传感器

电机市场火热,给传感器带来新需求

2019-05-23 来源:EEWORLD

随着智能制造技术的不断提升,作为整个工业的核心电机技术来讲,也迎来了新机遇。但是我们应当清晰的认识到,目前我国电机行业仍存在着诸多不足,具体而言,包括智能化力度不够、品质参差不齐、维修维护成本过高等。

 

大部分电机厂商都有意愿升级改造自己的产品,使之具有更多的差异化。如今,随着传感器价格的不断下降,设计也变得更为简单,业界开始越来越多地探讨如何给更多电机加入传感器,使其具有更多智能化因素,以满足行业差异化需求。

 

本篇文章以几种常见的传感器为例,探讨该如何利用小小的传感器为电机行业带来新的变革。

 

电机编码传感器介绍

 

电机编码传感器是用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速的一种传感器,主要包括非接触式和接触式两种类型。其中接触式传感器由于电机运行过程中的机械轴振动而容易造成失效,如今已逐步被非接触式所替代。

 

对于非接触式传感来说,又可以利用光和磁两种方式。

 

光电式编码器:光电式编码器通过光电转换,可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。

 

然而光编由于其特性,并不适合在恶劣环境下工作,易受灰尘等外部环境的影响,使用寿命有限。

 

磁传感器则可更有效率地避免外部环境干扰。

 

磁和光一样,都是具有悠久历史的学科,不过直到近代,电和磁的认知相结合后,才有了进一步发展。当然我们也清楚,电机的运转就是电磁学的具体体现。

 

目前,无刷直流电机应用中多数会采用了霍尔传感器作为主要的传感器。

 

霍尔传感器与霍尔效应

 

霍尔效应是在1879年被物理学家霍尔发现,它定义了磁场和感应电压之间的关系,这种效应和传统的电磁感应完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力,从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。根据霍尔效应做成的霍尔器件,就是以磁场为工作媒体,将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出,使之具备传感和开关的功能。

 


磁阻效应与磁阻传感器

 

霍尔传感器本身容易受应力和温度影响、响应频率低以及功耗大的缺点,同时精度一般都在5°至10°之间。为了实现更平滑、更高效的电机响应,减少扭矩波动,需要更精确的电机角度信息,这时就需要更为精确的磁阻传感器。


 

 

磁阻效应发现时间为1857 年,比霍尔效应发现时间还早,是由Lord Kelvin 所发现,他将一个铁块放在磁场中,注意到铁块的电阻发生了微弱变化,由此发现了磁阻效应。

 

虽然磁阻效应发现较早,但技术依然年轻,只在近期得到了商业化。100 多年后的 1971 年,才由 Hunt 第一次提出了磁阻 (MR) 传感器的概念。又经过 20 年,到了 1991 年,IBM 公司在硬盘驱动器中引入了第一个 MR 头,使用一条磁阻材料来检测位数。此前,MR 传感器只是用于要求不高的价格标签和标记阅读器(只读)及磁带应用中(1985 年)。

 

磁阻传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为Vb,电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时,两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动,这两个电阻的阻值会增加;而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动,该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号,可以得到外界磁场值。

 

磁阻传感器可以在硅片上大量生产,并封装成商用集成电路形式,这使得其可以和其他电路及系统元件组合在一起。

 

 

 

磁阻传感器除了电机应用之外,还可以应用在各种位置、距离、开关等应用中。

 

TE的磁阻传感器介绍

 

作为传感器主要供应商之一的TE Connectivity,供应多种磁阻传感器,其中包括低磁场传感器, 磁性开关传感器, 磁性角度传感器, 磁性线性位移传感器,非接触式旋转和线性编码器等。

 

 

 

TE拥有自己的晶圆厂,可批量制造标准的磁阻传感器元件,此外凭借着TE多年来在机械及电路结构上的优势,还可以为客户定制传感器模块。

 

TE的磁阻传感器究竟有哪些好处?我们可以通过其最新推出的KMT32B磁阻传感器的特性一探究竟。

 

该产品具有高精度和高分辨率(典型值0.05°,最大0.2°);低功耗(典型工作电压 5V,典型平均电流1.6mA);同时提供SO8, TDFN两种封装,方便客户进行表面贴装;支持-40℃至150℃的工作环境,满足各类严苛要求;符合AEC-Q100车规认证;具有自我故障诊断等智能功能;高性能模拟输出,支持后端高性能处理等优势。

 

正是因为TE产品在品质和性能上具有优势,因此可应用在诸如工业机械、医疗及机器人等高精尖的严苛场景,极大丰富了磁阻传感器的使用范围。

 

温度传感器及其应用

 

作为密闭空间,电机中必须使用温度传感器,以监测电机温度,避免温升过高从而对电机造成破坏。


温度传感器的种类非常丰富,最主要的就是满足不同应用场合需求,为此,TE提供了包括NTC热敏电阻、热电偶、铂电阻温度传感器、热电堆和数字传感器等多种高精度、小尺寸、高绝缘耐压性的温度传感器。


TE指出在选择要使用的传感技术类型时,不应将传感器元件的成本作为主要考虑因素。每种类型(NTC、RTD、热电偶或半导体)都有其优点和缺点。在每种技术中,与精确度、稳定性、温度范围和环境阻力等传感器特征相关的成本范围很广。


 

TE认为温度传感器设计参与的最佳时机是在产品概念期间。温度传感器设计的一个有趣特性是它跨多个工程领域,电气工程师通常参与指定传感器的电气特性以及与电气系统的接口。机械工程师通常负责热模拟以及将传感器物理集成到设备设计中。设计时是由机械工程师还是电气工程师参与,各公司情况不同。除非公司规模较大,否则通常不会有来自两个领域的工程师同时参与。TE的设计工程团队涵盖了这两个领域,为客户提供跨整个系统设计的全面支持。


