Wie können Hersteller Präzision und Zuverlässigkeit in automatisierten Prozessen sicherstellen? Dieser Artikel befasst sich mit verschiedenen Sensortypen, von Näherungssensoren bis hin zu optischen Sensoren, und beleuchtet ihre spezifischen Einsatzmöglichkeiten und Auswahlkriterien. Durch das Verständnis von Schlüsselfaktoren wie Empfindlichkeit, Frequenzgang und Stabilität erfahren Sie, wie Sie den richtigen Sensor für jede Anwendung auswählen und letztendlich die Produktionseffizienz und Produktqualität verbessern können.
Sensoren gehören zu den grundlegenden elektronischen Informationsgeräten in der Fertigungsindustrie und sind spezielle Bestandteile neuer elektronischer Geräte, die derzeit entwickelt werden.
Die Sensorindustrie ist sowohl im Inland als auch international als Hightech-Industrie mit großen Entwicklungsperspektiven anerkannt, da sie einen hohen technischen Gehalt, gute wirtschaftliche Vorteile, eine starke Durchdringungsfähigkeit und breite Marktperspektiven aufweist.
Angetrieben von der boomenden elektronischen Informationsindustrie hat sich die Sensorindustrie ein gewisses industrielles Fundament geschaffen und bedeutende Fortschritte bei der technologischen Innovation, der unabhängigen Forschung und Entwicklung, der Leistungsumwandlung und der Wettbewerbsfähigkeit erzielt, was einen wichtigen Beitrag zur Förderung der nationalen Wirtschaftsentwicklung darstellt.
Mit dem Aufkommen des Informationszeitalters sind Sensoren zum wichtigsten Mittel und zur wichtigsten Methode für die Menschen geworden, um Informationen in den Bereichen Natur und Produktion zu erhalten.
In der modernen industriellen Produktion, insbesondere bei automatisierten Produktionsprozessen, werden verschiedene Sensoren zur Überwachung und Kontrolle verschiedener Parameter im Produktionsprozess eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Anlagen in einem normalen oder optimalen Zustand arbeiten und qualitativ hochwertige Produkte erzeugen. In der Grundlagenforschung haben Sensoren einen herausragenden Stellenwert.
Heutzutage sind Sensoren bereits in sehr viele Bereiche vorgedrungen, z. B. in die industrielle Produktion, die Entwicklung des Weltraums, die Erkennung von Ozeanen, den Umweltschutz, die Erforschung von Ressourcen, die medizinische Diagnose, die Biotechnik und sogar den Schutz von Kulturdenkmälern.
Die wichtige Rolle der Sensortechnologie bei der Entwicklung der Wirtschaft und der Förderung des sozialen Fortschritts liegt auf der Hand. Statistische Zahlen zeigen, dass der jährliche Umsatz des globalen Marktes für intelligente Sensoren mit einer Rate von 10% pro Jahr steigen wird.
Derzeit sind weltweit 65 Millionen Sensorgeräte mit Prozessoren installiert, und diese Zahl wird bis 2019 auf 2,8 Billionen ansteigen.
Auch die Sensorik ist eine relativ große elektrische Disziplin, die viel Erfahrung erfordert, um sie gut zu beherrschen. Wir werden in Zukunft mehr darüber erklären, aber heute werden wir hauptsächlich über die Auswahl sprechen.
Um eine bestimmte Messaufgabe zu erfüllen, muss zunächst überlegt werden, welche Art von Sensorprinzip verwendet werden soll. Dies erfordert eine sorgfältige Analyse verschiedener Faktoren, um eine Entscheidung zu treffen.
So gibt es zum Beispiel einen elektromagnetischen Durchflussmesser, einen Wirbeldurchflussmesser und einen Ultraschalldurchflussmesser, die bei der Auswahl eines Durchflussmessers vom jeweiligen Ziel abhängen.
Außerdem muss angegeben werden, welche Art von Ausgangsmodus verwendet werden soll, z. B. ein 2-Draht- oder 4-Draht-Stromsignal, ein 0-20-mA-, ein 4-20-mA-, ein 0-10-V-Spannungssignal oder eine Protokollkommunikation.
Innerhalb des linearen Bereichs des Sensors ist es im Allgemeinen wünschenswert, eine höhere Empfindlichkeit des Sensors zu haben. Denn nur wenn die Empfindlichkeit hoch genug ist, ist der Wert des der gemessenen Änderung entsprechenden Ausgangssignals relativ groß.
