Skriven av Grant Maloy Smith, experten för datainsamling

I den här artikeln kommer vi att diskutera de vanligaste och mest populära sensorerna som används i Data Acquisition (DAQ) -mätningstillämpningar idag, med tillräckligt med detaljer så att du kommer att:

  • Se vad sensorer är och vad de gör
  • Lär dig grunderna för hur varje större sensortyp fungerar
  • Förstå vikten av bra sensorer i industri och forskning

Är du redo att komma igång? Nu kör vi!

 

Data acquisition system schematicSensorn är vanligtvis början på en mätkedja i det moderna datainsamlingssystemet

Vad gör sensorerna?

Det enklaste sättet att förklara vad en sensor är är att titta på vad en sensor gör.

En sensor är en enhet som detekterar förändringen i miljön och svarar på viss utmatning i det andra systemet. En sensor omvandlar ett fysiskt fenomen till en mätbar analog spänning (eller ibland en digital signal) omvandlad till en mänsklig läsbar display eller sänds för avläsning eller vidare bearbetning.

En av de mest kända sensorerna är mikrofonen som omvandlar ljudenergi till en elektrisk signal som kan förstärkas, sändas, spelas in och reproduceras.

Sensorer används i vår vardag. Till exempel är den vanliga kvicksilvertermometern en mycket gammal typ av sensor som används för att mäta temperaturen. Med färgat kvicksilver i ett slutet rör förlitar det sig på att denna kemikalie har en konsekvent och linjär reaktion på temperaturförändringar.

Genom att markera röret med temperaturvärden kan vi titta på termometern och se vad temperaturen är. Precisionen är något begränsad på grund av den visuella storleken på skalmarkeringarna, men den räcker för det avsedda syftet.

 

Thermometer sensor for measuring temperature

Naturligtvis finns det ingen utdata (förutom den visuella). Denna typ av termometer, även om den är användbar i ugnen eller utanför köksfönstret, är inte särskilt användbar för datainsamlingsapplikationer, för att vi måste registrera värdena från den måste vi ha en utgång som kan digitaliseras. Så, temperatursensorer har uppfunnits för att mäta temperatur och andra fysiska fenomen och för att ge en utgång som vi kan visa, lagra och analysera.

Låt oss lära oss mer om de vanligaste och mest populära sensorerna som används idag.

Typ av sensorer

There are many types of sensors

Det finns många typer av sensorer Bildkälla: Electronics Hub - länk

Det finns många typer av sensorer som har uppfunnits för att mäta fysiskt fenomen:

 

  • Termoelement, RTD och termistorer: för mätning av temperatur Töjningsbryggor: för att mäta belastning på ett föremål, t.ex. tryck, spänning, vikt etc.,
  • Lastceller: för mätning av vikt och belastning
  • LVDT-sensorer: LVDT används för att mäta förskjutning i avstånd Accelerometrar: mäter vibrationer och stötar
  • Mikrofoner: för att fånga ljudvågor
  • Strömgivare: för mätning av växelström eller likström Spänningstransformatorer: för mätning av högspänningspotentialer Optiska sensorer: används för att upptäcka ljus, överföra data och ersätta konventionella sensorer
  • Kamerasensorer: används för att ta enstaka och kontinuerliga 2D-bilder
  • Digitala sensorer: används för diskret av/på-räkning, linjär och roterande kodning, positionsmätningar etc.
  • Positionssensorer (GPS): används för att fånga den längsgående, breddade positionen baserat på GPS, GLONASS och andra satellitpositioneringssystem. Olika GPS-sensorer med olika noggrannhet finns tillgängliga.
  • och otaliga fler.

Beroende på sensortyp kan dess elektriska uteffekt vara en spänning, ström, motstånd eller ett annat elektriskt attribut som varierar över tiden. Vissa sensorer är tillgängliga med digitala utgångar, varigenom de matar ut en serie byte med skalad eller oskalad data. Utgången från dessa analoga sensorer är vanligtvis ansluten till ingången till en signalkonditionering, vilket vi kommer att diskutera i nästa avsnitt.

Därefter tar vi en kort titt på var och en av de viktigaste sensortyperna som används idag.

 

Kolla in Dewesofts datainsamlingssystem Dewesoft's datainsamlingssystem  som kan ansluta vilken typ och vilket sensorer som helst för att spela in, lagra, analysera och visualisera data.

 

Dewesoft DAQ Systems

Temperatursensorer

De vanligaste och mest populära sensorerna för temperaturmätning inkluderar:

  • termoelement,
  • termistorer,
  • RTD,
  • och till och med infraröda temperaturdetektorer.

 

Different type of temperature sensors - thermistor, thermocouple and RTD

Olika typer av temperatursensorer. Från vänster till höger: termoelement, termistorer och RTD.

Miljoner av dessa sensorer arbetar varje dag i alla typer av applikationer, från motortemperaturen som visas på vår bilinstrumentbräda till de temperaturer som uppmätts i läkemedelsindustrin. Praktiskt taget alla branscher använder temperaturmätning på något sätt.

 

Huvudegenskaper för olika temperatursensorer

Sensortyp Termistor RTD Termoelement
Temperaturområde(typiskt) -100 to 325°C -200 to 650°C 200 to 1750°C
Nogrannhet (typiskt) 0.05 to 1.5°C 0.1 to 1°C 0.5 to 5°C
Långsiktig stabilitet @ 100°C 0.2°C/år 0.05°C/år Variabel
Linjäritet Exponentiell Ganska linjär Icke linjär
Ström krävs Konstant spänning och ström Konstant spänning och ström Självdriven
Responstid Snabb
0.12 to 10s
Generellt långsam
1 to 50s
Snabb
0.10 to 10s
Känslig för elektriska störningar

Sällan mottaglig Endast högt motstånd

Sällan mottaglig Mottaglig / Kalla lödställskompensering
Kostnad Låg till måttlig Hög Låg

Termoelement

Termoelementet är den mest populära temperaturgivaren totalt sett på grund av dess relativt låga kostnad och pålitlighet. Termoelement är baserade på Seebeck-effekten, vilket visar att när ett par olika metaller som är i kontakt med varandra i varje ände utsätts för temperaturförändringar skapar de en liten spänningspotential.

