Senzory a průmyslové trendy

Nejčtenější

Senzory se dají charakterizovat jako jakékoliv technické součásti jejichž funkcí je detekce konkrétních parametrů chemického a fyzikálního rázu anebo vlastností prostředí, přístrojů, či objektů. Jedná se o převodníky schopné transformovat energii. Reagují na vstupní fyzikální podněty a ty poté převádí na elektrické signály předávající zjištěné informace prostřednictvím elektronických obvodů, anebo na vizuální zobrazení, kterým poté smysluplnou interpretaci propůjčuje operátor, nebo elektronické zařízení. Nefungují tak jako samostatná jednotka, ale jsou součástí systému sběru dat. V mnohém mohou připomínat smyslové orgány živých tvorů s tou výhodou, že dokáží pracovat s citlivostí daleko přesahující jejich možnosti. Své primární místo nachází logicky v otázce bezpečnosti strojů a lidí, kteří je obsluhují. 

Pro česko-jazyčného našince mohou být některé snahy o přesné definice senzoru lehce matoucí. Čeština má pro výraz „senzor“ zavedené jako jeho ekvivalenty pojmy „snímač“ anebo „detektor“. Technicky se ale o senzorech mluví spíše v případech přístrojů určených ke kontinuálnímu sledování a vyhodnocování okolního prostředí. Detektory se liší tím, že se aktivují pouze jednorázově vyhlášením poplachu ve chvíli dosažení mimořádných výsledků. Slovníky spisovné češtiny také uvádí ke slovům „senzor“, „detektor“ a „snímač“ jako synonymum „čidlo“. Ze schématu klasického senzoru je ale jasné, že čidlo je pouze jeho součástí, i když tou nejdůležitější. Tento základní stavební prvek představuje vstupní část celého systému. Jeho vlastnosti jsou citlivé na snímanou fyzikální veličinu pocházející z okolního prostředí, se kterým je v přímém styku. Slovo „čidlo“ je proto přesnější zaměnit například výrazem „sonda“. V případě schématu inteligentního senzoru sonda zjištěné hodnoty předává dál elektrickými obvody vně senzoru do A/D převodníku, jenž má na starosti převod spojitého (analogového) signálu na signál diskrétní (digitální), ten zpracuje mikroprocesor a výsledné informace ve finále předá komunikačnímu rozhraní, díky čemuž dokáží fyzický svět přenášet a transformovat do digitálních realit. 

Jak se vyznat v senzorech v praxi?

Pro nejsnadnější orientaci v jejich funkcích by se daly prvně rozdělit na dva základní druhy. Prvním by byly pasivní senzory generující elektrické signály v reakci na vnější podněty bez potřeby dalšího zdroje energie. Aktivní senzory naopak ke své činnosti externí napájení vyžadují. Rozsah měřitelných a detekovatelných atributů mají velmi široký, rozmanitý záběr, a proto se dají najít v takřka všech elektronických zařízeních. Vyhovujícího dělení by se dalo dosáhnout i dle fyzikálních jevů na fyzikálně chemické, termoelektrické, magnetoelektrické, radiační, nebo piezoelektrické. Podle vstupních sledovaných veličin by to byly termické, mechanické, elektrické, optické, magnetické, akustické, optické, hydraulické, chemické, biologické, jaderné a další. Vzájemné rozdílnosti dosahují i dle druhu výstupního signálu, který může být analogový, digitální, impulzní, frekvenční (kmitočtový). Z hlediska svého vývoje vznikly tři generační kategorie. První generace využívá pouze základních fyzikálních jevů, druhá pracovala na bázi polovodičů a o třetí se mluví jako o mikroelektronické/inteligentní generaci. Různí se i ve formě sběru dat a stykem s pozorovaným objektem na bezdotykové (proximitní), dotykové (taktilní) a nitrotělní (invazní), anebo typem provedení na diskrétní, hybridní a integrované.

Dělení senzorů dle snímaných veličin

Zařazením podle snímaných veličin se dá nejlépe vykreslit jejich praktické využití. Třída čerpající z akustiky, zvuku a vibrací zahrnuje mikrofon. Na něm se dá nejlépe pochopit, jak senzory pracují s transformací vnějších vstupů (zvuku) na elektrický signál předávající tuto nabytou informaci dalším zařízením (hudební aparatuře), která jej dokáže svým prostřednictvím (svou interpretací z reprobeden) předat srozumitelně ven (posluchači).  

