Os sensores são produtos fundamentais na indústria de fabricação de equipamentos eletrônicos de informação e representam componentes especializados entre os novos componentes eletrônicos priorizados para desenvolvimento. A indústria de sensores, amplamente reconhecida nacional e internacionalmente como um setor promissor de alta-tecnologia, atrai a atenção global por seu alto conteúdo tecnológico, fortes retornos econômicos, ampla penetração no mercado e amplas perspectivas de mercado. Impulsionado pelo crescente mercado da indústria da informação electrónica, o sector de sensores da China estabeleceu uma base industrial sólida. Foram feitos progressos significativos na inovação tecnológica, na I&D independente, na comercialização de resultados e nas capacidades competitivas, contribuindo substancialmente para o desenvolvimento económico nacional.
Com o advento da era da informação, os sensores tornaram-se o principal meio para os humanos adquirirem informações dos domínios natural e industrial. Na produção industrial moderna,-processos especialmente automatizados-vários sensores monitoram e controlam parâmetros importantes para manter os equipamentos em condições operacionais ideais e garantir a qualidade do produto. Os sensores ocupam uma posição ainda mais proeminente na investigação científica fundamental.
Hoje, os sensores têm permeado uma gama extremamente ampla de campos, incluindo produção industrial, exploração espacial, oceanografia, proteção ambiental, pesquisas de recursos, diagnósticos médicos, bioengenharia e até mesmo preservação de relíquias culturais. Evidentemente, o papel vital da tecnologia de sensores no desenvolvimento económico e no progresso social é inegável. As estatísticas indicam que a receita anual do mercado global de sensores inteligentes deverá crescer a uma taxa de 10% ao ano. Atualmente, existem 65 milhões de dispositivos sensores com processadores instalados em todo o mundo, um número projetado para atingir 2,8 trilhões até 2019.
Principais considerações para seleção de sensores
O conhecimento de sensores constitui um ramo substancial da engenharia elétrica que requer ampla experiência para ser dominado. Exploraremos isso mais detalhadamente em discussões futuras. Hoje, nos concentramos principalmente nos critérios de seleção.
1. Determine o tipo com base no objeto de medição e nos requisitos de saída
Para realizar uma tarefa de medição específica, a primeira consideração é selecionar o princípio de sensor apropriado. Esta decisão requer a análise de vários fatores. Por exemplo, os medidores de vazão incluem os tipos eletromagnético, de vórtice e ultrassônico. A seleção do medidor de vazão apropriado requer objetivos específicos. Além disso, considere o modo de saída necessário,-como sinais de corrente de 2 ou 4 fios (0-20mA, 4-20mA), sinais de tensão de 0-10V ou protocolos de comunicação.
2. Seleção Baseada na Sensibilidade
Normalmente, dentro da faixa linear de um sensor, é preferida uma sensibilidade mais alta. Somente com alta sensibilidade o sinal de saída corresponde significativamente às alterações na grandeza medida, facilitando o processamento do sinal. No entanto, observe que a alta sensibilidade também torna o sensor suscetível a ruídos externos não relacionados à grandeza medida. Este ruído pode ser amplificado pelo sistema, comprometendo a precisão da medição. Portanto, o próprio sensor deve possuir uma alta relação sinal-por{5}}ruído para minimizar a interferência de fontes externas.
A sensibilidade do sensor é direcional. Ao medir um vetor unidirecional com altos requisitos direcionais, selecione um sensor com baixa sensibilidade em outras direções. Para vetores multidimensionais, minimize a sensibilidade-cruzada do sensor.
3. Avaliando características de resposta de frequência
A resposta de frequência de um sensor determina a faixa de frequência mensurável, que deve permanecer livre de distorção-dentro dos limites permitidos. Na prática, a resposta do sensor sempre apresenta algum atraso, idealmente minimizado. A resposta de frequência mais alta permite frequências de sinal mensuráveis mais amplas. Para medições dinâmicas, as características de resposta devem estar alinhadas com as propriedades do sinal (estado-estacionário, transitório, aleatório, etc.) para evitar erros excessivos.
