ДАТЧИКИ TE CONNECTIVITY ДЛЯ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Индустрия 4.0 или промышленный Интернет вещей (IIoT) предполагает использование традиционных производственных и промышленных методов в сочетании с современными технологическими достижениями в области робототехники и цифровых систем управления.
Для автоматизации любых процессов необходимо использовать датчики . В TE Connectivity (TE) считают, что по мере роста потребности в автоматизации промышленных роботов датчики будут по-прежнему составлять основу для систем сбора данных, которые позволяют превратить производственные цеха в автоматизированные заводы будущего.
Фактически, TE готов к будущему в робототехнике. Последние поколения промышленных роботов могут решать сложные задачи в автомобилестроении и авиастроении, фармацевтической промышленности, металлообработке, логистике и во многих других отраслях.
Компания TE предлагает большое число самых разнообразных датчиков для измерения силы, температуры, давления, ускорения и положения, которые обеспечивают измерения с высокой точностью для систем управления движением и точного позиционирования компонентов систем, как при производстве, так при профилактическом обслуживании оборудования.
По мере того, как революция в робототехнике набирает силу, большинству производителей требуются все более точные датчики для встраивания в роботизированное оборудование.
Например, для производств, где одновременно работают люди и роботы, системы датчиков должны не только обнаруживать, находится ли рядом человек, но и предотвращать любое возможное столкновение между роботом и находящимися поблизости работниками. В большинстве случаев требуются датчики с переменным диапазоном и разрешением измерений. Кроме того, производственная среда может быть агрессивной (сильное запыление, наличие водяного пара и других неблагоприятных факторов), что затрудняет определение различий между людьми и роботами, работающими на той же площадке.
Технологии, используемые TE
для построения датчиков

Для контроля температуры поверхности промышленного оборудования используются компактные дискретные термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), обеспечивающие измерения с высокой точностью и отличную долговременную стабильность. В температурных датчиках ТЕ используется зависимость сопротивления керамики и металлических композитов от температуры. Для высокотемпературных процессов, когда необходимо контролировать температуру на расстоянии, используются инфракрасных (ИК) датчики.

В датчиках положения используется анизотропная магниторезистивная технология (AMR). Датчики положения KMXP выпускаются в различных формфакторах и обеспечивают высокую точность и надежность измерений в экстремальных условиях, включая высокие температуры. Эти датчики играют все более важную роль во многих промышленных робототехнических приложениях. Для сложных приложений в тяжелых условиях эксплуатации требуются датчики, которые хорошо работают даже при воздействии масла, грязи и пыли. Эти датчики предлагаются в двух различных корпусах для различных вариантов ориентации. Эти корпуса легко интегрируются практически в любой автоматизированный процесс сборки.
Для датчиков силы TE использует пьезорезистивные тензодатчики. Подобно тому, как цифровые весы могут измерять массу, пьезорезистивные тензодатчики могут измерять силу в зависимости от нагрузки, прикладываемой к датчику. В заводских условиях эти датчики могут быть встроены в заводские напольные коврики, чтобы определять, находится ли человек в непосредственной близости от опасного заводского оборудования, что помогает предотвратить травмы.
Тензодатчики также используются в некотором транспортном оборудовании для обеспечения безопасного перемещения компонентов и сборок по заводу. В этом случае тензодатчики смогут определить массу нагрузки и смогут предотвратить неисправность или состояние ошибки, если нагрузка будет иметь массу больше допустимой или будет несбалансированной.
Датчики давления TE предназначены для широкого спектра промышленных применений, включая те, которые могут использоваться в опасных зонах.
Компания TE выпускает датчики давления, монтируемые на плате и изолированные от среды, с аналоговыми или цифровыми выходными сигналами для встраиваемых систем и OEM-приложений.

Переход к цифровой инфраструктуре с поддержкой Интернета вещей

Промышленный интернет вещей (IIoT) представляет огромный потенциал производительности, но полностью реализовать преимущества IIoT достаточно сложно. Многие компании начинают осознавать важность датчиков и изменений подходов к приложениям IIoT, особенно когда происходит слияния традиционных областей деятельности и информационных технологий.
Некоторые крупные производители автомобилей используют на своих заводах тысячи подключенных датчиков для сбора данных о процессах на производстве. Автомобильная промышленность – не единственная отрасль, которая первой внедрила этот подход, поскольку роботизированные технологии могут быть полезны в других промышленных приложениях, таких как промышленная печать и упаковка, а также в медицине, общественном питании и правоохранительных органах.

