Come possono i produttori garantire precisione e affidabilità nei processi automatizzati? Questo articolo approfondisce i vari tipi di sensori, da quelli di prossimità a quelli ottici, evidenziandone gli usi specifici e i criteri di selezione. Comprendendo fattori chiave come la sensibilità, la risposta in frequenza e la stabilità, imparerete a scegliere il sensore giusto per qualsiasi applicazione, migliorando così l'efficienza produttiva e la qualità dei prodotti.
I sensori sono un tipo di apparecchiatura elettronica informativa di base nell'industria manifatturiera e sono componenti speciali di nuovi dispositivi elettronici in fase di sviluppo.
L'industria dei sensori è riconosciuta sia a livello nazionale che internazionale come un settore ad alta tecnologia con grandi prospettive di sviluppo, grazie al suo elevato contenuto tecnico, ai buoni vantaggi economici, alla forte capacità di penetrazione e alle ampie prospettive di mercato.
Trainata dal boom dell'industria dell'informazione elettronica, l'industria dei sensori ha formato una certa base industriale e ha compiuto progressi significativi nell'innovazione tecnologica, nella ricerca e nello sviluppo indipendenti, nella trasformazione dei risultati e nella competitività, dando un contributo importante alla promozione dello sviluppo economico nazionale.
Con l'avvento dell'era dell'informazione, i sensori sono diventati il mezzo e il metodo principale per ottenere informazioni in ambito naturale e produttivo.
Nella moderna produzione industriale, in particolare nei processi di produzione automatizzati, vengono utilizzati diversi sensori per monitorare e controllare vari parametri del processo produttivo, assicurando che le apparecchiature funzionino in uno stato normale o ottimale e producano prodotti di alta qualità. Nella ricerca fondamentale, i sensori hanno uno status eccezionale.
Al giorno d'oggi, i sensori sono già penetrati in aree estremamente ampie, come la produzione industriale, lo sviluppo spaziale, il rilevamento degli oceani, la protezione dell'ambiente, l'indagine sulle risorse, la diagnosi medica, la bioingegneria e persino la protezione delle reliquie culturali.
È evidente il ruolo importante della tecnologia dei sensori nello sviluppo dell'economia e nella promozione del progresso sociale. I dati statistici mostrano che il fatturato annuale del mercato globale dei sensori intelligenti aumenterà a un ritmo di 10% all'anno.
Attualmente, il numero di dispositivi a sensore installati con processori in tutto il mondo è di 65 milioni, e questo numero raggiungerà i 2,8 trilioni entro il 2019.
Anche la conoscenza dei sensori è una disciplina elettrica relativamente ampia che richiede una grande esperienza per essere padroneggiata con competenza. Ne parleremo più diffusamente in futuro, ma oggi ci soffermeremo soprattutto sulla selezione.
Per eseguire un compito di misura specifico, è necessario innanzitutto considerare il tipo di principio del sensore da utilizzare. Ciò richiede un'attenta analisi di vari fattori per giungere a una determinazione.
Ad esempio, prendendo come esempio un flussimetro, esistono un flussimetro elettromagnetico, un flussimetro a vortice e un flussimetro a ultrasuoni, che dipendono dall'obiettivo specifico quando si sceglie un flussimetro.
Inoltre, è necessario fare riferimento al tipo di modalità di uscita da utilizzare, ad esempio un segnale di corrente a 2 o 4 fili, un segnale di tensione 0-20mA, 4-20mA, 0-10V o un protocollo di comunicazione.
In genere, all'interno del campo lineare del sensore, è auspicabile che la sensibilità del sensore sia più elevata. Questo perché solo quando la sensibilità è sufficientemente alta, il valore del segnale di uscita corrispondente alla variazione misurata è relativamente grande.
