Como os fabricantes podem garantir precisão e confiabilidade nos processos automatizados? Este artigo se aprofunda em vários tipos de sensores, desde os de proximidade até os ópticos, destacando seus usos específicos e critérios de seleção. Ao compreender os principais fatores, como sensibilidade, resposta de frequência e estabilidade, você aprenderá a escolher o sensor certo para qualquer aplicação, melhorando a eficiência da produção e a qualidade do produto.
Os sensores são um tipo básico de equipamento eletrônico de informação na indústria de manufatura e são componentes especiais de novos dispositivos eletrônicos que estão sendo desenvolvidos.
O setor de sensores é reconhecido nacional e internacionalmente como um setor de alta tecnologia com grandes perspectivas de desenvolvimento, devido ao seu alto conteúdo técnico, bons benefícios econômicos, forte capacidade de penetração e amplas perspectivas de mercado.
Impulsionado pela expansão do setor de informações eletrônicas, o setor de sensores formou uma certa base industrial e fez progressos significativos em inovação tecnológica, pesquisa e desenvolvimento independentes, transformação de conquistas e competitividade, contribuindo de forma significativa para a promoção do desenvolvimento econômico nacional.
Com o advento da era da informação, os sensores se tornaram o principal meio e método para as pessoas obterem informações nos campos natural e de produção.
Na produção industrial moderna, especialmente em processos de produção automatizados, vários sensores são usados para monitorar e controlar vários parâmetros no processo de produção, garantindo que o equipamento opere em um estado normal ou ideal e produza produtos de alta qualidade. Na pesquisa fundamental, os sensores têm um status excepcional.
Atualmente, os sensores já penetraram em áreas extremamente amplas, como produção industrial, desenvolvimento espacial, detecção de oceanos, proteção ambiental, investigação de recursos, diagnóstico médico, bioengenharia e até mesmo proteção de relíquias culturais.
Pode-se observar que o importante papel da tecnologia de sensores no desenvolvimento da economia e na promoção do progresso social é muito óbvio. Os números estatísticos mostram que a receita anual do mercado global de sensores inteligentes aumentará a uma taxa de 10% por ano.
Atualmente, o número de dispositivos sensores instalados com processadores em todo o mundo é de 65 milhões, e esse número chegará a 2,8 trilhões até 2019.
O conhecimento do sensor também é uma disciplina elétrica relativamente grande que exige muita experiência para ser dominada com proficiência. Explicaremos mais sobre isso no futuro, mas hoje falaremos principalmente sobre a seleção.
Para realizar uma tarefa de medição específica, é necessário primeiro considerar o tipo de princípio de sensor a ser usado. Isso requer uma análise cuidadosa de vários fatores para fazer uma determinação.
Por exemplo, tomando um medidor de vazão como exemplo, há um medidor de vazão eletromagnético, um medidor de vazão de vórtice e um medidor de vazão ultrassônico, que dependem do objetivo específico ao selecionar um medidor de vazão.
Além disso, também é necessário indicar o tipo de modo de saída que precisa ser usado, como um sinal de corrente de 2 ou 4 fios, um sinal de tensão de 0-20mA, 4-20mA, 0-10V ou algum protocolo de comunicação.
Em geral, dentro da faixa linear do sensor, é desejável que ele tenha uma sensibilidade maior. Isso ocorre porque somente quando a sensibilidade é alta o suficiente, o valor do sinal de saída correspondente à alteração medida é relativamente grande.
Além disso, essa sensibilidade é vantajosa para o processamento de sinais. No entanto, é importante observar que, quando a sensibilidade do sensor é alta, os sinais de interferência externa não relacionados ao objeto medido podem ser amplificados pelo sistema de amplificação e afetar a precisão da medição.
Portanto, o próprio sensor deve ter uma relação sinal-ruído mais alta, e os sinais de interferência introduzidos do exterior devem ser reduzidos ao máximo.
A sensibilidade do sensor é direcional. Quando o objeto medido for um único vetor e exigir alta direcionalidade, deverá ser selecionado outro sensor com menor sensibilidade em outras direções. Se o objeto medido for um vetor multidimensional, a sensibilidade cruzada do sensor deve ser a menor possível.
As características de resposta de frequência dos sensores determinam a faixa de frequência do objeto medido, que deve ser mantida sem distorções dentro da faixa de frequência permitida.