Tepelné senzory

Jedno z nejběžněji známých odvětví se zabývá sledováním teplot v předmětech, tekutinách, nebo i v živých tvorech. Kromě běžných teploměrů do této skupiny patří například pyrometry měřící teploty vzdálených objektů, kalorimetry měřící teplo vznikající při chemických reakcích. Zahrnout by se sem daly i pokročilejší detektory tepelného (infračerveného) záření zvané bolometry, pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty jeho čidla v důsledku absorpce záření. Uplatňují se v pro náročné bezkontaktní měření v případech, kdy není možné použít pyroelektrické detektory nebo infratermočlánky. Bolometry se často umísťují do matic i v počtech tisíců kusů ve formě integrovaných obvodů, které dohromady tvoří tzv. mikrobolometry, jejichž znásobené možnosti se dají využít u termovizí k infračervenému snímání obrazu předmětů s následnou schopností měření a detekce jejich teploty. Mezi zásadní funkce pro jejich reálné využití v praxi je především rychlost výsledků v časové konstantě až 1 ms, enormní citlivost, a přitom i velký teplotní rozsah senzorů.

Mechanické a elektrické senzory

Další širokou skupinou jsou mechanické senzory věnující se zjednodušeně řečeno především sledování informací souvisejících s aktivitami těla včetně jeho polohy (výškoměry měřící výšku objektu od země), síly, tlaku (tlakové senzory a barometry), zrychlení (akcelometry měřící i vibrace a otřesy), napětí a deformace. K těm, které se přímo neváží na tělesné funkce, by se daly zařadit senzory průtoku, směru a rychlosti plynu, anebo snímače průtoku kapaliny. Evergreeny jako voltmetr, ampérmetr, ohmmetr a galvanometr pochází z řady elektrických senzorů. 

Barometr – ilustrační obrázek

Optické senzory

Optické typy převádějí na elektronický signál celé spektrum světelných paprsků. Detekují elektromagnetické záření nebo jeho změny od infračervených až po ultrafialové vlnové délky. Své uplatnění proto nachází v mnohých průmyslových aplikacích těžících ze zářivé energie a možnosti nastavení jasu a intenzity. Například v lampách automaticky se spínajících v reakci na tmu, které byly běžnou součástí výrobních i veřejných prostor dávno před energetickou krizí. Notoricky známé jsou kvůli chytrým telefonům, kde se používají k úpravě jasu obrazovky, anebo díky chytrým hodinkám, kde se využívají pro měření tlaku nositele. Celý článek by se mohl věnovat nezbytností provozů usilujících o automatizaci – polohovým senzorům, detekujícím polohy objektů nebo jejich posunutí z hlediska lineárního pohybu, úhlu natočení anebo trojrozměrného prostoru. Mezi ně patří laserový Dopplerův vibrometr (vědecký přístroj, který se používá k bezkontaktnímu měření vibrací povrchu odraženým laserového paprsku), senzor přiblížení (schopný bezkontaktní detekce blízkých objektů). Jejich nepostradatelnost se nedá opomenout ani v lékařských technologií, ukázaly se totiž jako vhodná platforma pro monitorování zdravotních parametrů personalizovaným způsobem a již pár let jsou považovány za milník na poli diagnostiky a léčby rakoviny díky jejich abilitě sbírat údaje fluorescenčního záření, jehož změny a odchylky u pozorovaného objektu mohou být kvantitativně spojeny s přítomností nebo nepřítomností cílového analytu. 

Biosenzory

Tyto nástroje určené pro analýzu vzorků biomateriálů za účelem zkoumání jejich biologického složení, struktury a funkce jsou dalším důležitým zástupcem v lékařství. Imunosenzory měří za pomoci tělesných protilátek imunochemické reakce. Dalšími hojně zastoupenými odvětvími jsou bioreaktory, zemědělství, těžbě, vojenském průmyslu, průmyslové odpadní vody, kontrola kvality, řízení procesů a diagnostika bakteriálního a virového charakteru. Kromě vyloženě čistých „bio rozborů“ umí magnetické biosenzory měřit i změny magnetických vlastností magneticky indukovaných jevů. Termometrické senzory snímají změny teplot roztoků způsobenou enzymatickými reakcemi vložením analytu a amperometrické měří proudy způsobené oxidací nebo redukcí elekroaktivních látek. Jednotlivé typy snímačů v sobě kombinuje funkcí více jako v případě optického biosenzoru, jenž měří interakci zorného pole s biorozpoznávacím snímacím prvkem.