Inoltre, questa sensibilità è vantaggiosa per l'elaborazione del segnale. Tuttavia, è importante notare che quando la sensibilità del sensore è elevata, i segnali di interferenza esterni non correlati all'oggetto misurato possono essere amplificati dal sistema di amplificazione e compromettere l'accuratezza della misura.
Pertanto, il sensore stesso deve avere un rapporto segnale/rumore più elevato e i segnali di interferenza introdotti dall'esterno devono essere ridotti il più possibile.
La sensibilità del sensore è direzionale. Se l'oggetto misurato è un singolo vettore e richiede un'elevata direzionalità, è necessario scegliere un altro sensore con una sensibilità inferiore in altre direzioni. Se l'oggetto misurato è un vettore multidimensionale, la sensibilità trasversale del sensore deve essere la più ridotta possibile.
Le caratteristiche di risposta in frequenza dei sensori determinano l'intervallo di frequenza dell'oggetto misurato, che deve essere mantenuto indistorto entro l'intervallo di frequenza consentito.
In pratica, c'è sempre un certo ritardo nella risposta del sensore ed è preferibile che il tempo di ritardo sia il più breve possibile. Più alta è la risposta in frequenza del sensore, più ampio è l'intervallo di frequenza del segnale che può essere misurato.
Nelle misure dinamiche, le caratteristiche di risposta devono essere basate sulle caratteristiche del segnale (stato stazionario, transitorio, casuale, ecc.) per evitare errori significativi.
Dopo aver utilizzato il sensore per un certo periodo, la capacità del sensore di mantenere le sue prestazioni è chiamata stabilità. I fattori che influenzano la stabilità a lungo termine del sensore non sono solo legati alla struttura del sensore, ma anche all'ambiente di utilizzo del sensore stesso.
Pertanto, per garantire una buona stabilità, il sensore deve avere una forte adattabilità all'ambiente.
Prima di scegliere un sensore, è necessario studiare l'ambiente di utilizzo e selezionare i sensori appropriati in base all'ambiente di utilizzo specifico o adottare misure appropriate per ridurre l'impatto dell'ambiente.
L'accuratezza è un importante indicatore delle prestazioni dei sensori ed è un importante collegamento all'accuratezza di misura dell'intero sistema di misura. Tuttavia, l'accuratezza del sensore è limitata dalla sua portata.
In genere, maggiore è la portata, minore è l'accuratezza, ma è molto probabile che i sensori ad alta precisione abbiano una portata insufficiente. Questo fa sì che i sensori ad alta precisione e a grande portata siano molto costosi.
Pertanto, nella scelta dei sensori è necessario effettuare degli aggiustamenti in base a queste considerazioni.
Quando si sceglie un sensore di campionamento, è necessario assicurarsi che il dispositivo sia in grado di soddisfare le condizioni operative di base dell'applicazione (si può fare riferimento alla scheda tecnica fornita dal produttore).
Le 6 condizioni operative più importanti includono:
Quando si considera l'uso di sensori con IO-Link, ci sono anche altri 6 aspetti da considerare:
Nella moderna produzione industriale, soprattutto nei processi di produzione automatizzati, vengono utilizzati diversi sensori per monitorare e controllare vari parametri del processo produttivo, in modo che le apparecchiature funzionino in uno stato normale o ottimale e i prodotti raggiungano la migliore qualità.
Pertanto, si può affermare che senza molti sensori eccellenti, la produzione moderna perderà le sue fondamenta. In seguito, forniremo un'introduzione dettagliata di alcuni dei tipi di sensori più comuni nella produzione, insieme ad alcune tecniche di applicazione e approfondimenti.
I sensori di prossimità rilevano la presenza di oggetti nelle vicinanze senza contatto fisico. Sono dispositivi di uscita discreti.
In genere, i sensori di prossimità magnetica rilevano se un attuatore ha raggiunto una posizione specifica rilevando un magnete situato nell'attuatore.