TE建议温度传感器设计要趁早。根据TE官方提供的一个案例,多年前公司与大型计算机制造商合作时,温度探头被纳入制造商的设计中。探头设计由制造商提供,该应用要求两个热敏电阻暴露在塑料管末端,尽管TE提供了符合制造商规格的热敏电阻,但是在产品发布过程中发现探头存在设计问题。暴露的热敏电阻受到损坏。此热敏电阻设计问题阻碍了数十亿美元产品的发布。为此,TE和客户进行沟通,才知道客户并没有提出将探头放在保护套内之类的要求,实际上如果TE提前了解产品的设计和应用限制,就可以设计出更合适的温度传感器。


振动传感器与预测性维护


预测性维护是对固定资产投入最好的保障,通过将状态监测与故障模式的动态预测模型相结合,可以最大限度地保护机器寿命并降低生产力影响,而不必进行停机维修或检查,从而减少维护时间和成本。


对于预测性维护来说,最复杂的就是通过测量到的声音、温度及振动物理量进行分析,而对于电机这类运动设备,振动是其最基础的状态参数。


一切分析的前提是所有数据都是准确可靠的,并且噪音越小越好,只有这样才能保证后期的分析高效且准确,这就给传感器提出了更多要求。对于工业状态监测和预见性维护应用,以下振动规范参数对于确保长期、可靠、稳定和准确的性能至关重要。其中包括:宽频率响应、测量分辨率和动态范围、长期稳定性,偏移最小、工作温度范围、包装选项,易于安装、传感器输出选项等。


过去,加速度传感器主要用于重型高端机械,例如风车、工业泵、压缩机和暖通空调系统。随着自动化程度的提高,对大批量、更小型系统(例如需要更好的预见性维护的机床主轴、传送带、分拣台或机床)的需求不断增加。在客户体验和盈利能力方面,这些应用中的机器停工期是一个关键考虑因素。在数字化工业转型的推动下,我们看到对大批量和更小型机械的传感器需求日益增长。


一般来说,振动传感器根据原理不同分为压电振动传感器和可变电容振动传感器(MEMS传感器),二者的关键参数比对如下图。


 

为了一探传感器的性能指标,TE进行了一次严苛测评,分别选取了三个压电振动传感器和三个MEMS传感器。


实际结果说明,在宽频率响应测试下,MEMS传感器的可用带宽为 3KHz,而压电传感器具有一个大于 10KHz 的可用带宽。而对于分辨率来说,PE传感器的分辨率约高出MEMS传感器 9 倍,更高的分辨率带来更好的动态范围,使最终用户能够在更早的阶段检测潜在的问题。


在长期信号稳定性方面,长期漂移参数也将取决于所用的晶体配方,因此难以呈现实际值。石英材料的PE加速度计具有最佳的长期稳定性,但受产量和成本限制,极少用于状态监测中。PZT (锆钛酸铅-锆酸盐) 晶体是 PE 加速度计中最常用的晶体,并且正日益成为大多数应用的理想晶体选择。对于MEMS来说,虽然体硅微加工 MEMS 传感器具有最佳的长期漂移,但其成本也明显更为昂贵,因此通常只用于惯性应用中。针对状态监测,MEMS供应商提供了一种表面微加工 VC MEMS 传感器,这类传感器的成本虽然要便宜得多,但最终用户将无法获得较好的测量分辨率和长期稳定性。表面微加工设计的 MEMS 结构不如体硅微加工的 MEMS 传感器稳定。


这两种技术各有优劣,具体取决于最终应用。在工业状态监测和预测性维护应用中,压电传感器是显而易见的选择,由于其成熟的技术,它们可长期稳定地保持可靠性。凭借其宽频率响应,嵌入式 PE 加速度计是从低速到高速机械的理想选择,它们还可为早期故障检测提供更好的信号分辨率。


速度传感器


对于速度传感器来说,同样有多种分类,TE 开发了6 个技术平台:基于有源涡电流、无源涡电流、霍尔效应或可变磁阻原理以及转速计和诊断系统的速度传感器,以适用于不同应用。


TE的速度传感器具有多项特性,其中包括:

丰富的产品组合

针对以下项的标准或定制执行:汽车和商用车辆涡轮增压器、大型柴油和汽油发动机、铁路、发电、液力、危险区域、航空航天以及各种工业应用

设计面向广泛温度范围:-40°C 到 300°C(峰值)

一个外壳中有多个通道,例如可用于独立监控、控制系统和冗余稳固可靠的电气设计,可承受 EMC 和 EMI 干扰

具有温度和传感器诊断功能的可配置智能电子元件

设计适合铁磁目标物以及铝质和钛质等低导性目标物

可定制外壳采用铁质、重叠注塑热固材料和热塑性材料

可定制光缆组件和连接器类型


总结:


从盘点电机传感器种类上,我们清晰地看到,根据应用和技术分类不同,就有如此丰富多彩的传感器组合,这当然给客户带来了灵活性的选择时,同时也给客户选型带来了一些困难。


为此,TE建议在设计初级阶段就应进行传感器的设计选型,从性能、价格、使用途径、尺寸、温度特性、可扩展性等多方面进行探讨,当然也可以提前联系诸如TE这样类型的电机传感器领域专家,从而让电机传感器设计更加简单,产品更加智能化,重要的是量产实施也会更加顺畅。


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