Att para ihop olika typer av metaller ger oss en mängd olika mätområden. Dessa kallas "typer". En mycket populär en är typ K, som kopplar ihop kromel och aluminium, vilket resulterar i ett brett mätområde av -200 ° C till +1350 ° C (-330 ° F till +2460 ° F). Andra populära typer är J, T, E, R, S, B, N och C.

Termoelementtyperna J, K, T och E är också kända som basmetalltermoelement. Typerna R, S och B termoelement är kända som ädelmetalltermoelement, som används i högtemperaturapplikationer

Utgången från ett termoelement måste linjäriseras av mätsystemet.

Det måste också hänvisas till med hjälp av Kalla lödstället-kompensering (CJC). Den "varma lödstället" är mätänden på termoelementenheten, och den andra änden är den kalla lödstället, där referensen vanligtvis finns. Kalla lödstället-kompensering tar bort effekten av de spänningar som genereras av dessa korsningar för mer exakt temperaturmätning.

 

Termoelementutmaningar

På grund av den mycket lilla mikrovolt- och millivolt signalen från dessa sensorer kan elektrisk brus och störningar uppstå när mätsystemet inte är isolerat. Dewesoft-moduler hanterar detta head-on med kraftfull isolering. Det finns inget bättre sätt att avvisa vanliga spänningar som kommer in i signalkedjan.

Ett annat sätt att minska buller är att placera mätsystemet så nära sensorn som möjligt. Att undvika långa signalkablar är en beprövad strategi för att maximera signalens kvalitet och minska kostnaderna. Titta på våra SIRIUS- och KRYPTON-modulinstrument för bästa lösningar här.

En otillräcklig CJC resulterar i fel avläsningar. Denna enhet måste skyddas från omgivningstemperaturförändringar för att ge en solid referens. Vi använder ett separat CJC-chip för varje kanal i våra CJC: er, som är fräst från ett solid aluminiumblock och är exakt monterade för att uppnå bästa möjliga referens.

 

Lär dig mer om Dewesoft och temperaturmätning av termoelement:

Mät temperatur med termoelementgivare

Dewesoft PRO Training > Temperaturmätning

RTD Sensorer

Jämfört med termoelementet är RTD (Resistans Temperatur Detektor) i allmänhet mer linjär och driftfri inom sitt mätområde. På grund av deras platinahalt och mer komplexa konstruktion är de dock dyrare än termoelement.

Du hittar vanligtvis RTD: er som används i applikationer som läkemedel, där exakta temperaturmätningar måste göras under lång tid. De sträcker sig dock inte mycket över 600 ° C, så termoelement är ett bättre val för högtemperaturkontakapplikationer.

Till skillnad från termoelementet som är självdrivet måste RTD drivas av mätsystemet.

RTD mäter temperaturen via elektriskt motstånd som ändras på ett mycket linjärt sätt i förhållande till temperaturen. Även om en RTD i sin kärna är en 2-trådssensor ger tillägget av en eller till och med ytterligare två ledningar (3 och 4-trådsanslutning) bättre kompensation mot självuppvärmning och ledningsmotstånd och rekommenderas. Dewesoft-signalkonditionering erbjuder 2, 3 och 4-trådiga anslutningsmöjligheter.

 

Typer av RTD Sensorer

Pt100 (“PT” = platina och “100” = 100Ω vid 0 ° C) och Pt1000 är de mest populära varianterna av RTD-sensorerna. Det finns dock också andra typer som Pt200, Pt500 och Pt2000 sensorer. Dewesoft datainsamlingssystem stöder anslutning och mätning av alla typer av RTD-sensorer.

Som nämnts är RTD-anslutning mer komplex än ett termoelement, men Dewesoft  DSI-RTD adaptrar gör det enkelt och bekvämt att ansluta dina sensorer till våra mätsystem. Brus är alltid ett övervägande för alla sensorer med liten effekt, men våra höga isoleringsingångar är det bästa tänkbara förebyggandet.

Ett annat sätt att minska brus är att placera mätsystemet så nära sensorn som möjligt. Att undvika långa signallinjer är en beprövad strategi för att maximera signalens kvalitet och minska kostnaderna. Titta på våra SIRIUS- och KRYPTON modulära DAQ-system för bästa lösningar här.

 

Termistorer

En terministor är en bit halvledare gjord av metalloxider som pressas i en liten pärla, skiva, skiva eller annan form och sintras vid höga temperaturer. Slutligen är de belagda med epoxi eller glas.

När en ström passerar genom en termistor kan du sedan läsa av spänningen över termistorn och bestämma dess temperatur. En typisk termistor har ett motstånd på 2000 Ω vid 25 ° C. 3,9 procent temperaturkoefficient.

Termistorer är billiga och har ett snabbt svar, men de är inte linjära, har ett begränsat intervall, är relativt ömtåliga om de inte är monterade i en sond för skydd.