Технология IoT Start

Чтобы помочь компаниям внедрить новые продукты, TE разработала аппаратно-программный комплекс, который дает производителям возможность рассчитать экономию затрат и окупаемости инвестиций за счет повышения эффективности и производительности при использовании датчиков, выпускаемых компанией.

Набор инструментов IoT Start представляет собой комплексное решение, включающее датчики, систему обработки сигналов датчиков, интерфейсы проводной и беспроводной связи, объединенные в простом в использовании модуле. Этот модуль позволяет экспериментировать с приложениями IIoT при тестировании и оценке создаваемых систем, а также ускорить разработку приложений IoT.

Безопасность персонала при работе
с роботизированным оборудованием

Безопасность является главным приоритетом для разработчиков роботизированных систем автоматизации. Поскольку промышленные роботы могут создать много новых угроз безопасности на рабочем месте, подход «не навреди» стал одним из наиболее важных, поскольку роботы все чаще используются для подъема тяжестей на автомобильных сборочных линиях и других промышленных производственных площадках. Существуют строгие правила, связанные с безопасностью роботов. Производители должны подготовиться к этому до того, как роботы будут установлены, чтобы обеспечить соблюдение требований безопасности и создать безопасную среду для работников.
Обучение производственного персонала также необходимо для обеспечения безопасности сотрудников. При внедрении роботизированного оборудования от работников требуется новый уровень знаний. Многим придется пройти обучение по управлению новым роботизированным оборудованием.

Рис. 1. Мониторинга состояния тяжелого оборудования с помощью датчиков вибраций

TE Connectivity предлагает решения, которые могут помочь получить необходимые данные с точными измерениями в режиме реального времени от датчиков: давления, влажности, силы, вибрации, температуры, положения и т. д.
Датчики вибраций
С ростом числа систем автоматизации растет спрос на датчики для небольших систем и отдельных устройств, таких как шпиндели, конвейерные ленты, сортировочные столы или машинные инструменты, требующие регулярного профилактического обслуживания. Время простоя машины в этих приложениях является критическим. Раньше акселерометры использовали в основном для мониторинга состояния тяжелого оборудования, такого как ветряные мельницы, промышленные насосы, турбины, компрессоры и системы вентиляции и кондиционирования (рис. 1). Однако в настоящее время значительно вырос спрос на датчики для малых машин, порождаемый цифровой промышленной трансформацией .
Пьезоэлектрические датчики вибраций Пьезоэлектрические акселерометры (ПЭ) содержат пьезоэлектрические кристаллы, которые генерируют сигнал при воздействии внешнего механического возбуждения, например, вибрации механизмов.
Большинство пьезоэлектрических датчиков основаны на керамике титаната цирконата свинца (PZT), которая поляризована для выравнивания диполей. Кристаллы PZT идеально подходят для приложений мониторинга состояния, поскольку они работают в широком диапазоне температур, широком динамическом диапазоне и широкой полосе частот (можно использовать до частот немного выше 20 кГц).

Рис. 2. Акселерометр, работающий в режиме сжатия (а), и в режиме сдвига (б)

При реализации датчиков вибраций используются чаще всего два основных режима работы чувствительных элементов (соответственно, и два типа конструкций):
• режим сжатия
• режим сдвига (режим изгиба является редко используемой альтернативой).
В датчиках, работающие в режиме сжатия, для сжатия пьезоэлектрического кристалла поверх кристалла располагают груз, который и создает предварительное сжатие (рис. 2,а). Датчики с такой конструкцией становятся менее популярными из-за подверженности деформациям основания при монтаже. Кроме того они имеют худшую температурную стабильность по сравнению с датчиками, работающими в режиме сдвига.
Датчики, работающие в режиме сдвига, обычно имеют кристалл кольцевой формы и грузик в форме кольца, прикрепленный к опорной стойке (рис. 2,б).
Эта конструкция имеет значительно лучшие характеристики по сравнению с конструкциями, работающими в режиме сжатия, поскольку она изолирована от основания и гораздо менее чувствительна к тепловым напряжениям, что обеспечивает повышенную стабильность параметров. Большинство конструкций акселерометров для мониторинга состояния, предлагаемых сегодня, работают в сдвиговом режиме, и их следует выбирать для большинства установок мониторинга состояния.

