Wykrywanie obecności obiektów, ich położenia, ruchu, cech i parametrów pracy to najczęstsze zadania pomiarowe w automatyce. Ich realizacją zajmują się czujniki zbliżeniowe i optyczne zaimplementowane w maszynach lub na liniach produkcyjnych, a także stanowiące element układów kontroli poziomu lub systemów bezpieczeństwa.

Popularne rodzaje czujników zbliżeniowych

Do sensorów najczęściej stosowanych w automatyce przemysłowej należą czujniki zbliżeniowe. Śmiało można stwierdzić, że są one podstawowym, a jednocześnie nieodzownym elementem automatyzacji i kontroli produkcji. Ich głównym zadaniem jest wykrywanie i sygnalizowanie obecności obiektu oraz bezdotykowe rejestrowanie jego podstawowych cech. W grupie tych produktów można z kolei wyróżnić czujniki pojemnościowe, magnetyczne, fotoelektryczne, ultradźwiękowe, radarowe, termiczne czy refleksyjne.

Najbardziej rozpowszechnionym rodzajem czujników zbliżeniowych są wersje indukcyjne. Stosuje się je głównie do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami. Reagują na wprowadzanie metalu (dowolnego rodzaju) w strefę czułości. Charakteryzują się wysoką precyzją i niezawodnością oraz dużą trwałością użytkową i odpornością na trudne warunki pracy.

Czujniki indukcyjne monitorują zmiany pola magnetycznego występujące na skutek pojawienia się obiektu metalicznego w pobliżu czoła sensora. Zasięg działania (tzw. strefa robocza) zależy od wielkości zastosowanego elementu detekcyjnego, tj. cewki. Zazwyczaj jest proporcjonalny do wymiarów czujnika, a konkretnie – do jego długości.

Innym popularnym rodzajem czujników zbliżeniowych są wersje pojemnościowe. Umożliwiają one detekcję obiektów ukrytych, np. w zbiorniku, kontenerze czy za osłoną. Wykorzystywane są również do kontroli poziomu napełnienia i zasilania mediami. Wykrywają różnego rodzaju materiały, takie jak płyny, metale, drewno, szkło lub tworzywa sztuczne, i rejestrują stany w procesach produkcji oraz kontroli końcowych. Są odporne na zakłócenia wywołane zarówno przez zanieczyszczenia pojawiające się w ich otoczeniu, jak i oddziaływanie elektromagnetyczne.

Zbliżeniowe czujniki fotoelektryczne

Stale rosnącą popularnością cieszą się także czujniki optyczne, a dokładniej fotoelektryczne, bo tak brzmi ich prawidłowa nazwa. Rozwój stosowanych w nich technologii pozwala na uzyskanie bardzo dobrych parametrów technicznych, dzięki czemu mogą skutecznie zastąpić czujniki pojemnościowe lub indukcyjne, a w wielu aplikacjach okazują się wręcz niezastąpione.

Czujniki fotoelektryczne wykorzystują elektroniczne detektory światła i emitery wiązek świetlnych do wykrywania obecności obiektów w określonym obszarze. Ich działanie opiera się nie na zmianach pola, jak w przypadku czujników indukcyjnych, ale na transmisji energii.

Ze względu na mechanizm działania czujniki fotoelektryczne dzieli się na kilka kategorii: odbiciowe, refleksyjne, bariery (czujniki obszaru), światłowodowe, luminescencyjne, szczelinowe i analogowe. Stosowane są głównie do detekcji obiektów na liniach produkcyjnych oraz elementów ruchomych: manipulatorów, robotów, paletyzatorów i różnych części maszyn. Służą również do zliczania i określania pozycji przedmiotów, ich wymiarów i innych cech fizycznych, a także do określania poziomów materiałów sypkich oraz cieczy.

Nowa konstrukcja do nowych zadań

Czujniki zbliżeniowe, chociaż powszechnie stosowane, stanowią jedynie niewielką część sensorów wykorzystywanych w rozwiązaniach przemysłowych. Ich rosnące znaczenie w dobie czwartej rewolucji przemysłowej sprawia, że powstają coraz to nowe typy i konstrukcje odpowiadające wymogom stawianym przez Internet rzeczy i Przemysł 4.0. Śmiało można stwierdzić, że systemy czujników są dziś podstawowym elementem rozwiązań stosowanych w inteligentnych fabrykach. Kompaktowe konstrukcje sensorów instalowane są w maszynach, ale także w wytwarzanych produktach, pozwalając na organizację i monitorowanie procesów produkcyjnych.

Wszystkie tradycyjne czujniki przemysłowe działają w gruncie rzeczy na podobnej zasadzie: rejestrują fizyczne parametry i przekazują je do systemu sterowania maszyną. Jednak Przemysł 4.0 stawia przed czujnikami dodatkowe zadania: mają one nie tylko zbierać informacje, ale też wymieniać się nimi między sobą. Możliwe to będzie tylko wtedy, gdy czujniki zostaną wyposażone w odpowiednie kanały komunikacji. Konstruktorzy montują zatem w nich układy przetwarzające mierzoną wielkość oraz umożliwiające tworzenie wielkich bezprzewodowych sieci sensorów. Inteligentny czujnik musi być wyposażony w mikroprocesor lub mikrokontroler oraz interfejs komunikacyjny umożliwiający dwukierunkową bezprzewodową wymianę informacji (wykorzystuje się tu różne dostępne technologie: sieci GSM, ISM, radiowe lub podczerwień).

Mniejsze wymiary, więcej możliwości

Na konstrukcję nowoczesnych czujników znacząco wpływa wszechobecne dążenie do miniaturyzacji i poprawy efektywności energetycznej. Sensor powinien zajmować jak najmniej miejsca, a jednocześnie realizować coraz więcej funkcji. Małe wymiary czujników powodują zmniejszenie ich masy, co umożliwia redukcję całkowitego ciężaru instalacji i pozwala upakować więcej sensorów w maszynach. W ostatnich latach zauważalny jest szybki rozwój układów MEMS, czyli urządzeń łączących w sobie elementy mechaniczne i elektroniczne wykonane w skali mini, a nawet nano. Integracja elementów elektronicznych i mechanicznych w miniaturowej obudowie oznacza redukcję zużycia materiałów, małą wagę i mniejsze zużycie energii potrzebnej do ich zasilania.

Sam sposób zasilania inteligentnych czujników również ulega zmianie. Pierwszym krokiem było wykorzystanie zasilania bezprzewodowego, co równocześnie pozwoliło wyeliminować kosztowne i zajmujące dużo miejsca kable. Obecnie coraz częściej stosuje się technologię Energy Harvesting, czyli pozyskiwania energii elektrycznej z ogólnodostępnych źródeł (m.in. światła słonecznego, siły wiatru lub wody, energii cieplnej oraz biochemicznej, a także energii fal elektromagnetycznych lub wibracji). Tego rodzaju źródła zasilania mają wiele zalet, w tym przede wszystkim bezobsługowość i bezpieczeństwo użytkowania.

Czwarta rewolucja przemysłowa opierać się będzie na inteligentnych czujnikach, które oprócz dotychczasowych funkcji pomiarowych będą łączyć maszyny i urządzenia w sieci cyberfizyczne funkcjonujące w ramach Internetu Rzeczy i chmur obliczeniowych. Aby sprostać nowym zadaniom, konstrukcje czujników muszą być coraz bardziej złożone, a jednocześnie kompaktowe i energooszczędne.