Najważniejsze kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy doborze odpowiedniego czujnika

Adam Jeffery Kierownik produktu w dziale czujników i półprzewodników w Elfa Distrelec

Adam, który ma ponad 8 lat doświadczenia w branży, z oddaniem zapoznaje inżynierów oraz profesjonalistów z najbardziej innowacyjnymi czujnikami dostępnymi na rynku. Śledząc z pasją postęp technologiczny, Adam pomaga klientom rozszerzyć zakres zastosowań, dzięki użyciu oferowanych przez niego nowatorskich komponentów najwyższej jakości.

Niezależnie od tego, czy są zintegrowane czy też nie, czujniki są niezbędnym elementem każdego inteligentnego układu elektronicznego. Odbierają i interpretują dane ze świata fizycznego i przekształcają je w możliwe do odczytania treści. Dzięki nim zautomatyzowane systemy mogą pracować z większą skutecznością — zwiększają one niezawodność, precyzję i optymalizują wydajność.

Najważniejsze kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy doborze odpowiedniego czujnika

Engineers will be glad to hear that, when using sensors effectively, companies, students and

Inżynierowie zapewne będą zadowoleni słysząc, że dzięki skutecznemu korzystaniu z czujników, zarówno spółki, studenci, jak i hobbyści zyskują możliwość przejścia z postawy reaktywnej do postawy bardziej proaktywnej, dostarczając konsumentowi końcowemu produkty, czy świadcząc mu usługi o wyższej wartości. Ta zmiana może stanowić element, który wyróżnia użytkowników skutecznie wykorzystujących czujniki.

Zakres i różnorodność czujników dostępnych na rynku jest imponująca. Wybór odpowiedniego czujnika do konkretnego celu potrafi więc być przytłaczającym zadaniem. Aby je sobie ułatwić, nabywcy powinni kierować się poniższymi wskazówkami:

Dziewięć najważniejszych kwestii, które warto wziąć pod uwagę

1. Typ czujnika

Dobór czujnika powinien zależeć od rodzaju wykrywanej substancji (metal, ciało stałe, ciecz, gaz). To główny czynnik, od którego zależy, czy dany czujnik jest odpowiedni.

Najczęściej stosowane czujniki:

  • Czujniki temperatury

Czujniki temperatury dostępne są w wielu postaciach, w tym jako czujniki temperatury, termistory, termopary i termometry rezystancyjne. Mają szeroki zakres zastosowań — różne rodzaje czujników temperatury wykorzystywane są m.in. w komputerach, telefonach komórkowych, samochodach, klimatyzatorach.

  • Czujniki zbliżeniowe

Czujniki zbliżeniowe to bezdotykowe czujniki wykrywające obecność obiektu. Stosuje się je między innymi w technologiach optycznych, ultradźwiękowych i wykorzystujących efekt Halla. Czujniki zbliżeniowe mają wiele zastosowań; wykorzystywane są na przykład w telefonach komórkowych, w czujnikach parkowania w samochodach i systemach ostrzegających o odległości samolotu od powierzchni Ziemi.

Ilustracja 1: Indukcyjny czujnik zbliżeniowy do wykrywania metalu
  • Czujniki podczerwieni

Istnieją dwa typy czujników podczerwieni — transmisyjne i odbiciowe:

Typ transmisyjny: nadajnik podczerwieni i odbiornik podczerwieni ustawione są naprzeciwko siebie, dzięki czemu czujnik wykrywa obiekt, który znajdzie się między nimi.

Typ odbiciowy: nadajnik i odbiornik ustawione są obok siebie i przodem do obiektu, dzięki czemu czujnik wykrywa obiekt, który znajdzie się naprzeciwko.

  • Czujniki ciśnienia

Istnieją trzy typy ciśnienia, które można mierzyć: ciśnienie manometryczne, ciśnienie bezwzględne i różnica ciśnień.

1) Manometr — mierzy ciśnienie względem ciśnienia atmosferycznego otoczenia. Czujnik tego typu sprawdza się w przypadku dokonywania pomiaru poziomu cieczy w zbiorniku bezciśnieniowym z wykorzystaniem różnicy między ciśnieniem atmosferycznym otoczenia a ciśnieniem hydrostatycznym.

2) Czujnik ciśnienia bezwzględnego mierzy ciśnienie względem próżni absolutnej. Czujniki ciśnienia bezwzględnego mogą być wykorzystywane do pomiaru ciśnienia atmosferycznego w celu ustalenia wysokości nad poziomem morza. Są również stosowane w systemach monitorowania ciśnienia w oponach.

