Senzor: co to je, typy a princip fungování

Sbalit vše Bezdotykové spínače (senzory)
Polohový spínač, který provádí spínací operaci při určité vzájemné poloze předmětu působení a citlivého prvku spínače bez mechanického kontaktu spínače s předmětem působení. Indukční přibližovací spínač
Bezkontaktní spínač, který vytváří elektromagnetické pole v citlivé zóně a má polovodičový spínací prvek. Kapacitní přibližovací spínač
Bezkontaktní spínač, který vytváří elektrické pole v citlivé zóně a má polovodičový spínací prvek. Optický přibližovací spínač
Bezkontaktní spínač, který detekuje předměty, které přerušují nebo odrážejí viditelné nebo neviditelné optické záření a má polovodičový spínací prvek. Ultrazvukový přibližovací spínač
Bezkontaktní spínač, který detekuje předměty, které přerušují nebo odrážejí ultrazvukové vlny a má polovodičový spínací prvek. Magneticky citlivý bezdotykový spínač
Bezkontaktní spínač, který detekuje změnu intenzity konstantního magnetického pole, má polovodičový spínací prvek a neobsahuje pohyblivé části v citlivém prvku. Aktivní plocha bezkontaktního spínače
kapacitní/indukční — povrch, který vytváří pole, které interaguje s předmětem;
optické/ultrazvukové — povrch, který vysílá a přijímá optické záření/ultrazvukový signál;
magneticky citlivé — povrch, který vnímá změny intenzity konstantního magnetického pole.

Zóna citlivosti
Plocha volného prostoru před aktivní plochou spínače, kde je maximální síla elektromagnetického nebo elektrického pole. Když objekt vlivu vstoupí do zóny citlivosti, změní se stav sepnutí spínače. Polovodičový spínací prvek
Prvek, který spíná proud v elektrickém zátěžovém obvodu změnou vodivosti polovodiče. Snímací vzdálenost (S)
Vzdálenost, na kterou se objekt vlivu při přiblížení k aktivní ploše spínače změní spínací stav (výstupní signál) spínače. Nominální snímací vzdálenost (Sn)
Konvenční hodnota vzdálenosti odezvy. Nezohledňuje výrobní tolerance a odchylky způsobené vnějšími faktory – změny napájecího napětí a okolní teploty. Efektivní snímací vzdálenost (Sr)
Snímací vzdálenost specifického bezdotykového spínače měřená při jmenovitém napájecím napětí a okolní teplotě (23±5)°C.
Mělo by být v rozsahu: 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn pro indukční a kapacitní spínače. Provozní snímací vzdálenost (Sa)
Interval od aktivní plochy, ve kterém je zaručena spolehlivá činnost bezkontaktního spínače za provozních podmínek stanovených výrobcem.
Musí být v rámci:
pro indukční spínače 0 < Sa < 0,81 Sn,
pro kapacitní spínače 0 < Sa < 0,72 Sn. Použitelná snímací vzdálenost (Su)
Provozní vzdálenost konkrétního bezdotykového spínače, měřená ve všech provozních rozsazích napájecího napětí a okolních teplot.
Mělo by být v rozsahu: 0,9 Sr < Su < 1,1 Sr pro indukční a kapacitní spínače. Reprodukovatelnost skutečné snímací vzdálenosti (R)
Rozdíl v měření skutečné vzdálenosti odezvy (Sr) během jakýchkoli dvou po sobě jdoucích spínacích operací během 8 hodin (při okolní teplotě (23±5)°C a při konstantním napájecím napětí), vztažený na Sr. hystereze (H)

Rozdíl ve vzdálenostech mezi spínacím bodem, když se objekt vlivu přibližuje k aktivní ploše spínače, a spínacím bodem, když se vzdaluje od aktivní plochy. Hodnota hystereze je indikována jako procento skutečné hodnoty vzdálenosti odezvy.

Jmenovité napětí (Ue)
Napájecí napětí sloužící k nastavení základních charakteristik jističe a k provádění zkoušek bez zohlednění přípustných odchylek. Pokles napětí (Ud)
Hodnota napětí naměřená na svorkách koncového stupně bezkontaktního spínače při maximálním zatěžovacím proudu. Maximální zatěžovací proud (Imax)
Proud, který může protékat bezkontaktním spínačem během dlouhodobého provozu, aniž by způsobil jeho selhání. Zátěž může být cívka relé, cívka stykače nebo elektronický obvod, jako je vstup regulátoru. Zbytkový proud (Ir)
Proud tekoucí v elektrickém obvodu zátěže při vypnutém spínacím prvku. Měřeno při maximálním napájecím napětí. Aktuální spotřeba (Io)
Proud odebíraný ze zdroje tří- nebo čtyřsvorkovým spínačem při odpojení zátěže. Maximální frekvence odezvy (f)
Maximální možná frekvence přechodu spínače z neaktivního stavu do aktivovaného stavu a naopak, při které koncový stupeň spínače stále produkuje určitou sekvenci signálů odpovídající efektu. Pracovní povolení
Pro snímače s analogovým výstupním signálem. Vzdálenost měřená od aktivního povrchu snímače, ve které se výstupní signál mění při pohybu objektu vlivu. Lineární zóna pracovní mezery
Pro snímače s analogovým výstupním signálem. Rozsah vzdáleností v pracovní mezeře, ve kterých se výstupní signál lineárně mění v závislosti na vzdálenosti k objektu vlivu. Nelinearita
Pro snímače s analogovým výstupním signálem. Přípustná odchylka výstupního signálu od lineární charakteristiky v lineární zóně. Zapuštěný spínač pro kov
Spínač, který nemění své technické vlastnosti, když je obklopen kovem až do roviny aktivní plochy.
Spínač není zapuštěný do kovu
Spínač, který vyžaduje zónu kolem citlivého prvku bez obsahu kovu, který by mohl ovlivnit citlivý prvek, aby byly zachovány jeho technické vlastnosti.