 

För- och nackdelar med olika temperatursensorer

  Fördelar Nackdelar Bästa applikation
Termoelement
  • Brett mätområde
  • Självdriven
  • Enkelt att ansluta
  • Ruggad
  • Billig

 

  • Icke-linjär
  • CJC-referens krävs
  • Inte i sig isolerat

 

  • Tusentals applikationer inom fabriks-, process- och industriell temperaturövervakning
  • Testning av fordonsmiljö
  • Förbränning och testning av hybridmotorer
  • Elmotor- och turbintestning
  • Medicinsk, hälsoövervakning
  • Testning av flygmotorer och styrsystem
RTD
  • Mest stabil
  • Mest exakt
  • Mer linjärt än termoelement

 

  • Size
  • Dyr
  • Strömmatning krävs
  • Liten ∆R
  • Lågt absolut motstånd
  • Självuppvärmning
  • Respons tid
  • Vibrationsmotstånd
  • Storlek
  • Läkemedel, läkemedelsframställning
  • Livsmedelsbearbetning
  • Exakta vetenskapliga mätningar
Termistor
  • Hög output nivå
  • Snabbt respons
  • Enkel installation
  • Mycket billigt
  • Utgången måste omvandlas från motståndsförändring till temperaturavläsning
  • Begränsat intervall till ~ 200 ° C
  • Ömtålig

 

  • Elektrisk kretsövervakning
  • Tillämpningar för fordonsmotorer
  • Hemelektronik
  • Brandlarm
  • Termostatstyrning

 

Läs mer om temperaturmätning:

Dewesoft PRO-träning -> Temperaturmätning

 

 

Sensorer för töjningsgivare

När en töjningsgivare är korrekt inriktad och limmad på ett föremål som testas, och vi applicerar spänning på föremålet genom att böja eller vrida det, kommer motståndet hos töjningsgivaren att ändras linjärt, och vi kan sedan mäta det. Vi kan också använda matematik för att beräkna töjning och andra krafter.

Typical single foil strain gage sensorTypisk töjningsbrygga Bildkälla: med tillstånd av Cristian V. [CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/ by / 4.0)]

Strain Gage Applikationer

  • Töjning- och stressmätningar
  • Vikt och lastmätning
  • Kraftmätning
  • Chock- och vibrationsmätningar

Töjningsgivares fördelar

  • Sensorerna själva är billiga
  • Lika bra vid statiska och dynamiska mätningar
  • Användbar inom ett brett spektrum av applikationer

Töjningsgivares nackdelar

  • Installation kräver specialkunskaper
  • Signalkonditionering som krävs är relativt komplex
  • Temperaturen kan påverka mätningarna

Lastcellsgivare

Om vi tar ytterligare ett steg och permanent fäster fyra töjningsgivare på en kropp med en viss form, skapar vi en annan sensor som kallas en lastcell. Detta är i huvudsak en kraft- eller tryckgivare.

De mest kända lastcellerna är de som är installerade längst ner på din digitala badrumsvåg. När du kliver på vågen och komprimerar lastcellerna matar de ut en förändring i motstånd, som en mikrokontroller mäter och omvandlar till ett värde i kg (lbs).

En "balk" eller "böjande balk" (även kallad "binokulär balk") belastningscell används ofta för industriella vägningsapplikationer. Den ena änden av stången är fäst vid en struktur medan en kraft appliceras på sensorns fria ände (se F i bilden nedan).

Denna kraft får de fyra töjningsmätarna som är inbyggda i topp- och botten och i varje ände av lastcellen förlängs eller komprimeras beroende på hur mycket applicering eller avlägsnande av kraften som belastar belastningscellstrukturen. Dessa små potentialförändringar från töjningsomvandlarna omvandlas lätt till vikt i vårt DAQ system.

Typical bending beam load cellTypisk böjningsbalkbelastningscell
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Lastceller finns i många former och storlekar: vissa för mycket små utrymmen och små laster, och andra för stora laster på hundratusentals ton etc.

Lastcells applikationer

  • Materialtestning - vägningsdelar eftersom de tillverkas för konsekvens
  • Flyg och rymd - jetmotorkraft, belastning på hjul och underrede
  • Marin - förtöjningslinjespänningar
  • Transport - vridmomentmätningar på motorer, vägstationer för motorvägar
  • Industri - spännings- och kraftmätningar i pappers- och metallfabriker
  • Medicin/hälsovård - Vågar för spädbarn för spädbarn, utrustning för sjukgymnastik.
  • Konstruktion - Kabelkrafter i hissar, krafter vid byggnadsställning
  • Underhållning - kabelspänningstester på kablar som används för att lyfta akrobater
  • Petrokemisk - mätning av krafterna på olje- och gasborrverktyg
    Jordbruk och gård - vägning av boskap, behållare, tankard och silovägning
    Hushåll/konsument - digitala vågar för badrum, vågar för köksmat

Lastcellfördelar

  • Exakta och repeterbara mätningar
  • Finns från mycket små laster till hundratusentals kg / pund
  • Finns i en mängd olika former och storlekar för många applikationer

Lastcellsnackdelar

  • Mätningar kan påverkas av omgivningstemperaturen
  • Kräver relativt dyr signalkonditionering

Lär dig mer om lastceller och viktmätning:

Hur man mäter vikt med hjälp av lastcellsensorer

LVDT Sensorer

LVDT (linear variable differential transformer) omvandlare används för att mäta linjär förskjutning/position över relativt korta avstånd. De består av ett rör som innehåller en stav. Rörets bas är monterad i ett fast läge och stångens ände är fäst vid något som rör sig.

Cross-section of a typical LVDT sensorTvärsnitt av en typisk LVDT-sensor
Bildkälla: Wikimedia Commons

När stången dras ut från röret eller glider tillbaka, matar sensorn ut en signal som representerar stångens läge från dess startpunkt till dess maximala avböjning. Stången rör inte rörets insida, vilket gör det praktiskt taget friktionsfritt, och själva LVDT innehåller ingen elektronik, vilket gör det populärt i tuffa miljöer.

