传感器在工业互联网革命中的角色

　　不管物联网是否会发展成宣传的那样，这个概念已经深入人心。各种提案层出不穷，从“万联网”一直到一些更加专业的概念，如工业互联网;工业互联网这个术语最先是由电子巨头通用电气公司提出来的，现在人们普遍理解为使用传感器网络和机到机(M2M)通信的工业环境自动化。

 

　　市场分析公司Nano Markets在2014年11月发表的“工业互联网用传感器市场”报告就将工厂自动化、楼宇自动化、智能电网和公共交通等作为工业互联网的应用，并预测到2019年之前这一领域每年消费的传感器将超过200亿美元。

 

　　VDC Research公司的2014年工业自动化和传感器战略观察报告指出，今后的技术人员和维护人员将越来越多地使用强大的平板电脑收集和处理来自工业机械中集成的传感器发出的信息。VDC还估计到2018年全球仅位置传感器市场就将超过80亿美元。

 

　　工业传感应用

 

　　使用电位计、光学、磁学、霍尔效应、磁阻和感应等技术都可以实现位置检测。市场上有各种感应传感器，包括能够测量位移和位置的线性和旋转可变差动变压器(LVDT/RVDT)。

 

　　感应传感器体积非常小，不需要使用电路，因此非常适合诸如涡轮阀门、军用和航空设备以及部署在恶劣环境中的工业过程控制器等应用。

 

　　另外，具有内置预校准信号调节功能的LVDT和RVDT有助于简化外部电路和系统集成。兼容性的控制与仪表模块则可进一步简化设计，缩短产品上市时间。

 

　　另一方面，光学-微型传感器是非接触型光学接近或位置检测应用的理想之选。市场上的这种传感器有各种各样的配置，比如带或不带致动器的，或带用于定制致动器的成型安装点的。

 

　　传感器还有其它多种选项可以用来满足不同的要求，比如有带原始光电晶体管输出或内置放大器的传感器，有采用螺丝安装或推合安装方式的，有通过PCB引脚或微型电缆连接器实现电气连接的，以及提供有光开或无光开开关极性的传感器等等。另外，设备设计师必须选择孔径大小和检测距离来满足目标应用的需求。

 

　　浊度测量是光学传感技术的又一种有趣的应用，可以用来量化液体中悬浮的固体小颗粒。这些应用包括控制各种工业过程，比如酿造、采水、制药生产、净化或在水产养殖中用来监视海水质量或研究水生动物的栖息环境。

 

　　我们可以测量通过液体观察光源变模糊所需的液体深度来量化浊度指标。在这种情况下，浊度用杰克逊浊度单位(JTU)来表示。比浊法浊度单位(NTU)是一种更加现代的测量方法，它使用沿光源布置的检测器来评估被液体中的小颗粒散射的光线。

 

　　浊度仪表将一个或多个传感器与数据采集和用户界面子系统整合在一起，市场上有各种各样的类型，比如实验室使用的手持式或台式仪表，或用于工厂和工艺用途的内嵌仪表等。

 

　　图中所示的一体化光学浊度传感器和浊度检测模块使用光电晶体管和二极管来测量光线在样本液体中的传输。这种基本的传感器非常适合家用电器使用，并且有助于降低能耗，比如检测衣服何时干净可以缩短洗衣时间。

 

　　图：整合式光学浊度传感器和温度检测模块使用光电晶体管和二极管来测量光线在样本液体中的传输。

 

　　对于温度传感来说，热敏电阻被公认为是非常可靠和稳健的一种方法，它具有适合工业、采暖通风空调(HVAC)、医疗、军事/航空等应用的各种温度范围。封装和连接类型是很重要的标准，有助于简化设备的设计。举例来说，管钳探头可以直接安装在热水管的外面，从而帮助设备设计师消除安装介入式探头所需的钻孔和密封等代价高昂的步骤。这些探头非常方便使用，不需要购买或设计独立的安装夹具。设计师还能为各种应用选择外螺纹探头或一体成型探头，或者为诸如锅炉等设备中的浸入式监视选择内螺纹探头。另外，采用芯片封装或陶瓷及玻璃封装的板载温度传感器支持在控制模块的外壳内完整地实现局部温度检测，并有助于节省到外部传感器的连接。