Außerdem ist diese Empfindlichkeit vorteilhaft für die Signalverarbeitung. Es ist jedoch zu beachten, dass bei hoher Empfindlichkeit des Sensors externe Störsignale, die nichts mit dem gemessenen Objekt zu tun haben, durch das Verstärkersystem verstärkt werden und die Messgenauigkeit beeinträchtigen können.
Daher sollte der Sensor selbst ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis haben, und die von außen eingebrachten Störsignale sollten so weit wie möglich reduziert werden.
Die Empfindlichkeit des Sensors ist richtungsabhängig. Wenn es sich bei dem Messobjekt um einen einzelnen Vektor handelt und eine hohe Richtungsempfindlichkeit erforderlich ist, sollte ein anderer Sensor mit geringerer Empfindlichkeit in anderen Richtungen gewählt werden. Handelt es sich bei dem Messobjekt um einen mehrdimensionalen Vektor, sollte die Querempfindlichkeit des Sensors so gering wie möglich sein.
Die Frequenzgangcharakteristik von Sensoren bestimmt den Frequenzbereich des Messobjekts, der innerhalb des zulässigen Frequenzbereichs unverzerrt bleiben muss.
In der Praxis gibt es immer eine gewisse Verzögerung bei der Reaktion des Sensors, und es ist vorzuziehen, dass die Verzögerungszeit so kurz wie möglich ist. Je höher der Frequenzgang des Sensors ist, desto größer ist der messbare Signalfrequenzbereich.
Bei dynamischen Messungen sollten die Ansprechcharakteristiken auf den Eigenschaften des Signals basieren (stationär, instationär, zufällig usw.), um erhebliche Fehler zu vermeiden.
Nach einer gewissen Nutzungsdauer des Sensors wird die Fähigkeit des Sensors, seine Leistung beizubehalten, als Stabilität bezeichnet. Die Faktoren, die sich auf die Langzeitstabilität des Sensors auswirken, hängen nicht nur mit der Sensorstruktur zusammen, sondern vor allem auch mit der Einsatzumgebung des Sensors.
Um eine gute Stabilität des Sensors zu gewährleisten, muss er daher eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Umwelt aufweisen.
Vor der Auswahl eines Sensors sollte die Einsatzumgebung untersucht werden, und es sollten geeignete Sensoren auf der Grundlage der spezifischen Einsatzumgebung ausgewählt oder geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um die Auswirkungen der Umgebung zu verringern.
Die Genauigkeit ist ein wichtiger Leistungsindikator für Sensoren und ein wichtiges Bindeglied für die Messgenauigkeit des gesamten Messsystems. Die Genauigkeit des Sensors ist jedoch durch seinen Messbereich begrenzt.
Im Allgemeinen gilt: Je größer die Reichweite, desto geringer die Genauigkeit, aber bei hochpräzisen Sensoren ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die Reichweite unzureichend ist. Dies führt dazu, dass hochpräzise Sensoren mit großer Reichweite sehr teuer sind.
Daher müssen bei der Auswahl der Sensoren Anpassungen an diese Überlegungen vorgenommen werden.
Bei der Auswahl eines Probenahmesensors ist darauf zu achten, dass das Gerät die grundlegenden Betriebsbedingungen der Anwendung erfüllen kann (siehe Datenblatt des Herstellers).
Zu den 6 wichtigsten Betriebsbedingungen gehören:
Bei der Verwendung von Sensoren mit IO-Link gibt es noch 6 weitere Dinge zu beachten:
In der modernen industriellen Produktion, insbesondere in automatisierten Produktionsprozessen, werden verschiedene Sensoren zur Überwachung und Steuerung verschiedener Parameter im Produktionsprozess eingesetzt, damit die Anlagen in einem normalen oder optimalen Zustand arbeiten und die Produkte die beste Qualität erreichen.
Daher kann man sagen, dass die moderne Produktion ohne viele hervorragende Sensoren ihre Grundlage verlieren wird. Im Folgenden werden wir eine detaillierte Einführung in einige der gängigsten Sensortypen in der Fertigung geben, zusammen mit einigen Anwendungstechniken und Erkenntnissen.
Näherungssensoren erkennen die Anwesenheit von Objekten in der Nähe ohne physischen Kontakt. Sie sind diskrete Ausgabegeräte.
Magnetische Näherungssensoren erkennen in der Regel, ob ein Aktor eine bestimmte Position erreicht hat, indem sie einen im Aktor befindlichen Magneten abtasten.