Na prática, sempre há um certo atraso na resposta do sensor, e é preferível que o tempo de atraso seja o mais curto possível. Quanto maior for a resposta de frequência do sensor, mais ampla será a faixa de frequência do sinal que pode ser medida.
Na medição dinâmica, as características de resposta devem se basear nas características do sinal (estado estável, transiente, aleatório etc.) para evitar erros significativos.
Depois de usar o sensor por um determinado período, a capacidade do sensor de manter seu desempenho é chamada de estabilidade. Os fatores que afetam a estabilidade de longo prazo do sensor não estão relacionados apenas à estrutura do sensor, mas também, principalmente, ao ambiente de uso do sensor.
Portanto, para garantir que o sensor tenha boa estabilidade, ele deve ter uma forte adaptabilidade ambiental.
Antes de selecionar um sensor, o ambiente de uso deve ser investigado, e os sensores apropriados devem ser selecionados com base no ambiente de uso específico ou em medidas apropriadas tomadas para reduzir o impacto do ambiente.
A precisão é um importante indicador de desempenho dos sensores, além de ser um importante elo relacionado à precisão da medição de todo o sistema de medição. Entretanto, a precisão do sensor é limitada por seu alcance.
Em geral, quanto maior o alcance, menor a precisão, mas é muito provável que os sensores de alta precisão não tenham alcance suficiente. Isso faz com que os sensores de grande alcance e alta precisão sejam muito caros.
Portanto, é necessário fazer ajustes ao selecionar os sensores de acordo com essas considerações.
Ao selecionar um sensor de amostragem, é necessário garantir que o dispositivo possa atender às condições operacionais básicas da aplicação (consulte a folha de dados fornecida pelo fabricante).
As 6 condições operacionais mais importantes incluem:
Ao considerar o uso de sensores com IO-Link, há também 6 outros aspectos a serem considerados:
Na produção industrial moderna, especialmente nos processos de produção automatizados, vários sensores são usados para monitorar e controlar vários parâmetros no processo de produção, de modo que o equipamento funcione em um estado normal ou ideal e os produtos atinjam a melhor qualidade.
Portanto, pode-se dizer que, sem muitos sensores excelentes, a produção moderna perderá sua base. A seguir, apresentaremos uma introdução detalhada de vários dos tipos mais comuns de sensores na manufatura, juntamente com algumas técnicas de aplicação e percepções.
Os sensores de proximidade detectam a presença de objetos nas proximidades sem contato físico. Eles são dispositivos de saída discretos.
Normalmente, os sensores de proximidade magnética detectam se um atuador atingiu uma posição específica por meio da detecção de um ímã localizado no atuador.
Em geral, não é uma boa ideia comprar um atuador de uma empresa e um sensor de proximidade magnética de outra. Embora o fabricante do sensor possa dizer que o sensor é compatível com atuadores X, Y e Z, a realidade é que mudanças nos ímãs ou na posição de montagem podem causar problemas de detecção.
Por exemplo, o sensor pode energizar ou deixar de energizar quando o ímã não estiver na posição correta. Se o fabricante do atuador oferecer sensores de proximidade que sejam compatíveis com o atuador, esses devem ser os sensores preferidos.
Os sensores de proximidade baseados em transistor não têm partes móveis e têm uma longa vida útil. Os sensores de proximidade com mola usam contatos mecânicos, têm uma vida útil mais curta, mas são mais baratos do que os tipos de transistor. Os sensores com mola são mais adequados para aplicações que exigem alimentação CA e para aquelas que operam em ambientes de alta temperatura.
Os sensores de posição têm saída analógica e exibem a posição do atuador com base no indicador de posição do ímã montado nele. Do ponto de vista do controle, os sensores de posição oferecem uma grande flexibilidade. Os engenheiros de controle podem estabelecer uma série de valores de ponto de ajuste correspondentes às alterações dos componentes.
Como esses sensores de posição são baseados em ímãs (como os sensores de proximidade), é melhor comprar sensores e atuadores do mesmo fabricante (se possível). Com a funcionalidade IO-Link, os dados dos sensores de posição podem ser obtidos, o que também pode simplificar o controle e permitir a parametrização.
Os sensores de proximidade indutivos usam a Lei de Indução de Faraday para medir a presença ou a posição de saída analógica de um objeto. O fator mais importante ao selecionar um sensor indutivo é determinar o tipo de metal que o sensor detectará, determinando, assim, a faixa de detecção.