Senzor (anglicky Sensor z lat. sensus – senzace) – zařízení, které vnímá vnější vlivy a převádí je na změnu elektrického signálu nebo jiných výstupních dat, která je vyhodnocována vizuálně nebo přenášena do kontrolního nebo měřícího zařízení [1]. Vnější vlivy mohou zahrnovat mechanické pohyby, intenzitu světla, teplotu, vzdálenost, tlak, vlhkost a tak dále.

Podle typu výstupní hodnoty lze senzory rozdělit na neelektrické a elektrické. Klasickými příklady neelektrických senzorů jsou laboratorní teploměry, mechanické barometry, pružinové váhy a podobná zařízení.

Většina snímačů je elektrických a tento typ snímače je popsán níže, přičemž slovo „elektrický“ je vynecháno.

V závislosti na typu snímače může být jeho výstupem napětí, proud, odpor nebo jiné elektrické veličiny [2] .

Senzory nacházejí široké uplatnění v nejrůznějších oblastech lidské činnosti – těžba a zpracování nerostů, průmyslová výroba, doprava, spoje, logistika, stavebnictví, zemědělství, zdravotnictví, věda a další průmyslová odvětví, v současnosti jsou nedílnou součástí technických zařízení.

V průmyslových automatizovaných řídicích systémech hrají senzory roli spouštěcích zařízení, informujících systém o stavu parametrů objektu a nutnosti provést určité akce v souladu s daným algoritmem. V případě použití rozhraní člověk-stroj, které je součástí SCADA systému, se na obrazovkách dispečerských počítačů zobrazují v té či oné podobě odečty senzorů, které informují operátory o stavu technologického procesu.

Klasifikace senzorů

Senzory lze klasifikovat podle následujících hlavních charakteristik:

• princip fungování;
• povaha výstupního signálu;
• typ snímacího prvku;
• počet vykonávaných funkcí;
• počet vstupních veličin atd.

Klasifikace podle principu činnosti

Podle principu činnosti lze senzory rozdělit do dvou tříd:

• Aktivní (generátor), přímo převádějící vstupní veličinu na elektrický signál. Jedná se například o termočlánky obsahující dva vodiče různé chemické povahy. Při zahřátí je přechod termočlánku bodem, kde dochází k termo-emf. U snímače s piezoelektrickým efektem vede mechanické působení na krystal (obvykle křemen) k jeho deformaci a vzniku elektrických nábojů opačného znaménka na protilehlých plochách krystalu. U senzorů využívajících fotoelektrické efekty je společným znakem generování nosičů elektrického náboje vlivem světla [3]. Protože signál na výstupu snímačů tohoto typu je malý, používají se speciální zesilovací zařízení, která jej přivedou na standardní napěťovou nebo proudovou úroveň. Typicky je to (0-10) V nebo (4-20) mA.
• Pasivní (parametrické) snímače převádějí vstupní hodnotu na změnu libovolného elektrického parametru, jehož měření je možné pouze při připojení snímače ke speciálnímu elektrickému obvodu obsahujícímu zdroj energie a obvod pro generování signálu; Patří sem potenciometrické, kapacitní a indukční snímače [4].

Klasifikace podle povahy výstupního signálu

Na základě charakteru výstupního signálu lze uvést následující klasifikaci senzorů [5]:

• Diskrétní (binární) snímače. Jedná se především o tlakové kontaktní snímače se dvěma výstupními stavy – „zapnuto/vypnuto“, dále prahové snímače – komparátory (z latinského comparare – porovnat);
• Analogové senzory. Jedná se o zařízení, která zaznamenávají okamžitou hodnotu vnějšího vlivu měnícího se v čase. Jsou to například snímače tlaku nebo teploty;
• Pulzní senzory. Patří sem zařízení, jejichž výstup generuje sekvenci impulsů. Jedná se především o optické snímače úhlu natočení (kodéry) nebo lineárního posuvu, stejně jako různé snímače průtoku a měření rychlosti proudění s pulzním výstupním signálem;
• Digitální snímače jsou kompozitní zařízení s analogovým vstupem a vestavěným analogově-digitálním převodníkem. Tyto senzory generují diskrétní výstupní signály, které jsou reprezentovány v číselném formátu. Získaná data lze číst digitálním záznamovým nebo řídicím systémem a podle toho zpracovávat [6] .