Chemické senzory

Chemické senzory jsou prakticky na stejné bázi jako biologické s tím rozdílem, že se věnují namísto biologickým materiálům chemickým sloučeninám, jejichž druh odpovídá šíři praktické oblasti uplatnění. V této otázce do nejpřímočařejších spadá kyslíkový senzor, detektor oxidu uhličitého, alkohol tester. O něco složitější je holografický senzor schopný detekce specifických molekul a metabolitů, tranzistor s chemickým polem určuje chemické koncentrace v roztocích, elektrochemický senzor plynu měří koncentraci cílového plynu oxidací a měřením výsledného proudu a iontově selektivní elektroda zase převádí aktivitu specifického iontu rozpuštěného v roztoku na elektrický potenciál.

Alkohol tester – ilustrační obrázek

Trendy v průmyslové senzorice

Nejnovější trendy zdařile reflektuje soutěž společností Sensors Converge a Fierce Electronics s názvem Best of Sensors Awards pořádané již více než dvě desetiletí. Za cíl si klade ocenění a podporu nejlepších a nejtransformativnějších senzorových technologií, ekosystémů, lidí a společností. Z kategorie letectví a kosmonautiky si prvenství odnesla společnost iniVation za svůj Dynamic Vision Sensor (DVS). DVS je první neuromorfní (napodobující lidské vnímání; mozek) technologií, která se dostala až na orbit. Kombinuje v sobě senzorové a software technologie umožňující strojům vidět jako lidé. Iniciační senzory přenáší pouze změny na úrovni pixelů v mikrosekundovém časovém rozlišení. Svou funkcí imituje vysokorychlostní kameře s tisíci snímky za sekundu s mnohem menším množstvím dat. 

Ubicell streetlight controller od společnosti Ubicquia zase exceloval v oboru průmyslového internetu věcí. Momentálně by měl představovat jeden z nejpokročilejších a nejspolehlivějších ovladačů pouličního osvětlení dosahující výrazného šetření nákladů na instalace, provoz, údržbu a sítě. Za cenu tradičních ovladačů se jim podařilo integrovat monitorování kritických veřejných služeb, služby založené na poloze a připojení senzorů pro chytrá města.

Ve sféře průmyslových senzorů se prosadil Dobíjecí SuperTag od Link Labs, jemuž se podařilo spojit pět různých technologií do jediného kompaktního, energeticky účinného zařízení. GPS/GNSS pro globální sledování polohy, určování polohy pomocí Wi-Fi, identifikaci polohy buňky opírající se o sílu signálu z nejbližší mobilní věže, Position Over LTE (POLTE) umožňující triangulaci mobilní věže a kombinování přesnosti GPS/GNSS s nízkou spotřebou energie při určování polohy pomocí Cell ID a to jak v interiéru, tak v exteriéru a AirFinder Indoor Positioning Network fungující jako vnitřní holistický sledovací systém nezávisle na Wi-Fi a IT infrastruktuře.

Rozvoj se dá předpokládat v oblasti plynových senzorů zastupujících další širokou skupinu určenou pro bezpečnost, monitorování životního prostředí, kvalitu vnitřního ovzduší, elektrická vozidla, dechovou diagnostiku a další. Uvedením do procesu rozsáhlé senzorové sítě, integrované do sítě domácností by se dalo dosáhnout dokonalejší automatizace a prediktivní údržby prostřednictvím neustálého sledování všemožných parametrů kvalit vzduchu, které mohou zahrnovat kromě informací týkajících se obecným znečištěním pevnými částicemi, či změnami klimatu i varování spojených s odhalením virových nebo bakteriálních onemocnění. Sofistikované zařízení budoucnosti by mohlo upozornit na zvýšené riziko nákazy přenosného onemocnění a zahájit tak další opatření. Výhodou senzorů je jejich multifunkční uplatnění. Aplikace původně určené pro průmysl velmi rychle najdou uplatnění v běžném životě, který mají schopnost dělat výrazně bezpečnější a kvalitnější.

Přihlašte se k odběru a už Vám nic neunikne!

  • Každý týden přinášíme nejzásadnější zprávy z průmyslu, které by neměli uniknout váší pozornosti.

Nepřehlédněte

Více článků