LVDT Applikationer

  • Tusentals applikationer för industri-, fabriks- och processmätning
  • Flygindustri - ställdon och kontrollytytest
  • Transport - övervakning av körhöjd mellan lastbil och tågkropp
  • Petrokemisk - positionering av borrverktyg

LVDT fördelar

  • Mycket noggranna och repeterbara mätningar
  • Lång livslängd tack vare praktiskt taget friktionsfri drift
  • Finns från mycket mikrometer till ~ 0,7 m (27 tum)
  • Absolut output (efter effektåterställning återgår avläsningen till rätt värde)
  • Finns i en mängd olika typer och storlekar för olika applikationer

LVDT nackdelar

  • Mätningar kan påverkas av omgivningstemperaturen
  • Kräver AC-excitation

Vibrationsgivare - Accelerometetrar

Accelerometrar används för att mäta vibrationer och stötar på maskiner och i princip allt som rör sig. Deras utgångar kan också integreras och dubbelintegreras för att beräkna förskjutning och hastighet.

Accelerometrar för att göra dynamiska mätningar baseras normalt på den piezoelektriska principen: när en kvartskristall sätts under spänning frigör den en ström av laddade joner som är proportionell mot spänningen. Dessa laddningssensorer är anslutna till en laddningsförstärkare. En ännu mer populär typ är IEPE-sensorer (aka ICP®), som har en integrerad förförstärkare och som kräver en billigare signalkonditionering.

Two accelerometers and modal hammer connected to Dewesoft DAQ systemTvå accelerometrar och modal hammare ansluten till Dewesoft mätsystem

Det finns också kapacitiva accelerometrar som bygger på en annan princip och som är populära i mindre krävande industriella applikationer.

Dessutom finns det MEMS-baserade accelerometrar som används mycket i navigationsapplikationer, surfplattor och telefonorientering, fordonsprovning och rörelseinspelning.

Accelerometer Applikationer

  • Chock- och vibrationstester av alla slag, inom alla branscher
  • Aerospace - flygkroppens belastnings- och stresstester, jet- och raketmotorvibrationstest
  • Transport - Registrerar chock och vibrationer vid transport av ömtåliga föremål
  • Fordon - karosspanelchock och vibrationer, komforttest för passagerare, motorvibrationer
  • Människokropps vibrationstester
  • Torsions- och rotationsvibrationstester

Accelerometerfördelar

  • Enkel anslutning
  • Modeller tillgängliga för dynamiska och statiska mätningar
  • Finns i en mängd olika typer och storlekar för olika applikationer
  • Laddningssensorer kräver ingen extern ström
  • IEPE-sensorer tillåter längre kabel och billigare kablar och signalbehandling

 

Accelerometernackdelar

  • Sensorer kan skadas av för mycket chock
  • Laddningssensorer kräver signalbehandling som är dyrare än IEPE-sensorns signalbehandling
  • Montering av sensorer kräver viss specialkunskap

Ljudsensorer - Mikrofoner

Förutom att de används i underhållningsindustrin tillverkas mikrofoner också för att användas i datainsamlingsapplikationer för analys och mätning av ljud och brus.

Typical sound measuring microphone from GRAS instrumentsTypisk mikrofon för ljudmätning
Bild med tillstånd av GRAS Instruments

Mikrofoner används i buller- och vibrationsstudier, mänskliga hörselstudier, fordonsutveckling och tusentals andra.

Mikrofonapplikationer

  • Buller och vibrationstester av alla slag, inom alla branscher
  • Flygindustrin - Jetmotor bullerprovning
  • Transport - Registrerar chock och vibrationer under transport av ömtåliga föremål
  • Fordon - motorljud, förbipasserande bullertest, bromsbullerprov
  • Medicinsk - omgivande bullerstudier, hörtestning

Fördelar med mikrofon

  • Enkel anslutning - lätt tillgängliga 50Ω BNC-kablar används
  • Finns i en mängd olika typer för olika applikationer
  • Lätt att installera

Nackdelar med mikrofon

  • Relativt dyr sensor
  • Kan skadas om den tappas eller hanteras fel
  • Vissa mikrofoner kräver hög effekt från signalkonditioningen

Strömgivare

Tillsammans med spänning är en ström en av de mest grundläggande energiformerna som vi mäter för övervaknings- och analysändamål. Oavsett om det är att testa kvaliteten på energinätet, eller energiförbrukningen hos en hybridelbil eller en maskin, är effekt mycket viktigt.

För små till medelhöga strömnivåer kan vi använda ström shunts för att omvandla ström till spänning. En shunt är i grunden ett motstånd som installeras direkt i kretsen där vi vill mäta strömmen.

De flesta andra typer av strömgivare och givare på marknaden fungerar via induktion eller en relaterad metod varigenom de INTE ingår i kretsen. Detta gör att mycket högre strömmar kan mätas. Nedan visas en typisk strömtång - en enhet som detekterar det elektromagnetiska fält som skapas av en ström och mäter det. Sensorutgången är en proportionell spänning som vårt DAQ system kan visa, lagra och senare analysera.

Det finns flexibla Rogowsky-spolar som är enkla att installera även på platser där det är svårt att nå eller när det är oönskat att koppla bort kretsen. Det finns också nollflödes- och fluxgate-strömgivare för applikationer med hög noggrannhet, särskilt de inom effektkvalitet och relaterade områden. Det finns ett brett utbud av strömgivare och givare, speciellt konstruerade för alla typer av applikationer.