3) Czujniki różnicy ciśnień mierzą różnicę ciśnień między dwoma punktami. Czujniki te wykorzystuje się często w celu wykrycia różnicy ciśnień po obu stronach obiektu. Są powszechnie stosowane na przykład do monitorowania przepływu powietrza w klimatyzatorach.

  • Czujniki światła

Istnieje kilka typów czujników światła, w tym fotooporniki, fotodiody i fototranzystory.

Fotooporniki to elementy światłoczułe. Gdy pada na nie światło, zmienia się ich opór. Są to najczęściej stosowane czujniki światła, wykorzystywane między innymi w sygnalizacji świetlnej.

Ilustracja 5: Fotoopornik

Fotodiody to niewielkie, lekkie i niedrogie półprzewodniki światłoczułe. Umożliwiają łatwy pomiar mocy optycznej w zakresie od pikowatów do miliwatów i charakteryzuje je wysoka responsywność, sięgająca rzędu pikosekund. Znajdują różne zastosowania, na przykład jako czujniki otwierania drzwi, czujki dymu czy wyroby do pomiaru glukozy we krwi dla osób z cukrzycą.

Ilustracja 6: Fotodioda

Fototranzystor to połączenie fotodiody i tranzystora wzmacniającego. Przekształca energię świetlną w energię elektryczną i wytwarza zarówno prąd, jak i napięcie. Fototranzystory znajdują zastosowanie w systemach bezpieczeństwa, koderach i sterowaniu sygnalizacją świetlną (np. na drogach).

Ilustracja 9: Fototranzystor
  • Czujniki przepływu i czujniki poziomu

Czujniki przepływu mierzą prędkości przepływu masowego i objętościowego. Są często używane między innymi w urządzeniach wspomagających oddychanie, koncentratorach tlenu i klimatyzatorach.

Czujnik poziomu o urządzenie, które określa ilość/poziom płynów przepływających w układzie otwartym albo zamkniętym. Istnieją dwa rodzaje pomiarów poziomu: ciągły i punktowy. Ciągłe czujniki poziomu dokonują pomiaru do określonego poziomu granicznego, zapewniając precyzyjne wyniki, zaś punktowe czujniki poziomu określają jedynie, czy poziom płynu jest wysoki czy niski.

Docelowe zastosowanie

Przed wyborem czujnika należy wziąć pod uwagę wszystkie wymogi dotyczące danego zastosowania. Może to obejmować między innymi następujące czynniki:

  • Odległość od celu – Zapewni to punkt odniesienia dotyczący wymaganej czułości czujnika pozwalającej mu zrealizować stawiane mu zadanie i zasięgu, który pozwoli zagwarantować, że jest odpowiedni do danego zastosowania.
  • Położenie czujnika – Odpowiedni rozmiar czujnika i możliwości montażu będą zależeć od środowiska, w którym zostanie umieszczony.

Niezależnie od tego, jak skuteczny jest sam czujnik, należy koniecznie wziąć pod uwagę środowisko, w którym będzie umiejscowiony.

3. Dokładność i precyzja

Dokładność to często najważniejsza cecha, którą produkt musi się odznaczać. W marketingu czujników, pojęcia „dokładność” i „precyzja” są używane zamiennie, jednak w rzeczywistości oznaczają dwie różne kwestie. Przy podejmowaniu decyzji, która z tych dwóch cech jest priorytetowa, należy koniecznie zrozumieć różnicę między nimi.

Ilustracja 8: Dokładność a precyzja

Dokładność to często najważniejsza cecha, którą produkt musi się odznaczać. W marketingu czujników, pojęcia „dokładność” i „precyzja” są używane zamiennie, jednak w rzeczywistości oznaczają dwie różne kwestie. Przy podejmowaniu decyzji, która z tych dwóch cech jest priorytetowa, należy koniecznie zrozumieć różnicę między nimi.

4. Wytrzymałość

Przy wyborze czujnika ważne jest rozważenie czynników dotyczących jego wytrzymałości. Pytania, które należy wziąć pod uwagę to między innymi:

  • Jak wytrzymały jest czujnik?
  • Czy będzie działać przez długi czas bez konieczności wymiany?
  • Czy wytrzyma trudne warunki środowiskowe?

Każdy czujnik ma ograniczoną żywotność, często uzależnioną od okresu eksploatacji, okresu przechowywania albo daty ważności. Czynniki, które mogą wpłynąć na żywotność czujnika obejmują: konstrukcję, materiał, proces produkcji, mierzone poziomy stężenia i warunki środowiskowe.