4. Baseado na estabilidade do sensor
A capacidade de um sensor de manter um desempenho consistente ao longo do tempo é chamada de estabilidade. Os fatores que afetam a estabilidade-de longo prazo incluem não apenas a estrutura interna do sensor, mas principalmente seu ambiente operacional. Portanto, para garantir uma boa estabilidade, os sensores devem possuir uma forte adaptabilidade ambiental. Antes de selecionar um sensor, investigue o ambiente operacional pretendido. Escolha um sensor apropriado com base em condições específicas ou implemente medidas para minimizar o impacto ambiental.
5. Alcance e precisão: o par mais desafiador para equilibrar
A precisão é uma métrica crítica de desempenho para sensores, servindo como um elo vital na determinação da precisão geral da medição de um sistema. No entanto, a precisão do sensor é limitada pelo seu alcance: geralmente, um alcance maior resulta em menor precisão. Por outro lado, sensores de alta-precisão muitas vezes não têm alcance suficiente, tornando os sensores de alta-precisão e grande-alcance proibitivamente caros. Portanto, é necessária uma abordagem equilibrada ao selecionar sensores.
Ao selecionar sensores de amostragem, certifique-se de que o dispositivo atenda às condições operacionais fundamentais da aplicação (consulte as fichas técnicas do fabricante).
As seis condições operacionais mais críticas incluem:
1) Faixa de temperatura;
2) Especificações;
3) Classificação de proteção;
4) Faixa de tensão;
5) Saída discreta ou analógica;
6) Variação de parâmetros, especificamente se “parâmetros ajustáveis são benéficos”.
Ao considerar sensores com capacidade de configuração IO{0}}Link, seis fatores adicionais merecem atenção:
1) Velocidade de resposta;
2) Alcance de detecção;
3) Repetibilidade;
4) Conectividade elétrica;
5) Tipo de montagem;
6) Exibição visual: Se a aplicação requer um indicador visual no sensor.
Na produção industrial moderna, especialmente nos processos automatizados, vários sensores monitoram e controlam parâmetros durante a fabricação. Isso garante que o equipamento opere normalmente ou de maneira ideal, ao mesmo tempo que alcança a mais alta qualidade do produto. Assim, sem uma ampla gama de sensores de alta-qualidade, a produção moderna não teria fundamento. A seguir detalhamos vários tipos de sensores mais comuns na fabricação, juntamente com dicas e insights de aplicação.
Tipos de sensores mais comuns
Sensores de proximidade
Sensores de proximidade detectam a presença de objetos em uma área próxima sem contato físico. Esses sensores são dispositivos de saída discretos. Normalmente, os sensores de proximidade magnética detectam se um atuador atingiu uma posição específica detectando um ímã localizado dentro do atuador.
Geralmente não é aconselhável comprar um atuador de uma empresa e um sensor de proximidade magnética de outra. Embora os fabricantes de sensores possam alegar compatibilidade com os atuadores X, Y e Z, variações nos ímãs e nas posições de montagem podem levar a problemas de detecção. Por exemplo, o sensor pode energizar quando o ímã está desalinhado ou não conseguir energizar completamente. Se o fabricante do atuador oferecer um sensor de proximidade compatível, esta deverá ser a escolha preferida.
Sensores de proximidade-baseados em transistor não têm peças móveis e oferecem vida útil prolongada. Os sensores de proximidade baseados-reed utilizam contatos mecânicos, resultando em vida útil mais curta, mas com custos mais baixos em comparação aos tipos de transistor. Os sensores Reed são mais adequados para aplicações que exigem energia CA e ambientes-de alta temperatura.
Sensores de posição
Os sensores de posição apresentam saídas analógicas que indicam a posição do atuador com base na posição dos ímãs no atuador. Do ponto de vista do controle, os sensores de posição oferecem flexibilidade significativa. Os engenheiros de controle podem definir uma série de valores de ponto de ajuste para corresponder às variações dos componentes.
Como esses sensores de posição dependem de ímãs (como sensores de proximidade), é aconselhável adquirir sensores e atuadores do mesmo fabricante sempre que possível. A funcionalidade IO{1}}Link permite a aquisição de dados de sensores de posição, simplificando o controle e facilitando a parametrização.
Sensores Indutivos
Sensores de proximidade indutivos utilizam a lei de indução de Faraday para detectar a presença de objetos ou simular a saída de posição. O fator mais crítico ao selecionar sensores indutivos é determinar o tipo de metal que o sensor detecta, estabelecendo assim a distância de detecção. Em comparação com metais ferrosos, os metais não{2}}ferrosos reduzem o alcance de detecção em mais de 50%. Os manuais dos produtos dos fabricantes de sensores devem fornecer as informações necessárias para a seleção da amostra.
