能。从太阳能电池和燃料电池中的应用到医疗保健能力的提高，再到强大的环境监控系统的安全性增强，无限的可能性。

例如，生物感测是寻求发展和增强将在视觉识别，触觉，嗅觉，音频和物理系统中使用的现有感测技术的能力的领域。由于传感技术可以在微米和纳米环境中使用，因此它在诊断和药物监测系统中产生了深远的影响。

同样，智能和智能传感器技术正在寻求在未来几年中改变世界的未来。它们将不断发展，例如测量隐形物品并改变为更耐磨。通过确保这些传感器产生的结果的完整性和可靠性，它们在医学，消费品，通信设备，家庭和运输中的应用是不可避免的。

再例如高度灵活的片材印刷传感器。作为可穿戴传感器之一，印刷传感器有望用于IoT（物联网）。物联网世界雇用了一大批传感器来收集大数据，然后将大数据上传到云网络。然后，对这些数据进行分析，以生成有关更理想的维护实践的建议。

为了支持大量的传感器，需要坚固且可靠的传感系统。这种系统的关键是柔性混合电子（FHE），它同时使用印刷和硅技术。高度灵活的薄片传感器系统可以适应各种目的和测量，包括工业基础设施，可追溯性，汽车和机器人，医疗保健以及其他应用，并且可以为优化工厂监控，物流质量控制和重要数据管理做出贡献。

传感器技术的创新将继续成为工业和社会的重要工具。

延伸阅读：工业自动化领域的"电五官"解析与梳理

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，传感器几乎必不可少。它是设备的机械系统和控制系统连结的纽带，机械系统通过传感器将运动参数以及运行状态反馈给控制系统，控制系统通过传感器反馈的信号和数据发出指令驱动机械系统，其重要性不言而喻。

传感器是人类五官的延伸，又称之为电五官。设备控制系统需要通过它来确定：机构的位置、产品的有无、以及产品的精度等重要参数以监测和控制设备的使用状态和产品的生产过程。具体来讲，工业生产者需要使用各种传感器来监视、控制生产过程中的各个参数，使设备处于正常状态，如果出现故障也能被及时发现。本文主要梳理了工业自动化领域五种常见的工业传感器类型。

一、光电传感器

光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。

光电传感器拥有分辨率高、响应时间短、检测距离长、对检测物体的限制少等特点。尤其值得一提的是，它可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

二、接近传感器

接近传感器能以非接触式进行传感检测，所以不会进行磨损以及伤害检测对象，更无火花、噪音。由于是无接触的输出方式，所以使用寿命长，几乎对接点的寿命没有任何的影响。接近传感器与其他检测方式不同的是，它适合和在水油环境下使用，检测时几乎不受检测对象的污渍和水油的影响。

其中，接近式传感器本身只能近距离且无接触检测金属物体。测距改变式弹力杆装置最大的特点是可以使触点的感应范围范围过载。弹簧加载活塞、探针、按钮，一般是用来接触产品然后检测产品是否到位、定位准确以及核实被测产品。

三、光纤传感器

利用光纤研制光纤传感器始于1977年，该技术一问世即引起人们的极大兴趣，目前光纤传感器已经得到迅猛发展。因为光纤本身是电介质，而且敏感元件也可用电介质材料制作，因此光纤传感器具有良好的电绝缘性，光纤表面能承受80kV／20cm电压，尤其适用于高压的供电系统以及大容量电机的测试，可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境，而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

利用光纤能构成种类繁多的传感器，故有人称光纤传感器是万能传感器。它可测量许多物理量，应用范围遍布军事、商业、民用、医学、工业控制等各个领域。需要明确的一点是，传统传感器是以机－电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。

四、位移传感器

位移传感器是把物体的运动位移转换成可测量的电学量一种装置。通常用于把不便于定量检测和处理的形变、振动、位移、位置、尺寸等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量。

位移传感器种类繁多，近几年应用领域不断扩大，越来越多的创新技术也开始被运用到传感器中。例如，基于光纤技术、时栅技术、OEM的LVDT技术、超声波技术、磁致伸缩技术等，由于技术的进步，各种传感器性能大幅提高，成本也显著降低。

五、霍尔效应传感器

旋转霍尔效应传感器一般不使用任何运动部件，这种基于半导体的传感器将霍尔效应传感元件与电路相结合，以提供与旋转磁场变化相对应的模拟输出信号。有两个输出选项可供选择，即模拟或脉冲宽度调制（PWM）。

其中，线性霍尔效应传感器测量磁场的线性运动，而不是旋转。据悉，该传感器可针对设定的输出电压进行编程，该输出电压对于给定的行进距离是成比例的。截至目前，霍尔传感器的相关技术仍在不断进步过程之中，可编程霍尔传感器、智能霍尔元件和微型霍尔传感器将具有良好的市场前景。

小结：

随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在使用信息的过程中，首先要解决的是获取准确可靠的信息，而传感器是自然和生产领域获取信息的主要途径和手段。在现代工业生产中，特别是在自动化生产过程中，需要使用各种传感器对生产过程中的各种参数进行监测和控制，使设备能够在正常状态或最佳状态下工作，使产品达到最佳质量。所以可以说，没有很多优秀的传感器，现代生产就会失去基础。传感器的特点是小型化、数字化、智能化、多功能化、系统化和网络化。它们不仅促进了传统产业的转型升级，还可能建立新的产业，从而成为21世纪新的经济增长点。未来几年，随着智能制造的加速，市场对智能传感、监控、生产、监控系统、技术和设备的需求有望进一步增加。其中，不同类型的传感器将搭载在常见的汽车电子、通信电子、消费电子和专用电子设备中。

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