Przykładowo, niektóre czujniki pochłaniające takie substancje jak tlen albo glukoza mają bardzo krótki okres eksploatacji, podczas gdy w przypadku innych czujników, zazwyczaj temperaturowych, okres ten przekracza 10 lat. Należy jednak podkreślić, że nawet czujniki o dłuższym okresie eksploatacji mogą z czasem utracić czułość, a ich dokładność ulegnie w rezultacie pogorszeniu.

Wytrzymałość to ważna cecha zapewniająca, że czujniki są wydajne kosztowo i odpowiednie do danego zastosowania, a ryzyko występowania w nich odchylenia będzie ograniczone. Chociaż wystąpienie odchylenia, (do którego dochodzi, gdy czujnik jest wystawiony na działanie warunków, które obniżają jego dokładność), jest z czasem nieuchronne, można je zminimalizować poprzez wzięcie pod uwagę środowiska i wytrzymałości czujnika.

5. Typy wyjść  

Istnieją trzy główne typy wyjść:

1) Napięcie analogowe

2) PWM

3) Cyfrowe szeregowe

Sygnały cyfrowe są często wybierane chętniej niż sygnały analogowe, które są zakłócane przez szumy zewnętrzne. Może to prowadzić do błędów w sygnale wyjściowym. Ponadto wyjście cyfrowe można uznać za bardziej zaawansowane ze względu na jego kompatybilność z programami komputerowymi. Nie będzie to jednak istotne dla wszystkich zastosowań, ponieważ niektóre dane można zinterpretować bez pomocy programu komputerowego. Ponadto przy pomocy przetwornika analogowo-cyfrowego możliwe jest przekonwertowanie analogowych sygnałów wyjściowych na cyfrowe.

Ilustracja 9: Przetwornik analogowo-cyfrowy

Wiele czujników kontrolnych wykorzystuje pętle prądowe 4–20 mA, w których 4 mA oznacza niski sygnał analogowy, zaś 20 mA wysoki. Stosuje się je często przy przesyłaniu danych, ponieważ pętle prądowe są niewrażliwe na szumy elektryczne.

6. Czas reakcji   

W większości czujników czas reakcji mierzy się w milisekundach, chociaż w niektórych (najczęściej w czujnikach gazów i wycieków) są to sekundy albo minuty. Optymalny czas reakcji jest często uzależniony od uzyskiwanych danych.

7. Powtarzalność

Należy koniecznie wziąć pod uwagę to, czy jest możliwe uzyskanie spójnych wyników pomiarów danej zmiennej w tym samym środowisku. Powtarzalność oznacza spójność pomiędzy poszczególnymi odczytami czujnika i określa, czy będzie on zawsze podawać taki sam wynik w takich samych warunkach. Wartość tą często wiąże się z dokładnością, jednak czujnik może cechować się niedokładnością, a mimo to będzie w stanie podawać powtarzalne obserwacje.

Ilustracja 10: Dokładność a powtarzalność

8. Koszt  

Czujniki działają zazwyczaj w obrębie większej sieci infrastrukturalnej. W związku z tym koszt czujnika stanowi istotny czynnik przy rozpatrywaniu potencjalnego rozwoju i skalowalności. Czujniki często stanowią niezbędny element każdej infrastruktury, natomiast ich cena musi kształtować się na poziomie proporcjonalnym do skali finansowej całego projektu, którego będą częścią.

9. Szczególne wymagania

W przypadku poszczególnych czujników albo zastosowań czujników może być konieczne wzięcie pod uwagę szczególnych wymagań. Do tych wymagań mogą należeć wyjątkowo wysokie temperatury, wilgotność lub bezpośrednia bliskość miejsca, w którym prowadzone są procesy spawania, mogące sprawić, że zasadniczo odpowiedni czujnik nie nada się do danego zastosowania.

Rola czujników w walce z Covid-19

Czujniki są niezbędne w walce z Covid-19 na trzy kluczowe sposoby: poprzez promowanie dystansu społecznego, umożliwienie sprawnych kontroli medycznych oraz poprzez ulepszanie środków ochrony osobistej (PPE) i artykułów noszonych.

Zatem technologia czujników zapewnia pracownikom bezpieczne środowisko pracy, umożliwiając śledzenie kontaktu i przeprowadzanie kontroli medycznych przed wejściem do pracy. Technologia noszona jest również bardzo przydatna w okresie pandemii dzięki wbudowanym w nią czujnikom danych dotyczących zdrowia. Te rozwiązania technologiczne rozpowszechniły się w okresie Covid-19 i prawdopodobnie będą coraz popularniejsze.