Es ist generell keine gute Idee, einen Aktuator von einem Unternehmen und einen magnetischen Näherungssensor von einem anderen zu kaufen. Auch wenn der Sensorhersteller angibt, dass der Sensor mit X-, Y- und Z-Aktuatoren kompatibel ist, können Änderungen der Magnete oder der Einbaulage in der Praxis zu Problemen bei der Erfassung führen.
Zum Beispiel kann der Sensor entweder ansprechen oder nicht ansprechen, wenn der Magnet nicht in der richtigen Position ist. Wenn der Hersteller des Aktuators Näherungssensoren anbietet, die auf den Aktuator abgestimmt sind, sollten diese bevorzugt werden.
Näherungssensoren auf Transistorbasis haben keine beweglichen Teile und eine lange Lebensdauer. Federbelastete Näherungssensoren verwenden mechanische Kontakte, haben eine kürzere Lebensdauer, sind aber preiswerter als Transistortypen. Federbelastete Sensoren eignen sich am besten für Anwendungen, die mit Wechselstrom betrieben werden und in Umgebungen mit hohen Temperaturen arbeiten.
Positionssensoren haben einen analogen Ausgang und zeigen die Position des Aktuators anhand der Positionsanzeige des daran befestigten Magneten an. Vom Standpunkt der Steuerung aus betrachtet, bieten Positionssensoren ein hohes Maß an Flexibilität. Steuerungs- und Regelungsingenieure können eine Reihe von Sollwerten festlegen, die auf Änderungen der Komponenten abgestimmt sind.
Da diese Positionssensoren auf Magneten basieren (wie z.B. Näherungssensoren), ist es am besten, Sensoren und Aktoren vom selben Hersteller zu kaufen (wenn möglich). Mit der IO-Link-Funktionalität können Daten von Positionssensoren abgerufen werden, was auch die Steuerung vereinfachen und eine Parametrierung ermöglichen kann.
Induktive Näherungssensoren nutzen das Faraday'sche Induktionsgesetz, um die Anwesenheit oder die analoge Ausgangsposition eines Objekts zu messen. Der kritischste Faktor bei der Auswahl eines induktiven Sensors ist die Bestimmung des Metalltyps, den der Sensor erkennt, und damit die Bestimmung des Erfassungsbereichs.
Im Vergleich zu schwarzen Metallen ist der Erfassungsbereich von farbigen Metallen um über 50% reduziert. Das Produkthandbuch des Herstellers sollte Informationen über die erforderliche Probenauswahl enthalten.
Vergewissern Sie sich, dass die Druck- oder Vakuumsensoren den Druckbereich sowohl imperialen (Pfund pro Quadratzoll) als auch metrischen (Bar) Maßeinheiten messen können. Legen Sie die am besten geeignete Form und Größe für den zugewiesenen Platz fest.
Bei der Installation des Geräts ist zu überlegen, ob der Sensor mit Anzeigeleuchten oder einem Display konfiguriert werden soll, um die Bedienung zu erleichtern. Wenn schnelle Änderungen der Sollwerte erforderlich sind, können Druck- und Vakuumsensoren mit IO-Link-Konfiguration in Betracht gezogen werden.
Wie Druck- und Vakuumsensoren können auch Durchflusssensoren nach Durchflussbereich, Größe und variablen Sollwerten ausgewählt werden. Bei der Bestellung von Sensoren können Anzeigeoptionen angegeben werden.
Durchflusssensoren mit relativ niedrigen Durchflussraten können für einen bestimmten Bereich der Anlage oder für die gesamte Anlage ausgewählt werden.
Die gebräuchlichsten Arten optischer Sensoren sind fotoelektrische Streuung, Reflexion und Einweglichtschranke. Lasersensoren und faseroptische Sensoren fallen ebenfalls in die Kategorie der optischen Sensoren.
Photoelektrische Sensoren sind meist Anwesenheitssensoren, die Objekte durch Reflexion oder Unterbrechung eines Lichtstrahls erkennen. Aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer Vielseitigkeit und ihrer hohen Zuverlässigkeit gehören diese Sensoren zu den am häufigsten verwendeten in der Fertigungsindustrie.
Reflexionslichttaster benötigen keine Reflektoren. Sie sind kostengünstige Sensoren, die die Anwesenheit von Objekten in der Nähe erkennen.