Емкостные датчики вибраций
Емкостные датчики измеряют ускорение, используя изменения емкости сейсмического датчика – массы, движущейся между двумя параллельными пластинами конденсатора. Изменение емкости прямо пропорционально приложенному ускорению. Для акселерометров требуется, чтобы устройство обработки располагалось как можно ближе к чувствительному элементу для преобразования малых изменений емкости в выходное напряжение. Такой процесс преобразования часто приводит к малому соотношению сигнал/шум и, как следствие, к ограниченному динамическому диапазону. Такие датчики чаще всего изготавливают по технологии МЭМС.
Для промышленного мониторинга состояния и профилактического обслуживания оборудования, обеспечения долгосрочной надежной, стабильной и точной работы датчиков считаются критически важными следующие параметры:

• частотный диапазон
• разрешающая способность датчика и его динамический диапазон
• долгосрочная стабильность параметров с минимальным дрейфом
• диапазон рабочих температур
• варианты исполнения и простота установки
• варианты выходного сигнала датчика (аналоговый или цифровой).
Компания ТЕ провела тестирование рабочих характеристик типового пьезоэлектрического акселерометра мониторинга состояния и широкополосного емкостного акселерометра (VC MEMS) с диапазоном полной шкалы ±50 g.
Результаты тестирования иллюстрирует рис. 3. В качестве полосы пропускания принимается диапазон частот в котором максимальное отклонение амплитуды сигнала не превышает ±1 дБ (часто используется более жесткое отклонение ±5% для определения полосы пропускания).

Рис. 3. Типовые амплитудно-частотные характеристики
пьезоэлектрических и емкостных акселерометров

Данные показывают, что датчик VC MEMS имеет полезную полосу пропускания до 3 кГц, в то время как пьезоэлектрический датчик имеет полезную полосу пропускания больше 10 кГц (конкретный ПЭдатчик в тестировании по спецификации имеет полосу пропускания до 14 кГц). Стоит отметить, что нижняя частота полосы пропускания ПЭ-датчика равна 2 Гц, в то время как датчик MEMS имеет линейную АЧХ вплоть до 0 Гц.

На рис. 3 приведены типовые амплитудно-частотные характеристики пьезоэлектрических и емкостных акселерометров.

Разрешающая способность и динамический диапазон
Как показали испытания, проведенные компанией ТЕ, динамический диапазон пьезоэлектрических датчиков в среднем на 20 дБ шире, чем у МЕМС-датчиков, а разрешающая способность в 8 раз выше (3 двоичных разряда).
Долгосрочная стабильность
с минимальным дрейфом
Долговременная стабильность ПЭ-датчиков хорошо известна благодаря более чем 30-летнему опыту эксплуатации в полевых условиях. Пьезоэлектрические кристаллы по своей природе стабильны и показали превосходную стабильность с течением времени. Параметры долговременного дрейфа также будут зависеть от состава используемого кристалла, поэтому представить фактическое значение сложно. Кварц обладает наилучшей долговременной стабильностью, но он редко используется в приложениях для мониторинга состояния из-за узкой полосы частот и высокой стоимости. Датчики на основе PZT (титаната цирконата свинца) являются наиболее распространенными для большинства приложений.
Емкостные МЭМС-акселерометры также имеют значительные отличия характеристик в зависимости от конструкции МЭМС.
Объемные микромеханические МЭМС-датчики имеют лучший долгосрочный дрейф по сравнению с ПЭ-датчиками с поверхностной микрообработкой, но значительно дороже и обычно используется только в инерциальных приложениях. Для мониторинга состояния производители МЭМС предлагают датчики с поверхностной микрообработкой, которые дешевле ПЭ-датчиков на основе титаната цирконата свинца. Однако такие датчики имеют меньшую разрешающую способность и худшую долговременную стабильность.

Диапазон рабочих температур
Диапазоны рабочих температур акселерометров ПЭ и MEMS сопоставимы. Как те, так и другие, пригодны для работы в диапазоне от -40 до 125 °C. В экстремальных условиях может использоваться пьезоэлектрический датчик в зарядном режиме, который может работать при температурах, превышающих +700 °C.
Рассмотрим характеристики некоторых датчиков ТЕ.

Одноосевые SMT-акселерометры серии 820M1
В серии выпускается 6 модификаций одноосных акселерометров (рис. 4).

Рис. 4. Акселерометр серии 820M1

Основные параметры пьезоэлектрических акселерометров серии 820M1:
• динамический диапазон от ±25 до ±6000 g
• максимально допустимое ускорение 10000 g
• поперечная чувствительность 8%
• температурная чувствительность 8% в рабочем диапазоне температур
• полоса пропускания от 6 до 10 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±1 дБ
• полоса пропускания от 2 до 15 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±3 дБ
• резонансная частота 30 кГц
• амплитуда выходного сигнала ±1,25 В
• напряжение питания от 3 до 5.5 В постоянного тока
• ток потребления не более 62 мкА
• защита от электростатических разрядов до 2 кВ
• выходное сопротивление 100 Ом
• время прогрева не более 1 с
• герметичный корпус LCC, соответствует IP68
• габаритные размеры 8.89 8.89 4.2 мм
• пьезокерамический кристалл, работающий в режиме сдвига
• диапазон рабочих температур от -40 до 125 °C
• монтаж на печатную плату, возможность пайки оплавлением
• низкая стоимость.
В табл. 1 приведены рабочие диапазоны измерений и шум акселерометров серии 820M1.
На рис. 5 приведен перечень модификаций и маркировка акселерометров серии 820M1.