Current transducers from DewesoftStrömtänger från Dewesoft

Nuvarande givartillämpningar

  • Energiproduktion och distributionstest av alla slag, energikvalitetsprov, fossila bränslen och kärnkraftverkövervakning
  • Flygindustri - test av motor- och effektsystem
  • Fordon - test av elektriska system, hybrid- och elmotortester
  • Transport - elektriska tunnelbanevagnar, tredje parts tåg- och pantograftest, elektriska energidistributionscentraler

Fördelar med strömsensorer

  • Klämmodeller lätta att fästa på nätkablar
  • FLEX Rogowski-modeller är enkla att ansluta runt svåråtkomliga platser
  • Passiva och spänningsdrivna klämmor för AC-applikationer
  • Lång livslängd

Nackdelar med strömsensorer

  • Relativt dyr sensor
    DC-klämmor, Rogowsky och Flux-sensorer kräver extern strömmatning

Spänningstransformatorer - Potentiella transformatorer

Tillsammans med strömmen är spänning en av de mest grundläggande energiformerna som vi mäter för övervaknings- och analysändamål. Oavsett om det är att testa kvaliteten på energinätet, eller energiförbrukningen hos en hybridbil eller en maskin, är effektanalys mycket viktigt.

Nästan varje DAQ-system och dataloggare i världen kan direkt acceptera låga och medelstora spänningar i intervallet 0-10V eller 0-50V, så vi behöver ingen givare för att göra denna spänning. Från 50V till cirka 1000V finns det signalförstärkare tillgängliga för DAQ-system som SIRIUS-HV, som direkt och säkert kan acceptera dessa spänningar och internt trappa ner dem så att de kan digitaliseras, visa och lagras.

Men vid högre spänningar, eller i vilket fall som helst, när livshotande strömmar och spänningar finns, är det viktigt att använda en högspänningstransformator för att trappa ner högspänningen och isolera den mänskliga testoperatören från farlig spänning och ström. En sådan anordning kallas antingen en spänningstransformator (VT) eller en potentiell transformator (PT).

Typical Potential TransformerTypisk Potentialomvandlare

Den typiska (PO)potentialomvandlaren använder en transformator för att trappa ner en mycket hög potential - till och med högre än 10kV - ner till en säker nivå. Den kan placeras i serie med eller över kretsen som övervakas. Transformatorns primärlindning har ett stort antal varv jämfört med sekundär.

Eftersom det anslutna DAQ-systemet vanligtvis har en mycket hög impedans kommer en mycket liten ström att strömma, därför upplever PO: s sekundära lindning nästan ingen belastning alls. De flesta PO: er matar ut mellan 50 och 200V, vilket nästan alla DAQ-system kan klara utav.

PO är tillgängliga för utomhusbruk och de som är avsedda för inomhusbruk. Det finns också de som är konstruerade för elektriska mätapplikationer. Det finns också ett alternativ till den rena transformatortypen som använder en kondensatorbank efter en mellanliggande transformator för att ytterligare minska spänningen. Dessa kan vara billigare eftersom den mellanliggande transformatorn med relativt lågt nedstegningsförhållande är billigare än den konventionella sårtransformatorn med ett högt nedstegningsförhållande.

En tredje variant är den optiska VT. Optiska VT finns vanligtvis i kraftstationer och inte ofta i DAQ-applikationer. Eftersom de arbetar på principen om Faraday-effekten, varigenom polariseringen av ljus påverkas direkt av ett magnetfält, är de i sig isolerade. De är också extremt noggranna.

ABB outdoor voltage transformer
Utomhus 36 och 200 kV utomhus spänningstransformator
Foto med tillstånd av ABB 
https://bit.ly/2uO97xa 

Applikationer för spänningstransformatorer

  • Energiproduktion och distribution av högspänningsledningstestning, synkronisering av generatorer med huvudnätet,
  • Aerospace - test av motor- och effektsystem
  • Fordon - test av elektriska system, hybrid- och elmotortester
  • Transport - elektriska tunnelbanevagnar, tredje tåg- och pantografest, elektriska energidistributionscentraler.

Spänningstransformatorer Fördelar

  • De ger väsentlig säkerhet för testingenjör och tekniker
  • Lätt att använda
  • De flesta modeller behöver inte extern ström
  • Lång livslängd

Spänningstransformatorer Nackdelar

  • Kan vara dyrt

Optiska givare

Det finns flera applikationer för optik inom sensormarknaden idag:

  • Avkänningsljus, IR och UV
  • Upptäcka objektavstånd, frånvaro/närvaro
  • Byte av konventionella sensorer

Sensing Light, IR, och UV

Det finns otaliga applikationer för att detektera eller mäta hur mycket omgivande ljus som finns runt sensorn. De mest uppenbara exemplen inkluderar automatiska omkopplare för att stänga av eller tända lampor: detta kräver en fotodetektor.

Även våra mobiltelefoner har en ljussensor så att de automatiskt kan justera skärmens ljusstyrka. De flesta bilar tänder idag automatiskt sina strålkastare när dagsljuset slutar och till och med tänder / stänger av helljus på natten när ett närande fordon upptäcks. Automatiska kameror mäter det omgivande ljuset för att ställa in exponeringen korrekt.

De viktigaste teknikerna som används för de applikationer som anges ovan (och mer) inkluderar solceller, fotoceller aka fotoresistorer. De är utformade för att upptäcka och mäta ljus

Och även om de flesta av dessa sensorer är utformade för det mänskliga synliga spektrumet, är vissa utformade för att fungera inom det infraröda (IR) spektrumet och till och med det ultravioletta (UV) spektrumet. IR-spektrumet är vad många robotsystem använder, liksom våra TV-fjärrkontroller hemma. IR-strålning kan inte ses av det mänskliga ögat, men det kan skada våra ögon i höga doser, så att upptäcka det är viktigt för säkerhetsändamål bland många andra applikationer.