In genere non è una buona idea acquistare un attuatore da un'azienda e un sensore di prossimità magnetica da un'altra. Anche se il produttore del sensore può affermare che il sensore è compatibile con gli attuatori X, Y e Z, la realtà è che le modifiche ai magneti o alla posizione di montaggio possono causare problemi di rilevamento.
Ad esempio, il sensore può eccitarsi o non eccitarsi quando il magnete non si trova nella posizione corretta. Se il produttore dell'attuatore offre sensori di prossimità abbinati all'attuatore, questi dovrebbero essere i sensori preferiti.
I sensori di prossimità a transistor non hanno parti in movimento e hanno una lunga durata. I sensori di prossimità a molla utilizzano contatti meccanici, hanno una durata inferiore, ma sono meno costosi di quelli a transistor. I sensori a molla sono più adatti per le applicazioni che richiedono alimentazione CA e per quelle che operano in ambienti ad alta temperatura.
I sensori di posizione hanno un'uscita analogica e visualizzano la posizione dell'attuatore in base all'indicatore di posizione del magnete montato su di esso. Dal punto di vista del controllo, i sensori di posizione offrono una grande flessibilità. Gli ingegneri di controllo possono stabilire una serie di valori di setpoint in base alle variazioni dei componenti.
Poiché questi sensori di posizione sono basati su magneti (come i sensori di prossimità), è meglio acquistare sensori e attuatori dello stesso produttore (se possibile). Con la funzionalità IO-Link, è possibile ottenere i dati dai sensori di posizione, semplificando così il controllo e la parametrizzazione.
I sensori di prossimità induttivi utilizzano la legge dell'induzione di Faraday per misurare la presenza o la posizione analogica di un oggetto. Il fattore più critico nella scelta di un sensore induttivo è la determinazione del tipo di metallo che il sensore rileverà, determinando così il campo di rilevamento.
Rispetto ai metalli neri, il campo di rilevamento dei metalli colorati si riduce di oltre 50%. Il manuale del prodotto del produttore dovrebbe fornire informazioni sulla selezione del campione necessario.
Assicurarsi che i sensori di pressione o di vuoto siano in grado di misurare l'intervallo di pressione sia in termini imperiali (libbre per pollice quadrato) che metrici (bar). Specificare la forma e le dimensioni più appropriate per lo spazio assegnato.
Quando si installa l'apparecchiatura, si deve considerare se il sensore deve essere configurato con indicatori luminosi o con un display per facilitare l'uso da parte dell'operatore. Se è necessario modificare rapidamente i valori impostati, si possono considerare i sensori di pressione e di vuoto con configurazione IO-Link.
Come i sensori di pressione e di vuoto, anche i sensori di portata possono essere selezionati in base al campo di portata, alle dimensioni e ai valori variabili impostati. Le opzioni di visualizzazione possono essere specificate al momento dell'ordine dei sensori.
I sensori di flusso con portate relativamente basse possono essere scelti per una particolare area dell'apparecchiatura o per l'intera apparecchiatura.
I tipi più comuni di sensori ottici sono quelli a diffusione fotoelettrica, a riflessione e a sbarramento. Anche i sensori laser e i dispositivi di rilevamento a fibra ottica rientrano nella categoria dei sensori ottici.
I sensori fotoelettrici sono principalmente sensori di presenza che rilevano gli oggetti riflettendo o interrompendo un fascio di luce. Grazie al loro basso costo, alla versatilità e all'elevata affidabilità, questi sensori sono tra i più utilizzati nell'industria manifatturiera.
I sensori fotoelettrici a tasteggio non richiedono riflettori. Sono sensori economici utilizzati per rilevare la presenza di oggetti vicini.
I sensori fotoelettrici a sbarramento possono fornire il campo di rilevamento più lungo. Questi sensori hanno unità di trasmissione e ricezione separate, installate in due punti. I sensori di sicurezza per porte di garage sono sensori a fascio. L'interruzione del fascio indica la presenza di un bersaglio.