Рис. 5. Модификации и маркировка
акселерометров серии 820M1

Структура акселерометров 820M1 приведена на рис. 6.

Рис. 6. Структура акселерометров 820M1

На рис. 7 и 8 приведены типовые характеристики зависимости чувствительности от частоты и от температуры, соответственно.

Таблица 1. Рабочие диапазоны измерений и шум акселерометров серии 820M1

Рис. 7. Типовая частотная характеристика
акселерометра 820M1

Рис. 8. Типовой изменение чувствительности
акселерометра 820M1 в зависимости
от температуры окружающей среды

В серии выпускается 7 модификаций трехосных акселерометров (рис. 9).

Рис. 9. Трехосный акселерометр серии 830М1

Основные параметры пьезоэлектрических акселерометров серии 830M1:
• динамический диапазон от ±25 до ±2000 g
• максимально допустимое ускорение 5000 g
• полоса пропускания от 6 до 10 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±1 дБ
• полоса пропускания от 2 до 15 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±3 дБ
• резонансная частота 30 кГц
• амплитуда выходного сигнала ±1.25 В
• напряжение питания от 1.5 до 5.5 В постоянного тока
• ток потребления не более 200 мкА
• защита от электростатических разрядов до 2 кВ
• выходное сопротивление 100 Ом
• время прогрева не более 1 с
• встроенный датчик температуры на основе термистора
• герметичный корпус LCC, соответствует IP68
• габаритные размеры 15.2×5.2×4.2 мм
• масса не более 1 г
• пьезокерамический кристалл, работающий в режиме сдвига
• диапазон рабочих температур от -40 до 125 °C
• монтаж на печатную плату, возможность пайки оплавлением
• низкая стоимость.

Таблица 2. Рабочие диапазоны измерений и шум трехосных акселерометров серии 830M1

Рис. 10. Модификации и маркировка акселерометров серии 830M1

В табл. 2 приведены рабочие диапазоны измерений и шум акселерометров серии 830M1.
На рис. 10 приведен перечень модификаций и маркировка акселерометров серии 830M1.
Структура акселерометров 830M1 приведена на рис. 11.
На рис. 7 и 8 приведены типовые характеристики зависимости чувствительности акселерометров 830M1 от частоты и от температуры, соответственно.
Акселерометры 830M1 сохраняют работоспособность при напряжении питания 1.5 В, но при этом сужается эффективный диапазон измерений, как показано в табл. 3. Поэтому не рекомендуется использовать напряжение питания ниже 2.8 В (номинальное значение напряжения питания 3.3 В).

Рис. 11. Структура акселерометров 830M1

Схемы подключения термистора для формирования сигналов датчика температуры приведены на рис. 12.

Рис. 12. Схемы подключения термистора
с использованием резистора (а) и источника тока (б)

Зависимости выходного напряжения датчиков с разными схемами включения термистора приведены на рис. 13.

Таблица 3. Зависимость диапазона измерений
от напряжения питания

Рис. 13. Зависимости выходного напряжения
датчиков с разными схемами включения
термистора

Зависимость сопротивления термистора, встроенного в акселерометры 830M1, от температуры приведена на рис. 14.

Рис. 14. Зависимость сопротивления
термистора, встроенного в акселерометры
830M1, от температуры

Трехпроводные одноосевые акселерометры 805M1 в корпусе TO-5

В серии выпускается 7 модификаций одноосных акселерометров (рис. 15).
Основные параметры пьезоэлектрических акселерометров серии 830M1:
• динамический диапазон от ±20 до ±500 g
• полоса пропускания от 1 до 8 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±1 дБ
• полоса пропускания от 0.4 до 10 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±3 дБ
• резонансная частота 34 кГц
• амплитуда выходного сигнала ±2 В
• напряжение питания от 3 до 5.5 В постоянного тока
• ток потребления не более 800 мкА
• выходное сопротивление 100 Ом
• габаритные размеры ∅8.89×11.5 мм
• масса не более 5 г
• возможна поставка с дополнительной изолирующей оболочкой
• пьезокерамический кристалл, работающий в режиме сдвига
• диапазон рабочих температур от -40 до 100 °C
• монтаж в отверстия.
В табл. 4 приведены рабочие диапазоны измерений и шум акселерометров серии 805M1.
Маркировка акселерометров серии 805M1 аналогична маркировке 830M1 – цифры суффикса показывают диапазон измерения ускорений.