Typical photocell sensor

Typisk fotocell
Av Levan jgarkava - eget arbete, Public Domain,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7726138 

En fotocell, även kallad fotoresistor eller LDR (ljusberoende motstånd) kan detektera närvaron och mängden ljus på grund av dess produktionsförändringar i proportion till hur mycket ljus som faller på cellen, som har ett mönster på det vanligtvis tillverkat av kadmiumsulfid. När inget ljus skiner på cellen är dess motstånd extremt hög. Men när ljus träffar cellen minskar dess motstånd i proportion till mängden ljus.

Parat med lämplig signalbehandling kan den användas som en av/på-sensor eller för att mäta ljusintensiteten. Baserat på cellens kemi kan dessa små och billiga celler upptäcka hela vägen in i det infraröda spektrumet.

Upptäcka objektavstånd, frånvaro/närvaro

Fotodetektorer alias närhetssensorer, liksom deras halvledarbaserade kusin, fotodioden, används för att mäta avståndet till eller mellan objekt, och även för att känna antingen närvaron eller frånvaron av ett objekt.

Dessa används i en mängd olika industriella applikationer, inklusive fabriksprocesslinjer, för att se till att föremål är placerade ordentligt på ett bälte eller för att upptäcka när ett nytt föremål är på plats på ett monteringsbälte. De används också i fordonsapplikationer för att upptäcka närvaron av en annan bil eller föremål, liksom larmsystem och CD- och DVD-enheter.

Typical photodetectorTypisk fotodetektor från en CD-enhet
Jacopo Werther / CC BY-SA
(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Byte av konventionella sensorer

Nästa nivå är att använda optik för att göra själva avkänningen, både förstärka och ersätta konventionella teknologisensorer som töjningsmätare, accelerometrar, temperatursensorer och mer. Mer om den här nya trenden kommer att läggas till i den här artikeln inom en snar framtid, så kom tillbaka.

Fiberoptisk överföring

Förutom sensorprestanda är en annan fördel fiberoptisk överföring av sensordata i sig jämfört med kopparkablar.

 

Fiber Optic cable construction
Fiberoptisk kabelkonstruktion
Fotokälla: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/Fiber-optic-construction.png

Idag används fiberoptik istället för elektrisk transmission för att skicka signaler från en punkt till en annan. Vi ser detta även i våra egna hem, där fiber används för att föra tv och internet till våra hem med överföringshastigheter som är högre än konventionell kabel. Fiberoptisk transmission ger också flera distinkta fördelar jämfört med elektrisk transmission, inklusive:

  • Immun mot magnetisk störning
  • Immun mot motstånd och uppvärmning
  • Mycket lång signalöverföringsväg utan signalförlust
  • Flera signalkablar kan reduceras till en enda tunn kabel
  • Mycket hög bandbredd

Applikationer för optisk sensor

  • Slå på/av lampor automatiskt, larmsystem
  • Fabriksprocessapplikationer, monteringslinjer, transportsystem
  • Robotik, rörelseriktning och upptäckt
  • Rökdetektorer
  • Analys av medicinska prov
  • Sökare för laseravstånd, skyddsglasögon
  • Automatiska dörröppnare

Optiska sensorproffs

  • Fiberoptisk transmission är en mycket hög hastighet och är inte känslig för störningar från elektromagnetisk störning och andra externa krafter
  • Optiska sensorer är beröringsfria och därmed långlivade
  • De flesta optiska sensorer är billiga och ganska små

Nackdelar med optisk sensor

  • Fotoceller (aka fotoresistorer) reagerar relativt långsamt på ljusförändringar

Kamerasensorer

Vi tänker på kameror som något som bara används för att ta bilder eller filmer, men de används också i alla typer av industriella och vetenskapliga tillämpningar. Fabriker använder enstaka och kontinuerliga bildsensorkameror (aka videokameror) för att övervaka och styra en mängd olika tillverknings- och monteringslinje-processer.

Industrial high-speed video camera from DewesoftIndustriell höghastighets DS-CAM-videokamera från Dewesoft

Kameror är också en viktig del av DAQ-systemmätningstillämpningar. Faktum är att alla DAQ system som tillverkats av Dewesoft kan använda en eller flera videokameror och spela in video synkroniserat med de analoga och digitala data som de spelar in.

Datafil inspelad med Dewesoft DAQ-systemet som visar analoga och digitala data synkroniserade med videon

Professionella kontra konsumentkameror 

I ena änden av kapacitetsspektrumet är det möjligt att använda en mycket billig webbkamera för att lägga till en video till dina inspelningar i vissa DAQ-system. Men i andra änden finns kameror av industriell kvalitet med bättre linser och förmågan att synkronisera kamerans bildformat till processen som spelas in och/eller med samplingsfrekvensen för datainsamling.

Till exempel kan DS-CAM-600 som visas här mata ut upp till 336 bilder per sekund vid full HD-upplösning och upp till 600 bilder per sekund om bildens storlek minskas. Kameran är också förseglad till IP 67 så att den kan användas i våta, dammiga och tuffa miljöer. Inom DAQ system kan flera kameror användas samtidigt, vilket ger olika betraktningsvinklar för det eller de objekt som testas.

När Dewesoft lade till den gemensamma webbkameran i sina DAQ-system i början av 2000-talet revolutionerade den DAQ-marknaden helt. Nästa logiska steg var att använda industriella kameror vars bildhastigheter kunde kontrolleras exakt och som erbjöd bättre upplösning och hastighet.