I sensori fotoelettrici a fessura sono un'interessante variante a sbarramento; combinano un trasmettitore e un ricevitore in un'unità compatta. I sensori a fessura sono utilizzati per rilevare la presenza e l'assenza di piccole parti.
I sensori fotoelettrici a riflessione sono costituiti da un sensore e da un riflettore e sono utilizzati per il rilevamento di presenza a medio raggio. In termini di precisione e costo, questi sensori si collocano tra i sensori a tasteggio e quelli a sbarramento.
I dispositivi di rilevamento in fibra ottica sono utilizzati per il rilevamento della presenza e della distanza. I parametri di questi sensori multifunzionali possono essere regolati per rilevare diversi colori, sfondi e distanze.
I sensori laser possono essere utilizzati per il rilevamento della presenza a lungo raggio e sono i più precisi per le applicazioni di misurazione a corto raggio.
I sensori di visione possono essere utilizzati per la lettura di codici a barre, il conteggio, la verifica delle forme e altro ancora. I sensori di visione sono un'applicazione visiva economica ed efficiente che può essere utilizzata in situazioni in cui i sistemi di telecamere sono costosi e complessi.
I sensori di visione vengono utilizzati per la lettura dei codici a barre, per il tracciamento dei singoli componenti e per l'esecuzione di fasi di processo specifiche per il componente. I sensori possono verificare la funzionalità del numero di parti presenti sul componente. I sensori di visione possono determinare se è stata raggiunta una curva o un'altra forma specifica.
Poiché questi sensori hanno a che fare con la luce, è fondamentale testarli in condizioni il più possibile simili all'ambiente operativo, tenendo conto della luce ambientale e della riflettività dello sfondo.
Nella maggior parte delle applicazioni, si consiglia di collocare i sensori di visione all'interno di una custodia per isolarli dalle fonti di luce esterne. È consigliabile richiedere l'aiuto del produttore del sensore di visione durante il test del sensore. Inoltre, è necessario assicurarsi di aver selezionato il bus di campo appropriato.
I convertitori di segnale convertono il segnale di uscita analogico di un sensore in un segnale binario sul convertitore o lo convertono in dati di processo IO-Link.
(1) Interruttore magnetico:
È un nome specialistico per i sensori utilizzati nei cilindri, usati principalmente per rilevare la posizione dei pistoni del cilindro. Di solito, viene fornito dal fornitore del cilindro in base all'utilizzo da parte del cliente. Come suggerisce il nome, l'interruttore magnetico rileva l'oggetto target attraverso l'induzione elettromagnetica, quindi la sua precisione di rilevamento è relativamente bassa.
(2) Interruttore di prossimità:
L'interruttore di prossimità è progettato e realizzato in base al principio dell'induzione elettromagnetica, quindi può misurare solo oggetti metallici e la distanza di rilevamento è leggermente diversa per i sensori di prossimità. metalli diversi.
Attualmente, le distanze di rilevamento comunemente utilizzate per gli interruttori di prossimità sono le seguenti: 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm, ecc. Gli interruttori di prossimità sono di solito di due tipi: incorporati e non incorporati.
Il cosiddetto tipo incorporato si riferisce al fatto che la testa di rilevamento dell'interruttore di prossimità non rileva il bersaglio metallico nella sua direzione circonferenziale, ma solo il bersaglio metallico di fronte ad essa, e la testa di rilevamento del sensore può essere installata senza esporre le staffe di montaggio metalliche.
Il cosiddetto tipo non incorporato significa che la testa di rilevamento dell'interruttore di prossimità rileverà contemporaneamente il bersaglio metallico di fronte a sé e il bersaglio metallico nella sua direzione circonferenziale; la testa di rilevamento del sensore deve esporre la staffa di montaggio metallica per una certa distanza e non deve esserci alcun bersaglio metallico entro un certo intervallo nella direzione circonferenziale per evitare giudizi errati.