Czujniki przyszłości  

Przyszłość czujników w coraz większym stopniu opiera się na postępach w obszarach mikrotechnologii i nanotechnologii, które umożliwiają coraz bardziej kreatywne i różnorodne sposoby wykorzystania czujników. Rośnie popyt na mniejsze czujniki w związku z wbudowywaniem ich w smartfony i urządzenia ubieralne. Najlepszym przykładem jest zastosowanie w telefonach komórkowych akcelerometrów w celu zapewnienia, że obraz wyświetlany na ekranie telefonu będzie zawsze skierowany we właściwą stronę niezależnie od tego, czy urządzenie jest obrócone. Ponadto mikroczujniki połączone z elektroniką cyfrową i podzespołami mechanicznymi (mikroukłady elektromechaniczne) można wykorzystywać do poszerzania zakresu zastosowań Internetu rzeczy, są one zatem szerzej stosowane w tym obszarze.

Ilustracja 11: Internet rzeczy

Opracowywane są również technologie wykorzystujące układy inteligentne, które działają coraz bardziej jak istoty rozumne. Są to technologie, które są zdolne monitorować, korygować i modyfikować same siebie i które dzięki gwałtownym postępom w opracowywaniu czujników często mają także zdolność widzenia, czucia, wąchania, słuchania i komunikowania się. Działające w ten sposób czujniki inteligentne będą z pewnością bardziej wydajnie odgrywać swoją rolę i ograniczą konieczność interwencji ze strony człowieka, co przełoży się na większy komfort użytkowania dla konsumentów.

Ten nacisk na opracowywanie czujników w celu zmniejszenia nakładu pracy jest wyraźnie widoczny w przypadku czujników opartych na technologii identyfikacji radiowej (RFID). Czujniki RFID umożliwiły stworzenie systemów płatności bezgotówkowych dokonywanych przy pomocy smartfonów i udoskonalenie procedur bezpieczeństwa poprzez wykorzystanie systemów automatycznego otwierania drzwi. Czujniki RFID mają także wpływ na globalny rynek opakowań cyfrowych, ponieważ umożliwiają szybsze przetwarzanie, transport i dostawy. Jest to wielka korzyść z punktu widzenia branż, w których wymagane są krótkie terminy dostawy towarów takich jak nietrwałe produkty branży napojów i żywności.

Ilustracja 12: Czytnik RFID

Kolejną nowością z zakresu technologii czujników jest coraz częstsze korzystanie z fuzji danych. W przypadku jednoczesnego korzystania z połączonych czujników zalety każdego czujnika równoważą niedostatki pozostałych czujników. Umożliwia to tworzenie bardziej wydajnych urządzeń dzięki wykorzystaniu korzyści płynących z połączenia właściwości wielu czujników. Korzyści płynące z fuzji danych dotyczą długiego szeregu zastosowań, w tym chociażby monitorowania stanu zdrowia, systemów transportowych, branży rozrywkowej i prognozowania pogody. Zdolność do detekcji różnych wielkości, pozyskiwania inteligentnych danych i inicjowania działań przynosi prawdziwą rewolucję w wielu różnych branżach.

W świetle tych postępów i zagadnień omówionych w niniejszym przewodniku wybór najlepszego czujnika do wymaganego zastosowania nie powinien już stanowić tak kłopotliwego zadania. Ze względu na możliwość wprowadzenia jeszcze większych innowacji, szeroka gama czujników dostępnych na rynku sprawia, że przyszłość technologii zapowiada się fascynująco.

Polecane produkty

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy 

Cylindryczny czujnik zbliżeniowy z jedną albo dwiema odległościami detekcji. Ten wszechstronny czujnik działa w temperaturach od -25°C do 70°C. 

Czujnik ciśnienia z wyświetlaczem

Kompaktowy i ekonomiczny czujnik ciśnienia z funkcją określania wartości maksymalnej i minimalnej. Ten czujnik zapewnia odpowiednią rozdzielczość i zgodność pomiarów oraz może dokonywać pomiaru ciśnienia i wyświetlać jego wartość dwa razy na sekundę.

Polecane marki

Total
0
Shares
Poprzedni post

Bulgin kształtuje przemysł samochodowy i transportowy

Następny post

Jak wybrać odpowiedni zasilacz

Powiązane posty