Mekanisk montering och robust konstruktion är också avgörande för alla sensorer, och detta har designats till dagens bästa industriella maskinkamera.

Infraröda eller termiska kameror

Infraröda kameror används ibland också i vetenskapliga och industriella applikationer och är en annan viktig sensor för DAQ-applikationer. Infraröda kameror kan "se" temperaturerna inom sitt synfält, så det är det perfekta sättet att mäta temperaturen utan att komma i kontakt.

Exportera datafiler från Dewesoft X med synkroniserade analoga data, IR och standardkameror

Infraröd är extremt användbart vid felsökning i kraftverk eftersom strömförsörjningar och generatorer som är varmare än normalt indikerar ett problem. Med ett blick med en IR-kamera är det lätt att se problem.

Detsamma gäller vid fordonsbromstestning, där IR-kameror gör det möjligt att mäta den exakta temperaturen på bromsarna under drift och mäta exakt hur snabbt de värms upp och svalnar under olika förhållanden. De används mer och mer i ADAS (avancerade förarassistanssystem), eftersom de tillåter bilen att upptäcka människor och andra källor till termisk energi innan de syns, särskilt på natten.

Att kunna "se" i ett helt annat spektrum öppnar många möjligheter i praktiskt taget alla test- och mätapplikationer idag. Den mest kända tillverkaren av IR-kameror är FLIR, och Dewesoft har integrerat många av sina kameror sömlöst i sina DAQ system så att kontinuerlig termografisk data kan samlas in i synkronisering med analoga och digitala sensordata, som visas i exemplet ovan.

Höghastighetskameror

Höghastighetskameror är användbara för att fånga extremt snabbt föränderliga händelser. Du har antagligen sett slowmotion-uppspelningar av en ballong som dyker upp eller en kula som påverkar ett glas vatten - dessa videor har tagits med höghastighetskameror.

Photron high speed camerasEtt sortiment av snabba videokameror från Photron

Höghastighetskameror från Photron tar upp till 500 000 bilder per sekund. Dessa data fångas upp i RAM och är sedan omedelbart tillgängliga för omspelning. Det är möjligt att synkronisera Dewesofts DAQ systems med Photron-kameror så att de båda triggar samtidigt, och när testet är slut överförs höghastighetsvideon omedelbart till Dewesoft DAQ-systemet och synkroniseras automatiskt med andra data. Du kan spela upp det i perfekt synkronisering med all data från andra sensorer.

Video från ett säkringstest med Dewesoft DAQ-utrustning och programvara

Sammanfattning

Kameror ger ett unikt sammanhang till de data som ingenjörer spelar in och lägger till ett viktigt informationslager och förståelse för otaliga forsknings- och testapplikationer.

Applikationer för kamerasensor

  • Industriella kameror: Fabriksautomation och processkontroll; pass by ljudtest, vindtunneltest, bromstest; Ytprov för flyg- och rymdkontroll, glidprov, motortest
  • Infraröda kameror: energi- och energitester, ADAS för bilar (avancerade förarassistanssystem)
    Höghastighetskameror: Ballistiktestning; forskning om flytande dynamik; materialtestning; fordons krocktestning; flygprovning av vindtunnel

Kamerasensorns nackdelar

  • Industriella kameror: IP67 miljöskydd; synkroniserad utgång; bildhastigheter upp till 600 fps; direkt jämförelse av sensordata med bilder av objektet / objekten som testas; utbytbara linser
    Infraröda kameror: Kontaktlös temperaturmätning; direkt jämförelse av sensordata med värmebilder i realtid
    Höghastighetskameror: Fångar upp till 500 000 bilder per sekund

Kamerasensors nackdelar

  • Industriella kameror: Dyrare än webbkameror
  • Infraröda kameror: Dyrt; IR kan inte "se" genom glas
  • Höghastighetskameror: Mycket dyra; kort inspelningstid på grund av höga samplingsfrekvenser; kräver antingen mycket omgivande ljus på motivet eller ett DC-ljus

Digitala Sensorer

När vi pratar om digitala sensorer hänvisar vi till de sensorer som matar ut diskreta värden, vanligtvis relaterade till den linjära eller vinklade positionen, liksom de sensorer som används för att upptäcka när ett objekt är i närheten. Låt oss ta en titt på de vanligaste digitala sensorerna.

Proximitysensorer

En proximity sensor  kan upptäcka ett närliggande objekt utan att komma i kontakt med det och sedan mata ut en puls- eller spänningssignal. Det finns flera typer av närhetssensorer som väljs utifrån sammansättningen av objektet / objekten som ska detekteras.

Typical proximity sensorTypisk proximitysensor

Roterande encoder

En roterande encoder ger vanligtvis utmärkt vinkelupplösning, eftersom de finns med upp till tusentals steg per 360 ° varv, vilket möjliggör steg som är mycket mindre än 1 °. Många encodrar kan också upptäcka rotationsriktningen, vilket är viktigt i vissa applikationer.

Typical rotary encoder
Typisk Roterande Encoder

Inkrementell encoder

Inkrementella encodrar visar relativa förändringar i position och riktning - de spårar inte absolut position (vinkel).

Inkrementella encodrar ger ut A- och B-signaler, vilket indikerar förändringar i rörelse och riktning. Några av dem kan "hemmas" eller hänvisas till en viss position. När denna position uppnås genereras ytterligare en Z-utsignal. Inkrementella encodrar är de vanligaste och mest populära typerna av givare.

Linjärar encodrar

En linjär encoder mäter position längs en linjär väg. Till skillnad från en roterande encoder som har en cirkulär platta inuti som gör att den kan mäta axelpositionen, rör sig de flesta linjära encodrar längs en extern skala och bestämmer deras position utifrån markeringar på skalan.