Em comparação com os metais pretos, a faixa de detecção dos metais coloridos é reduzida em mais de 50%. O manual do produto do fabricante deve fornecer informações sobre a seleção de amostras necessária.
Certifique-se de que os sensores de pressão ou vácuo possam medir a faixa de pressão nas medidas imperial (libras por polegada quadrada) e métrica (bares). Especifique a forma e o tamanho mais adequados para o espaço alocado.
Ao instalar o equipamento, considere se o sensor deve ser configurado com luzes indicadoras ou uma tela de exibição para facilitar o uso pelo operador. Se forem necessárias mudanças rápidas nos valores definidos, pode-se considerar os sensores de pressão e vácuo com configuração IO-Link.
Assim como os sensores de pressão e vácuo, os sensores de fluxo podem ser selecionados com base na faixa de fluxo, no tamanho e nos valores de ajuste variáveis. As opções de exibição podem ser especificadas ao fazer o pedido dos sensores.
Os sensores de vazão com taxas de vazão relativamente baixas podem ser selecionados para uma área específica do equipamento ou para todo o equipamento.
Os tipos mais comuns de sensores ópticos são o espalhamento fotoelétrico, a reflexão e o feixe de luz. Os sensores a laser e os dispositivos de detecção de fibra óptica também se enquadram na categoria de sensores ópticos.
Os sensores fotoelétricos são, em sua maioria, sensores de presença que detectam objetos refletindo ou interrompendo um feixe de luz. Devido ao seu baixo custo, versatilidade e alta confiabilidade, esses sensores estão entre os mais usados no setor de fabricação.
Os sensores fotoelétricos difusos não requerem refletores. Eles são sensores econômicos usados para detectar a presença de objetos próximos.
Os sensores fotoelétricos de barreira podem fornecer o maior alcance de detecção. Esses sensores têm unidades de transmissão e recepção separadas, instaladas em dois pontos. Os sensores de segurança para portas de garagem são sensores de feixe. A interrupção do feixe indica a presença de um alvo.
Os sensores fotoelétricos do tipo ranhura são uma variante interessante de feixe passante; eles combinam um transmissor e um receptor em uma unidade compacta. Os sensores do tipo slot são usados para detectar a presença e a ausência de peças pequenas.
Os sensores fotoelétricos reflexivos têm um sensor e um refletor e são usados para detecção de presença de médio alcance. Em termos de precisão e custo, esses sensores ficam entre os sensores difusos e os de feixe passante.
Os dispositivos de detecção de fibra óptica são usados para detecção de presença e distância. Os parâmetros desses sensores multifuncionais podem ser ajustados para detectar várias cores, fundos e faixas de distância.
Os sensores a laser podem ser usados para detecção de presença de longo alcance e são os mais precisos para aplicações de medição de curto alcance.
Os sensores de visão podem ser usados para leitura de códigos de barras, contagem, verificação de formas e muito mais. Os sensores de visão são uma aplicação visual econômica e eficiente que pode ser usada em situações em que os sistemas de câmera são caros e complexos.
Os sensores de visão são usados para leitura de código de barras, rastreamento de componentes individuais e execução de etapas de processo adaptadas ao componente. Os sensores podem verificar a funcionalidade do número de peças presentes no componente. Os sensores de visão podem determinar se uma curva ou outra forma especificada foi alcançada.
Como esses sensores lidam com a luz, é fundamental testar os sensores em condições o mais próximo possível do ambiente operacional, levando em conta a luz ambiente e a refletividade do fundo.
Na maioria das aplicações, recomenda-se colocar os sensores de visão em um compartimento para isolá-los de fontes de luz externas. É uma boa ideia procurar a ajuda do fabricante do sensor de visão durante o teste do sensor. Além disso, lembre-se de garantir a seleção do fieldbus apropriado.
Os conversores de sinal convertem o sinal de saída analógico de um sensor em um sinal binário no conversor ou o convertem em dados de processo IO-Link.
(1) Chave magnética:
É um nome especializado para sensores usados em cilindros, usados principalmente para detectar a posição dos pistões do cilindro. Normalmente, ele é fornecido pelo fornecedor do cilindro de acordo com o uso do cliente. Como o nome sugere, a chave magnética detecta o objeto-alvo por meio de indução eletromagnética, portanto, sua precisão de detecção é relativamente baixa.
(2) Chave de proximidade:
A chave de proximidade também é projetada e fabricada com base no princípio da indução eletromagnética, de modo que só pode medir objetos-alvo de metal, e há uma pequena diferença na distância de detecção para diferentes metais.
