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工业传感器的热点趋势及其解决方案

http://www.ec.hc360.com2019年10月25日16:06 来源:慧聪电子网T|T

  摘 要:预测性维护、工业4.0、智能工厂等带来了对工业传感器的新需求。作者访问了8家领  先的工业传感器供应商或代理商,请他们介绍了工业传感器的新动向,及其新的解决方案。

  关键词:预测性维护;加速度计;惯性传感器;角度传感器;低功耗

  1 预测性维护

  1.1 村田无线振动传感器在预测性维护中的应用

  1)预测性维护的重要性

  转动设备被广泛地应用于工业环境中,而由于设备磨损、老化等原因造成的设备停机给企业带来的损失,这不仅仅包括设备的维修成本,而且因为设备停机造成的产线停滞会给企业造成更大的经济损失。通过振动信号的分析,可以在设备故障的早期阶段侦测设备潜在故障,为设备的维修保养做提前预判,大幅度增加企业的生产效率及OEE (Overall EquipmentEffectiveness,设备总体效能)。

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  在工业物联网产业中,预测性维护是受全球制造业CEO(首  席执行官)关注的一项技术。表1中的数据是由德勤与美国竞争力委员会在2016年做的调查,通过对全球制造业CEO访问,对包括预测性分析在内的多个先进工业技术进行了排序,排序1到11,1为高排序,11为低排序。

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  数据来源:德勤与美国竞争力委员会,《2016年全球制造业竞争力指数》。

  从表1可见,预测性维护在美国和中国市场均排在首  位。其背后的原因在于,每年制造业企业花费在设备维护上的费用开支巨大,但是依旧无法避免设备的停机或是因为设备老化而造成的生产良品率下降。据ISA数据显示,全球制造商每年因停机遭受的损失总计约为6 470 亿美元。而在预测性维护的产业中,占市场份额大的是振动传感器,66%的预测性维护系统使用振动传感器抓取设备的振动频率,并对振动频谱分析从而做出预判。

  2)村田的解决方案

  村田电子通过向后一体化整合战略,结合村田电子在压电陶瓷振动敏感元件的技术经验和遍布全球的先进制造能力,推出了可用于工业设备预测性故障维护的无线振动传感器。图1所示是村田电子的无线振动传感器。

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  村田电子推出的无线振动传感器LBAC0ZZ1LZ使用433 MHz无线通信技术,在工业现场复杂环境下可实现100 m的稳定通信距离。传感器采用电池供电,小巧灵活,易于现场安装,避免了现场布设数据线或电源线的困难。传感器的敏感元件采用的是村田电子的陶瓷压电元件,体积小巧,可检测高10 kHz的振动信号。结合超低功耗MCU(微控制器),对采集的振动信号在传感器端做快速傅里叶变换(FFT)算法。配合村田电子的智能无线网关使用,可以应对各种复杂的工业现场,在100 m的范围内,可支持多达50个传感器节点接入,为智能化工厂转型助力。

  1.2 预测性维护需要性能稳定、超低功耗、超低自噪声的传感器

  1)预测性维护的技术趋势

  在工业传感器领域,工业4.0是热门的词汇之一。这个主题非常复杂,因此许多传感器技术将会变得更加重要。强劲的增长可能出现在气体、压力、震动、湿度、温度和光学传感器等领域。

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  结合工业4.0,预测性维护可能是令人关注的话题。通过监测工业机器的性能及其状态,以备故障发生的提前预防,这需要智能地结合使用不同的传感器。根据对发现潜在故障的早晚时间需要,可以使用超声波、加速度或麦克风传感器。

  这类产品的普遍技术趋势要求是更高的热稳定性、超低功耗、超低自噪声(高SNR)、低失真以及先进的数字功能。

  2)儒卓力的解决方案

  儒卓力的目标不仅仅是销售单一的产品,而且是在从创意阶段到产品生命周期结束的过程中为客户提供支持服务。在了解应用及其特定需求后,儒卓力尝试优化PCB(印制板),因此儒卓力使用现有的通用实践场景,把应用必  需的不同产品组合起来。

  大多数情况下,传感器应用需要一个微控制器、无线组件和至少一个显示器件。而儒卓力为客户提供一站式的服务,让客户不仅可以从儒卓力获取所有的这些器件,甚至其他更多的资源。

  此外,儒卓力还拥有自己的开发实验室,结合新的市场趋势,有针对性地设计并开发相关的演示板,以帮助客户显著地缩短开发时间。

  2 工业传感器的热点产品

  2.1 用于精  密振动测量的加速度计及模块

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  工业4.0的浪潮正在兴起。众所周知,工业4.0有着大量的承诺,其中包括生产力和安  全性的指数级改进。如何实现生产力和安  全性的大幅提升呢?这其中工业条件监测将发挥重要作用,而传感器在其中将扮演关键角色。振动是机器诊断的关键要素之一,已被可靠地运用于监控各种工业应用中的关键设备。

  1)高精度的振动加速度计

  振动测量可以使用放置在被监测元件附近的加速度计进行。这种传感器可以是压电式,也可以是MEMS(微机电系统)类型,后者更具优势,不仅可以在低频率下提供更好的响应,而且体积小巧。

  以滚珠轴承故障监测为例,每次滚珠碰触到开裂处或者触碰到内环或外环的缺  陷位置,就会发生撞击,引起振动,甚至导致旋转轴轻微移位。撞击发生的频率由转动速度,以及滚珠的数量和直径决定。一旦故障出现,撞击有时候会产生可以听见的声音,即冲击波,表现为低能  量谱分量和相对较高的频率,通常大于5 kHz,而且总是远远超过基本的旋转频率。只有低噪声、高带宽加速度计(例如ADI公司的ADXL100x)才能测量与首  个故障信号相对应的频谱线。

  2)测量模块的解决方案

  尽管诸如ADXL100x系列加速度计具有宽带宽和低噪声特点。但是,它们采用单轴,需要配备相关的处理电子设备。为了简化设计,ADI越来越多地提供从组件到完整功能模块产品。例如ADI公司提供了一套完整的解决方案,采用 ADcmXL3021型号实施三轴测量。这款3.3 V电源电压产品包括3个基于ADXL1002的测量链、1个温度传感器、1个处理器和1个FIFO(先入先出)。整个装置封装在一个铝壳 (23.7 mm×26.7mm×12 mm) 内,可以即时安装在旋转机器上。该产品的全尺寸为±50 g,具有仅25 μg/√Hz的极  低噪声水平和10 kHz带宽,这些特点使其能在大量应用中捕捉振动特征。

  信号处理模块不仅包括一个具有32个系数的可配置FIR(有限冲击响应)滤波器,还包括一个每轴2 048个节点的FFT(快速傅里叶变换)函数,用于对振动进行频谱分析。再将用这种方法计算得出的频谱的每个频率级别与可配置的报  警阈值(每轴6个)进行对比。如果频谱组件过于密集,就会生成警报。该产品还可以通过SPI(串行外设接口)与主机处理器进行交互,提供访问内部寄存器以及一组用户可配置的函数的权限,包括先进的数学函数,例如计算平均值、标准偏差、波峰因素和峰度(四阶动力矩,支持测量振动的锐度)。利用这些机器健康状况的深入见解,可以提高生产力和效率,大限度地延长正常运行时间,加速实现工业 4.0。

  2.2 毫米波传感器的应用潜力巨大

  1)毫米波传感器的发展趋势

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  可用于工业领域的传感器种类很多,它们各自有各特点。而近年来,TI在发力毫米波传感器(mmWaveSensor)在工业领域的应用,走在行业的前列。

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