Klasifikace podle typu snímacího prvku

• Senzory založené na využití termoelektrického jevu (Seebeckův efekt). Nejběžnějším snímačem tohoto typu je termočlánek – zařízení ve formě páru vodičů různých elektrických vodičů spojených na jednom konci ve formě přechodu a tvořících elektrický přechod. Navrženo pro měření teploty;
• Polovodičové teploměry. Na základě teplotní závislosti poklesu napětí na dopředně předpjatém pn přechodu. Technologie výroby polovodičových teploměrů umožňuje jejich umístění na čipy integrovaných obvodů. Snímače teploty tohoto typu jsou zabudovány do mikroprocesorů a mikrokontrolérů [7];
• Kapacitní senzory. Konstrukčně jsou snímače tohoto typu navrženy tak, že vnější vliv vede ke změně kapacity kondenzátoru. Kondenzátor mohou být desky oddělené dielektrikem, mezi kterými se mění vzdálenost, plocha vzájemného překrytí nebo se mění vlastnost dielektrika [8]. Další typ kapacitního snímače – jedna z desek kondenzátoru je konstrukce snímače a druhá je externí objekt (prst dotýkající se dotykové obrazovky nebo součást na pohybujícím se dopravníku). V tomto případě je kondenzátor vytvořen dynamicky;
• Potenciometrické senzory. Obecně je potenciometrický snímač vinutí nebo pásek materiálu s vysokým elektrickým odporem (obvykle vyrobený ve formě stacionárního konstrukčního prvku), na který je přivedeno napájecí napětí, a pohyblivý kontakt, ze kterého je výstupní signál odstraněn. ;
• Indukční snímače. Tyto senzory jsou vestavěným induktorem, kterým prochází střídavý proud z vnitřního generátoru a vytváří kolem sebe magnetické pole. Při zavedení kovového, magnetického nebo feromagnetického materiálu do aktivní zóny snímače se změní indukčnost cívky a v důsledku toho se změní její indukční odpor [9];
• Optické senzory (fotosensory) jsou optické elektronické zařízení, které využívá různé druhy fotodetektorů – fotodiody, fotorezistory;
• Magnetoelektrické senzory, jejichž princip činnosti je založen na Hallově jevu – vzhledu napětí na okrajích desky umístěné v magnetickém poli, kterým prochází stejnosměrný proud. Výsledné napětí je přímo úměrné intenzitě magnetického pole. Tato metoda se používá v případech, kdy je nutné provádět měření bezkontaktním způsobem (například vysoké proudy v napájecích sběrnicích nebo žilách kabelů nebo měření rychlosti rotujících mechanismů na těžko dostupných místech) [10 ];
• Piezoelektrické snímače využívají piezoelektrický jev, ke kterému dochází u některých krystalů, když se na opačné straně, než je aplikovaná mechanická síla, generuje elektrický náboj úměrný velikosti síly. Zařízení tohoto typu jsou klasifikována jako aktivní snímače [11];
• Tenzometry také převádějí velikost deformace na elektrický signál a jsou to odporové prvky, jejichž elektrický odpor se mění při roztažení nebo stlačení, to znamená, že jde o senzory parametrického typu. Tenzometry se používají především v zařízeních pro měření působící síly nebo stanovení hmotnosti [11] ;
• Senzory z optických vláken. Obecným principem takových zařízení je, že světlo z laseru (nejčastěji jednovidového vláknového laseru) nebo superluminiscenčního optického zdroje je přenášeno optickým vláknem, přičemž dochází k nepatrné změně parametrů světla ve vláknu nebo v jednom resp. více Braggových mřížek pod vlivem teploty nebo mechanického namáhání. Ve srovnání s jinými typy senzorů mají senzory z optických vláken následující výhody:
  • snímače se skládají z elektricky nevodivých materiálů (nevyžadují elektrické kabely), což umožňuje jejich použití např. v místech s vysokým elektrickým napětím;
  • senzory mohou být bezpečně používány ve výbušném prostředí, protože neexistuje riziko elektrického jiskry, i když se senzor porouchá;
  • senzory nejsou ovlivněny elektromagnetickým rušením (ani v blízkosti úderu blesku) a samy neelektrizují jiná zařízení;
  • senzory mohou být vyrobeny z chemicky inertních materiálů, což eliminuje znečištění životního prostředí a korozi senzorů;
  • Senzory mají velmi široký rozsah provozních teplot (mnohem větší než elektronická zařízení) [12].

  Kromě výše uvedených typů senzorů existují teplotní senzory pracující v oblasti infračerveného záření, detektory ionizujícího záření, analyzátory plynů, rádiové vlny a elektrochemické senzory.

  Schematické znázornění principu činnosti různých typů senzorů