 

　　检查工厂设备的维护人员可能经常要寻找异常振动的证据，以便检测在轴承等部件中的过度磨损情况。振动可以用压容传感器进行测量，这种传感器的电容变化正比于施加在上面的加速度值。标称电容一般是几百个pF，而电荷灵敏度范围可以从几个fC/ms-2 (毫微微库仑每米每秒平方)到几十个fC/ms-2。压容传感器经常被封装为微型的芯片级板载器件，能够提供相对于电路板0°、25°或 90°的角度检测结果。

 

　　这些传感器也可用于实现计算机硬盘驱动器中的自由跌落保护。除了自由跌落传感器外，还有两个正交放置的传感器可以用来产生监视电机旋转振动的差分信号。它们还被用于供应链应用中，比如记录设备或产品在运输过程中遭受的撞击。

 

　　作为芯片级传感器的替代产品，面板安装型振动传感器是一种IP67标准的部件，允许在安保系统中的敏感性设备中使用。当发生地震等事件或检测到其它意外冲击时，这些传感器可以用来紧急关断电源。面板安装传感器也是倾斜应用的理想之选，可以在游戏机、自由贩卖机或智能仪表中用来防止篡改数据或恶意破坏。

 

　　工业中的安保系统很可能采用压力传感器实现各种目的，比如限压阀或煤气泄漏检测应用中的各种目的。可靠联网的压力传感器对煤气供应事业公司来说也很有价值，可在基础设施设备和智能仪表中使用。

 

　　使用电容检测技术的固态压力开关是工业应用和智能计量应用的理想之选，还可用于连续正气压(CPAP)设备和人工呼吸机等医疗设备中。使用MEMS检测技术的设备则提供了另外一种途径，它们具有宽压力检测范围和低供电电流等优势。

 

　　楼宇自动化中的传感器

 

　　智能建筑作为工业互联网的另外一个方面，有助于减少温室气体排放和水电气费用，同时降低维护成本，为使用者维持一个更加舒适的环境。据国际能源管理局估计，全球住宅和商业大楼中的电气照明耗电量占发电总量的约20%，在2030年前预计每年节省的电量有望超过2.4EJ。

 

　　随着技术人员致力于减少能耗，新的楼宇方案也在积极推广使用自然光，最大限度地减少对电气照明的依赖。自动调光技术可以确保仅最少量的电气照明用于“补充”日光，并保持一致的照度，从而实现最大可能的节能效果。光谱响应性能类似于人眼的环境光线传感器非常适合于用来控制电子调光，并能安装在开关等便利的部件或灯具本身之中。

 

　　完全关闭无人区域的灯光可以达到显著的节能效果，不过这并不是什么新的主意了。在灯的开关旁边张贴标签、提醒用户随时关灯是我们很熟悉的做法，但目前的有人居住传感器可以提供更加经济更加有效的方法。无源红外(PIR)传感器可以通过检测人体热量可靠地检测是否有人，内置放大器和数字输出可直接连接主要的微控制器，因此能够集成进智能楼宇网络。对于电池供电的无线模块中用的传感器来说，低功耗是必需考虑的一个因素。

 

　　有人检测技术还可以用来改进采暖与通风系统的控制。虽然实时调整可以显著节省能耗，但居住者可能不被允许人工调整HVAC设置参数。采用挂墙或管道安装方式的智能二氧化碳传感器可以根据大楼中各个区域的空气质量测量结果提供通风调节信号。智能传感器有各种外形尺寸，包括紧凑的管道内传感器和极具吸引力的挂墙式传感器。

 

　　对HVAC系统中各个点测量得到的相对湿度可用于进一步调节，以达到最高的舒适性和最佳的能效。湿度传感器是通过测量诸如薄膜聚合物等敏感元件在吸收水蒸汽时的阻抗变化进行工作的。

 

　　物联网应用，特别是工业互联网，正在驱动整个工厂、楼宇和智能电网等基础设施对更加智能的传感技术的需求。如今市场上有种类广泛的传感器，它们使用不同的技术，有各种外形尺寸和封装类型，都有助于简化设计，最大限度地降低集成难度，并帮助工程师以极具竞争力的价格向市场提供具有吸引力的、容易使用的智能传感装置。