Einweglichtschranken bieten den größten Erfassungsbereich. Diese Sensoren haben getrennte Sende- und Empfangseinheiten, die an zwei Punkten installiert sind. Garagentor-Sicherheitslichtschranken sind Lichtschranken. Die Unterbrechung des Strahls zeigt das Vorhandensein eines Ziels an.
Eine interessante Einweglichtschranke ist die Schlitzlichtschranke, die einen Sender und einen Empfänger in einer kompakten Einheit vereint. Schlitzlichtschranken werden eingesetzt, um die An- und Abwesenheit von Kleinteilen zu erkennen.
Reflexionslichtschranken bestehen aus einem Sensor und einem Reflektor und werden für die Anwesenheitserfassung im mittleren Bereich eingesetzt. In Bezug auf Präzision und Kosten liegen diese Sensoren zwischen Lichttaster und Einweglichtschranke.
Faseroptische Sensoren werden zur Anwesenheits- und Entfernungsmessung eingesetzt. Die Parameter dieser multifunktionalen Sensoren können so eingestellt werden, dass sie verschiedene Farben, Hintergründe und Entfernungen erkennen.
Lasersensoren können für die Anwesenheitserfassung über große Entfernungen eingesetzt werden und sind die genauesten für Messanwendungen im Nahbereich.
Bildverarbeitungssensoren können für das Lesen von Barcodes, das Zählen, die Überprüfung von Formen und vieles mehr verwendet werden. Vision-Sensoren sind eine wirtschaftliche und effiziente visuelle Anwendung, die in Situationen eingesetzt werden kann, in denen Kamerasysteme teuer und komplex sind.
Bildverarbeitungssensoren werden zum Lesen von Barcodes, zur Verfolgung einzelner Komponenten und zur Ausführung von auf die Komponente zugeschnittenen Prozessschritten eingesetzt. Sensoren können die Funktionalität der Anzahl der auf dem Bauteil vorhandenen Teile überprüfen. Vision-Sensoren können feststellen, ob eine bestimmte Kurve oder eine andere Form erreicht wurde.
Da diese Sensoren mit Licht arbeiten, ist es von entscheidender Bedeutung, die Sensoren unter Bedingungen zu testen, die der Betriebsumgebung so nahe wie möglich kommen, wobei das Umgebungslicht und die Hintergrundreflexion berücksichtigt werden müssen.
Bei den meisten Anwendungen empfiehlt es sich, die Bildverarbeitungssensoren in einem Gehäuse unterzubringen, um sie von externen Lichtquellen zu isolieren. Es ist ratsam, den Hersteller des Bildverarbeitungssensors bei der Sensorprüfung um Hilfe zu bitten. Achten Sie auch auf die Auswahl des geeigneten Feldbusses.
Signalwandler wandeln das analoge Ausgangssignal eines Sensors in ein binäres Signal am Wandler um oder konvertieren es in IO-Link-Prozessdaten.
(1) Magnetischer Schalter:
Dies ist eine spezielle Bezeichnung für Sensoren, die in Zylindern verwendet werden und hauptsächlich dazu dienen, die Position der Zylinderkolben zu ermitteln. In der Regel wird er vom Zylinderlieferanten entsprechend der Verwendung durch den Kunden bereitgestellt. Wie der Name schon sagt, erfasst der Magnetschalter das Zielobjekt durch elektromagnetische Induktion, so dass seine Erfassungsgenauigkeit relativ gering ist.
(2) Näherungsschalter:
Der Näherungsschalter wurde ebenfalls auf der Grundlage des Prinzips der elektromagnetischen Induktion entwickelt und hergestellt, so dass er nur metallische Zielobjekte messen kann, und es gibt einen leichten Unterschied im Erfassungsbereich für verschiedene Metalle.
Gegenwärtig werden für Näherungsschalter die folgenden Abstände verwendet: 1mm, 2mm, 4mm, 8mm, 12mm, usw. Es gibt normalerweise zwei Arten von Näherungsschaltern: eingebettete und nicht eingebettete.
Der so genannte eingebettete Typ bezieht sich auf die Tatsache, dass der Sensorkopf des Näherungsschalters das Metallziel nicht in seiner Umfangsrichtung erfasst, sondern nur das Metallziel vor ihm, und dass der Sensorkopf ohne Freilegung der Metallhalterungen installiert werden kann.