Typical linear encoder

Linjär encoder
Bild med tillstånd av Heidenhain

Ett perfekt exempel är en bläckstråleskrivare som använder en linjär encoder för att exakt flytta skrivhuvudet fram och tillbaka längs en skala under utskriften. Hög upplösning och noggrannhet krävs naturligtvis i detta och otaliga andra applikationer.

Den vanligaste avkänningstekniken som används med linjära encodrar är optisk, men det finns givare som också använder magnetisk, kapacitiv och induktiv teknik. Optiska givare ger mest noggrannhet och högsta möjliga upplösning, men försiktighet måste iakttas för att förhindra att föroreningar/smuts stör deras funktion.

Det finns både analoga och digitala utgående linjära givare. Dewesoft-system är bättre lämpade för digitala utgångar eftersom de ger A- och B-utgångar som liknar inkrementella roterande encodrar som beskrivs i föregående avsnitt.

Kuggtandsgivare

Denna vinkelbaserade sensor består av kuggar runt sin omkrets plus en proximitygivare av något slag som är placerad så att när tänderna passerar kommer de att upptäckas. Denna givare är vanligtvis en Hall Effect-typ, men andra är möjliga. Kugghjulet måste monteras på den roterande axeln som vi vill övervaka.

Gear tooth with proximity sensorKugghjul med proxigivare

Hall-givaren detekterar variationen i mellanrummen kuggarna. I moderna system omvandlas signalen till en binär fyrkantig våg som är immun mot orienteringskrav och kan följa kugghastigheten ner till ett helt stopp ... och upptäcka den första kuggen som passerar  vid start.

De flesta Hall Effect-sensorer kan inte bara upptäcka kuggtänder som passerar utan kan också användas för att upptäcka hål i skivor och plattor, (t.ex. bultar) som läggs till i ett stort antal skivor och plattor, skåror i drivaxlar och kamaxlar.

Digitala Sensorapplikationer

  • Proximitygivare: Räknar RPM för roterande axel (varvtalsapplikationer); Räkna delar som passerar genom produktionslinjen; Korsningsfordonsdetektering (begravd på vägen)
  • Roterande encodrar: Varvtalsmätning av motorer, transportörer, påfyllningssystem, plock- och placeringssystem; mätningar av maskinens hastighet, position och avstånd (textilier, massa och papper, tillverkning av metaller)
  • Linjära encodrar: CNC-maskiner; Bläckstråleskrivare; laserskannrar; pick-and-place-tillverkningssystem; robotik
  • Kuggtandsensorer: Mäta varvtal för roterande axlar; analys av motorförbränning; torsions- och rotationsvibrationsstudier

Digitala givares fördelar

  • Proximitygivare: Mycket pålitlig; låg kostnad; kapacitiva typer kan också användas för att mäta tjocklek; induktiva typer påverkas inte av vatten, lera etc.
  • Roterande encodrar: hög hastighet / låg latens; hög upplösning; mycket tillförlitlig och korrekt
    Linjära encodrar: Samma som med roterande kodare
    Kuggtandsensorer: Vanligtvis mycket robusta och svåra att bryta; mycket låg start- och driftskostnad

Digitala Sensorers Nackdelar

  • Proximitygivare: Begränsade avkänningsavstånd (~ 70 mm); kräver extern ström
  • Roterande encodrar: RF- och EM-störningar möjliga med magnetiska givare; ljusstörning möjlig med optiska givare
  • Linjära encodrar: Samma som med roterande encodrar
  • Kuggtandsensorer: Begränsade avkänningsavstånd; begränsad vinkelupplösning jämfört med encoder, som kan ge hundratals eller tusentals steg runt en axels 360 ° rotation.

Summering

Vi hoppas att du har fått en bättre förståelse för vad sensorer är, hur de fungerar och hur de kan användas i ett riktigt fantastiskt utbud av övervaknings- och testapplikationer. Sensorteknologin går alltid framåt, gör dessa sensorer bättre och bättre och hittar ännu effektivare sätt att göra noggranna och repeterbara mätningar. Själva sensorbaserad teknik utvecklas ständigt.

Visserligen har denna artikel bara skrapat ytan. Det finns många fler sensorer tillgängliga idag, inklusive ultraljudssensorer som använder reflekterade ultraljudsvågor för att mäta avstånd, kemiska sensorer för att detektera gaser och ångor och så många fler.

Detaljerad information om olika sensorer

Specifika detaljer om varje större typ av sensor ges i dessa artiklar:

Sensor Typ Artikellänk
Töjningsbryggor

Measuring Strain and Pressure with Strain Gages

Mäta töjning och tryck med töjningsgivare

Lastceller Measuring Weight with Load Cells
Accelerometrar Measuring Shock and Vibration with Accelerometers
Termoelement Measuring Temperature with Thermocouple Sensors
RTDs ** Kommer snart ** Mätning av temperatur med RTD-sensorer
Termistorer ** Kommer snart ** Mät temperatur med termistorsensorer
Spänningsomvandlare ** Kommer snart ** Mätning av högspänningar med spänningsgivare
Strömsensorer ** Kommer snart ** Mätning av ampere med strömgivare
LVDTs ** Kommer snart ** Mät avstånd med LVDT-sensorer
Encodrar Mätning av varvtal, vinkel och hastighet med sensorer för räknare och encodrar

Lista över de viktigaste sensorleverantörerna efter sensortyp

Kommer snart: Se artikeln Lista över sensorföretag efter typ.

Kolla in Dewesofts datainsamlingssystem som kan ansluta vilken typ och vilket sensorer som helst för att spela in, lagra, analysera och visualisera data.

Dewesoft DAQ Systems