Таблица 4. Рабочие диапазоны измерений и шум акселерометров серии 805M1

Рис. 15. Трехпроводные одноосевые
акселерометры 805M1 в корпусе TO-5

Беспроводной акселерометр 8911
Внешний вид акселерометра приведен на рис. 16.

Рис. 16. Беспроводной акселерометр 8911

Акселерометр предназначен для работы в сетях LoRaWAN™ 868/915 МГц.
Беспроводной акселерометр TE модели 8911 для POC содержит датчики для измерения вибраций и температуры, цифровой сигнальный процессор и приемопередатчик в одном корпусе. Питание акселерометра осуществляется от встроенной батареи.
Беспроводной акселерометр модели 8911 использует протокол связи LoRaWAN™, предлагающий простой, надежный и безопасный способ контроля состояния промышленного оборудования и предназначен для установки в таких местах, где стоимость установки проводных систем является непомерно высокой.

Датчик 8911 включает пьезоэлектрический акселерометр. с полосой пропускания до 10 кГц, высоким разрешением и высокой долговременной стабильностью. Благодаря встроенному цифровому процессору датчик формирует и передает по радиоканалу следующие данные:
• центральную частоту в спектре вибраций
• пиковое значение вибраций
• полосу частот измеренных вибраций
• спектральный состав вибраций в восьми полосах.
Основные параметры датчика 8911:
• динамический диапазон от 0.001 до ±40 g
• разрешающая способность 12 бит при измерении вибраций и температуры
• полоса пропускания от 1 до 10 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±1 дБ
• полоса пропускания от 1 до 15 000 Гц при неравномерности АЧХ не более ±3 дБ
• максимально допустимое ускорения 2000 g
• резонансная частота 30 кГц
• поперечная чувствительность 5%
• температурная чувствительность от -10 до 5% в рабочем диапазоне частот
• нелинейность не более ±1% от полной шкалы
• остаточный шум не более 0.06 g (среднеквадратическое значение)
• погрешность измерения температуры не более ±1.5 °С
• напряжение питания не более 3.5 В постоянного тока
• среднее значение тока потребления 35 мкА
• пиковый ток потребления в режиме передачи 50 мА
• срок автономной работы без замены батарей не менее 5 лет
• защита от электростатических разрядов до 2 кВ
• мощность передатчика 14 дБм
• чувствительность приемника -137 дБм
• пьезокерамический кристалл, работающий в режиме сдвига
• диапазон рабочих температур от -20 до 60 °C
• относительная влажность не более 95%
• габаритные размеры Ø31.75×78 мм
• масса не более 5 г
• монтаж (в зависимости от модификации) на клейкую монтажную шпильку (AC-D04210), шпильку M6 с наружной резьбой (AC-D03665), шпильку M5 с наружной резьбой (AC-D03664), магнитную монтажную шпильку (AC-A04209).
На рис. 17 приведен пример спектра, измеренного датчиком, а в табл. 5 – пример передаваемых данных.

Таблица 5. Пример данных, передаваемых
беспроводным датчиком 8911

Рис. 17. Спектр, формируемый в результате БПФ анализа
беспроводным датчиком 8911

На рис. 18 показан беспроводной датчик 8911 без защитной крышки.
Для индикации режимов работы на плате датчика размещено 2 светодиода:
• синий светодиод:
– загорается на две секунды, когда датчик запрашивает подключение к сети LoRaWAN™ и присоединяется к ней
– загорается на короткое время, когда датчик производит выборку данных, передает данные, получает подтверждение
• красный светодиод:
– загорается на две секунды, если запрос на подключение к сети LoRaWAN™ не принят
– загорается на короткое время, если передаваемые данные не подтверждены
Свечение цветных светодиодов можно увидеть через полупрозрачную крышку, когда она прикреплена. Чтобы получить доступ к кнопке сброса и начальной инициализации, необходимо отвинтить верхнюю крышку.

Рис. 18. Беспроводной датчик 8911 без
защитной крышки

Из приведенного краткого обзора акселерометров компании TE Connectivity можно сделать вывод, что их применение может обеспечить контроль вибраций различных механизмов в очень широком диапазоне значений, в широкой полосе частот и широком диапазоне температур, сохраняя при этом высокую стабильность параметров.