Der so genannte nicht eingebettete Typ bedeutet, dass der Sensorkopf des Näherungsschalters sowohl das Metallziel vor ihm als auch das Metallziel in seiner Umfangsrichtung gleichzeitig erfasst, und der Sensorkopf muss die Metallhalterung über eine bestimmte Strecke freilegen, und es darf sich kein Metallziel innerhalb eines bestimmten Bereichs in Umfangsrichtung befinden, um Fehleinschätzungen zu vermeiden.
Die Erfassungsgenauigkeit von Näherungsschaltern ist höher als die von Magnetschaltern. Näherungsschalter werden in der Regel in Situationen eingesetzt, in denen die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit zur Beurteilung des Vorhandenseins oder Fehlens von Produkten und der Positionierung von Vorrichtungen relativ gering sind.
(3) Photoelektrischer Schalter:
Die fotoelektrische Erkennungsmethode hat die Vorteile einer hohen Genauigkeit, schnellen Reaktion und Berührungslosigkeit und kann mehrere Parameter messen. Die Struktur des Sensors ist einfach und flexibel, so dass fotoelektrische Sensoren in der Erkennung und Kontrolle weit verbreitet sind.
Wir unterscheiden grob drei Arten von Lichtschranken: eine Reflexionslichtschranke, eine Einweg-Lichtschranke und eine Lichtschranke, die eine Reflexionsplatte zur Lichtreflexion verwendet.
Die beiden letztgenannten werden durch die Abschattung durch das Zielobjekt erkannt, während die erstgenannten durch die Reflexion von Licht durch das Zielobjekt erreicht werden.
Die beiden letztgenannten haben daher in der Regel größere Erfassungsabstände und eine höhere Genauigkeit. Aufgrund der relativ hohen Erfassungsgenauigkeit von fotoelektrischen Sensoren werden sie in der Regel zur Erkennung der genauen Position von Produkten oder Werkstücken sowie als Feedback-Geräte für Schritt- und Servosysteme eingesetzt.
(4) Faseroptischer Sensor:
Ein faseroptischer Sensor ist ebenfalls eine Art von Erfassungselement, das eine fotoelektrische Signalumwandlung verwendet. Im Vergleich zu Lichtschranken können sie in der Regel kleinere Zielobjekte erkennen, haben einen größeren Erfassungsbereich und eine höhere Genauigkeit.
Daher werden faseroptische Sensoren in der Regel für präzisere Erkennungsanwendungen und Positionierungsrückmeldungen für Schrittmotor- und Servosysteme verwendet.
(5) Raster:
Das Gitter ist ebenfalls ein Sensor, der fotoelektrische Signale verwendet. Der Erfassungsbereich des Gitters ist groß, weshalb es auch als Flächensensor bezeichnet wird. Der Hauptanwendungsbereich des Gitters sind Verriegelungs- und Sicherheitsfunktionen zwischen Geräten, insbesondere zum Schutz von Personen.
(6) Thermoelement:
Thermoelemente werden hauptsächlich zur Erfassung der Umgebungstemperatur verwendet.
(7) Laser-Detektor:
Die Hauptfunktion des Laserdetektors ist die genaue Messung der äußeren Abmessungen des Zielobjekts.
(8) Industriekamera:
Die Industriekamera ist in der Technik auch als CCD (Charge-coupled Device) bekannt und wird hauptsächlich zur Erfassung der äußeren Form und Position des Zielobjekts verwendet. Mit der Verbesserung der aktuellen CCD-Technologie können hochauflösende Industriekameras nun auch in präzisen Messbereichen eingesetzt werden.
(9) Kodierer:
Je nach Funktionsprinzip lassen sich Drehgeber in inkrementale und absolute Typen unterteilen. Inkrementale Drehgeber wandeln die Verschiebung in periodische elektrische Signale um und wandeln dieses elektrische Signal dann in Zählimpulse um, wobei die Anzahl der Impulse die Größe der Verschiebung darstellt.
Der Absolutwertgeber entspricht einem spezifischen digitalen Code für jede Position, so dass sich seine Anzeige nur auf die Anfangs- und Endposition der Messung bezieht und nicht auf den Messvorgang in der Mitte.
Drehgeber werden in der Regel in geschlossenen oder halbgeschlossenen Regelkreisen mit Schritt- oder Servomotoren eingesetzt.
(10) Mikroschalter:
Der Mikroschalter ist ein kontaktbehafteter Sensor, der hauptsächlich für die Verbindung zwischen Geräten oder für die Erkennung des Zustands von Sicherheits- und Schutztüren von Geräten verwendet wird.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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