La precisione di rilevamento degli interruttori di prossimità è superiore a quella degli interruttori magnetici. Gli interruttori di prossimità vengono solitamente utilizzati in situazioni in cui i requisiti di precisione della posizione per giudicare la presenza o l'assenza di prodotti e il posizionamento dei dispositivi sono relativamente bassi.
(3) Interruttore fotoelettrico:
Il metodo di rilevamento fotoelettrico presenta i vantaggi dell'elevata precisione, della rapidità di risposta e della mancanza di contatto e può misurare più parametri. La struttura del sensore è semplice e flessibile, pertanto i sensori fotoelettrici sono ampiamente utilizzati per il rilevamento e il controllo.
Esistono circa tre tipi di interruttori fotoelettrici: un sensore fotoelettrico a riflessione, un sensore fotoelettrico a sbarramento e un sensore fotoelettrico che utilizza una piastra di riflessione per riflettere la luce.
Gli ultimi due sono rilevati dall'ombreggiatura dovuta all'oggetto target, mentre il primo si ottiene riflettendo la luce attraverso l'oggetto target.
Pertanto, gli ultimi due hanno solitamente distanze di rilevamento più lunghe e una maggiore precisione. Grazie alla precisione di rilevamento relativamente elevata, i sensori fotoelettrici vengono solitamente utilizzati per rilevare la posizione precisa di prodotti o pezzi, nonché come dispositivi di feedback per sistemi passo-passo e servo.
(4) Sensore a fibra ottica:
Anche il sensore a fibra ottica è un tipo di elemento di rilevamento che utilizza la conversione del segnale fotoelettrico. Rispetto agli interruttori fotoelettrici, di solito è in grado di rilevare oggetti bersaglio più piccoli, di avere una distanza di rilevamento più lunga e una maggiore precisione.
Pertanto, i sensori a fibra ottica sono solitamente utilizzati in applicazioni di rilevamento più precise e in dispositivi di feedback di posizionamento per sistemi stepper e servo.
(5) Griglia:
Anche la griglia è un sensore che utilizza segnali fotoelettrici. L'area di rilevamento della griglia è ampia, per cui viene anche chiamata sensore di area. Il principale campo di applicazione della griglia è quello delle funzioni di interblocco e sicurezza tra le apparecchiature, in particolare per la protezione delle persone.
(6) Termocoppia:
Le termocoppie vengono utilizzate principalmente per rilevare la temperatura ambiente circostante.
(7) Rivelatore laser:
La funzione principale del rilevatore laser è quella di misurare con precisione le dimensioni esterne dell'oggetto target.
(8) Telecamera industriale:
La telecamera industriale, comunemente nota anche come CCD (Charge-coupled Device) in ingegneria, è utilizzata principalmente per rilevare la forma e la posizione esterna dell'oggetto target. Con il miglioramento dell'attuale tecnologia CCD, le telecamere industriali ad alta risoluzione possono ora essere applicate a campi di misura precisi.
(9) Codificatore:
In base ai principi di funzionamento, gli encoder possono essere suddivisi in incrementali e assoluti. Gli encoder incrementali convertono lo spostamento in segnali elettrici periodici e poi convertono questo segnale elettrico in impulsi di conteggio, dove il numero di impulsi rappresenta la dimensione dello spostamento.
L'encoder assoluto corrisponde a un codice digitale specifico per ogni posizione, quindi la sua indicazione è relativa solo alle posizioni iniziali e finali della misurazione e non riguarda il processo di misurazione nel mezzo.
Gli encoder vengono solitamente utilizzati in sistemi di controllo ad anello chiuso o semi-chiuso con motori passo-passo o servomotori.
(10) Microinterruttore:
Il microinterruttore è un sensore di tipo a contatto, utilizzato principalmente per il collegamento tra apparecchiature o per il rilevamento dello stato delle porte di sicurezza e di protezione delle apparecchiature.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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