Sensores de pressão e vácuo
Certifique-se de que os sensores de pressão ou vácuo atendam às faixas de medição em unidades imperiais (psi) e métricas (bar). Especifique o formato mais adequado para o espaço alocado. Durante a instalação do equipamento, considere se os sensores devem incluir luzes indicadoras ou telas para conveniência do operador. Para ajustes rápidos de configuração, considere sensores de pressão e vácuo equipados com IO-Link.
Sensores de fluxo
Semelhante aos sensores de pressão e vácuo, os sensores de fluxo podem ser selecionados com base na faixa de fluxo, tamanho e variabilidade dos pontos de ajuste. As opções de exibição podem ser especificadas ao solicitar sensores. Sensores de fluxo com vazões relativamente baixas podem ser escolhidos para zonas específicas ou para toda a aplicação do equipamento.
Sensores ópticos
Os sensores ópticos mais comuns são os tipos de espalhamento fotoelétrico, reflexivo e-de feixe direto. Sensores a laser e dispositivos de detecção de fibra óptica também se enquadram nas categorias de sensores ópticos.
A maioria dos sensores fotoelétricos detectam objetos refletindo a luz ou interrompendo um feixe. Devido ao seu baixo custo, versatilidade e alta confiabilidade, esses sensores estão entre os mais utilizados na fabricação. Sensores fotoelétricos reflexivos-difusos não necessitam de refletor. Eles oferecem excelente custo-desempenho para detectar a presença de objetos próximos.
Sensores fotoelétricos por{0}}feixe oferecem o maior alcance de detecção. Esses sensores instalam unidades transmissoras e receptoras em dois pontos separados. Sensores de segurança para portas de garagem são exemplos de sensores de feixe. Quando o feixe é interrompido, indica a presença de um alvo. O sensor fotoelétrico do tipo-slot é uma variante interessante através do-feixe; ele integra um transmissor e um receptor em uma única unidade compacta. Sensores de luz do tipo slot-são usados para detectar a presença ou ausência de pequenos componentes.
Os sensores fotoelétricos refletivos apresentam um sensor e um refletor para detecção de presença-de médio alcance. Em termos de precisão e custo, esses sensores ficam entre os tipos de feixe difuso e passante.
Sensores de fibra óptica são usados para detecção de presença e distância. Os parâmetros desses sensores versáteis podem ser ajustados para detectar várias cores, fundos e faixas de distância.
Sensores a laser podem ser usados para detecção de presença-de longo alcance e oferecem a mais alta precisão em aplicações de medição-de curto alcance.
Os sensores de visão são adequados para leitura de códigos de barras, contagem, verificação de formato e tarefas semelhantes. Eles representam uma solução-com boa relação custo-benefício para aplicações de visão em que os sistemas de câmeras seriam proibitivamente caros ou complexos. Os sensores de visão leem códigos de barras, rastreiam componentes individuais e executam processos personalizados para esses componentes. Os sensores podem verificar o número de recursos presentes em uma peça. Os sensores de visão podem determinar se uma curva específica ou outro formato foi alcançado. Como esses sensores processam luz, é fundamental testá-los em condições o mais próximas possível do ambiente operacional real-em relação à luz ambiente e à refletividade de fundo{7}}. Na maioria das aplicações, recomenda-se colocar sensores de visão dentro de um gabinete para isolá-los de fontes de luz externas. Buscar ajuda do fabricante do sensor de visão durante o teste do sensor é uma boa ideia. Além disso, não se esqueça de garantir a seleção de um fieldbus apropriado.
Os conversores de sinal transformam o sinal de saída analógico do sensor em um sinal digital no conversor. Outra opção é a conversão em dados de processo do IO{1}}Link.
Outros sensores
1. Interruptor magnético:Este é um termo especializado para um sensor de cilindro, usado principalmente para detectar a posição de um pistão de cilindro. Normalmente, os fornecedores de cilindros fornecem esses sensores adaptados aos cenários de uso do cliente. Como o nome indica, os interruptores magnéticos detectam alvos através de indução eletromagnética, resultando em uma precisão de detecção relativamente baixa.