Atualmente, as distâncias de detecção comumente usadas para chaves de proximidade são as seguintes: 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm, etc. Normalmente, há dois tipos de sensores de proximidade: embutidos e não embutidos.
O chamado tipo embutido refere-se ao fato de que a cabeça sensora do sensor de proximidade não detecta o alvo metálico em sua direção circunferencial, apenas detecta o alvo metálico à sua frente, e a cabeça sensora do sensor pode ser instalada sem expor os suportes de montagem metálicos.
O chamado tipo não incorporado significa que a cabeça sensora do sensor de proximidade detectará o alvo de metal à sua frente e o alvo de metal em sua direção circunferencial ao mesmo tempo, e a cabeça sensora do sensor deve expor o suporte de montagem de metal por uma determinada distância, e não deve haver nenhum alvo de metal dentro de uma determinada faixa na direção circunferencial para evitar julgamentos incorretos.
A precisão de detecção dos sensores de proximidade é maior do que a dos sensores magnéticos. Os sensores de proximidade são normalmente usados em situações em que os requisitos de precisão de posição para julgar a presença ou ausência de produtos e o posicionamento de dispositivos são relativamente baixos.
(3) Chave fotoelétrica:
O método de detecção fotoelétrica tem as vantagens de alta precisão, resposta rápida e sem contato, e pode medir vários parâmetros. A estrutura do sensor é simples e flexível, por isso os sensores fotoelétricos são amplamente usados na detecção e no controle.
Há aproximadamente três tipos de chaves fotoelétricas que costumamos mencionar: um é um sensor fotoelétrico reflexivo, outro é um sensor fotoelétrico de feixe passante e o outro é um sensor fotoelétrico que usa uma placa de reflexão para refletir a luz.
Os dois últimos são detectados pelo sombreamento devido ao objeto-alvo, enquanto o primeiro é obtido pela reflexão da luz através do objeto-alvo.
Portanto, os dois últimos geralmente têm distâncias de detecção mais longas e maior precisão. Devido à precisão de detecção relativamente alta dos sensores fotoelétricos, eles são normalmente usados para detectar a posição precisa de produtos ou peças de trabalho, bem como dispositivos de feedback para sistemas de passo e servo.
(4) Sensor de fibra óptica:
O sensor de fibra óptica também é um tipo de elemento de detecção que usa conversão de sinal fotoelétrico. Em comparação com os interruptores fotoelétricos, ele geralmente pode detectar objetos-alvo menores, ter uma distância de detecção mais longa e maior precisão.
Portanto, os sensores de fibra óptica são normalmente usados em aplicações de detecção mais precisas e dispositivos de feedback de posicionamento para sistemas de passo e servo.
(5) Grade:
A grade também é um sensor que usa sinais fotoelétricos. A área de detecção da grade é grande, por isso ela também é chamada de sensor de área. A principal área de aplicação da grade é o intertravamento e as funções de segurança entre equipamentos, especialmente para proteger as pessoas.
(6) Termopar:
Os termopares são usados principalmente para detectar a temperatura ambiente ao seu redor.
(7) Detector de laser:
A principal função do detector a laser é medir com precisão as dimensões externas do objeto-alvo.
(8) Câmera industrial:
A câmera industrial também é comumente conhecida como CCD (Charge-coupled Device) em engenharia, usada principalmente para detectar a forma externa e a posição do objeto-alvo. Com o aprimoramento da tecnologia CCD atual, as câmeras industriais de alta resolução agora podem ser aplicadas a campos de medição precisos.
(9) Codificador:
De acordo com os princípios de funcionamento, os codificadores podem ser divididos em tipos incrementais e absolutos. Os encoders incrementais convertem o deslocamento em sinais elétricos periódicos e, em seguida, convertem esse sinal elétrico em pulsos de contagem, em que o número de pulsos representa o tamanho do deslocamento.
O codificador absoluto corresponde a um código digital específico para cada posição, de modo que sua indicação está relacionada apenas às posições inicial e final da medição, e não está relacionada ao processo de medição no meio.
Os codificadores são normalmente usados em sistemas de controle de loop fechado ou semi-fechado com motores de passo ou servomotores.
(10) Microinterruptor:
O microinterruptor é um sensor do tipo contato, usado principalmente para a conexão entre equipamentos ou para a detecção do status das portas de segurança e proteção dos equipamentos.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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