2. Interruptores de proximidade:Projetados com base nos princípios de indução eletromagnética, os interruptores de proximidade só podem detectar alvos metálicos, com pequenas variações na distância de detecção dependendo do tipo de metal. Os intervalos de detecção comuns para interruptores de proximidade incluem: 1 mm, 2 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm, etc. Os interruptores de proximidade geralmente vêm em dois tipos: montagem-embutida e montagem não-embutida-. Um interruptor-de montagem embutida significa que o cabeçote sensor não detecta alvos metálicos ao redor de sua circunferência, mas apenas detecta alvos diretamente à sua frente. Em outras palavras, a cabeça de detecção do sensor não precisa se projetar além do suporte de montagem metálico. Os tipos de montagem não-embutida-detectam alvos de metal-frontais e circunferenciais. Aqui, a cabeça do sensor deve sobressair do suporte de montagem metálico e nenhum objeto metálico deve estar presente dentro de uma determinada faixa circunferencial para evitar falsa detecção. Os interruptores de proximidade oferecem maior precisão de detecção do que os interruptores magnéticos. Eles são normalmente usados em aplicações que exigem precisão posicional relativamente baixa, como verificação da presença de produtos ou posicionamento de acessórios.
3. Chaves fotoelétricas:A detecção fotoelétrica oferece vantagens como alta precisão, resposta rápida e operação sem{0}}contato. Ele pode medir vários parâmetros, apresenta estruturas de sensores simples e oferece configurações flexíveis. Consequentemente, os sensores fotoelétricos são amplamente aplicados em sistemas de detecção e controle. Os tipos comuns incluem: sensores fotoelétricos reflexivos, sensores fotoelétricos através de -feixe e sensores que utilizam placas reflexivas para refletir feixes de luz. Os dois últimos tipos detectam bloqueando a luz do objeto alvo, enquanto o primeiro detecta detectando a luz refletida do alvo. Consequentemente, os dois últimos normalmente oferecem intervalos de detecção mais longos e maior precisão. Devido à sua alta precisão de detecção, os sensores fotoelétricos são comumente usados para posicionamento preciso de produtos ou peças robóticas, bem como em sistemas de feedback para mecanismos de passo e servo.
4. Sensores de fibra óptica:Sensores de fibra óptica são outro tipo de elemento de detecção que utiliza conversão de sinal fotoelétrico. Comparados aos interruptores fotoelétricos, eles normalmente podem detectar objetos menores, operar a distâncias maiores e oferecer maior precisão. Conseqüentemente, sensores de fibra óptica são comumente empregados em aplicações que exigem maior precisão e como dispositivos de realimentação de posicionamento em sistemas de passo e servo.
5. Sensores fotoelétricos:Os sensores fotoelétricos também utilizam sinais fotoelétricos. Com uma grande área de detecção, eles são frequentemente chamados de sensores de área. A sua principal aplicação reside nas funções de intertravamento e segurança entre equipamentos, particularmente em sistemas de proteção humana.
6. Termopares:Os termopares são usados principalmente para detectar temperaturas ambientes em seus arredores.
7. Scanners a laser:Os scanners a laser funcionam principalmente para medir com precisão os contornos dimensionais dos objetos alvo.
8. Câmeras Industriais:Também conhecidas como câmeras CCD (Charge{0}}coupled Device) na engenharia, as câmeras industriais são usadas principalmente para detectar a forma e a posição de objetos alvo. Com os avanços na tecnologia CCD, câmeras industriais de alta-resolução agora são aplicáveis em campos de medição de precisão.
9. Codificador:Com base nos princípios operacionais, os codificadores são categorizados em tipos incrementais e absolutos. Os codificadores incrementais convertem o deslocamento em sinais elétricos periódicos, que são então transformados em pulsos de contagem. A magnitude do deslocamento é representada pelo número de pulsos. Cada posição em um codificador absoluto corresponde a um código digital único. Portanto, seu valor exibido depende unicamente das posições inicial e final da medição, e não do processo intermediário. Os codificadores normalmente são emparelhados com motores de passo ou servomotores para formar sistemas de controle de circuito-fechado ou semi{6}}fechado-.
10. Microinterruptor:Um microinterruptor é um sensor do tipo-de contato usado principalmente para interconectar equipamentos ou detectar o status de portas de proteção de segurança em máquinas.