無論物聯網(IoT)是否會發展成像宣傳的那樣,這個概念都已經深入人心了。各種提案層出不窮,從「萬物聯網」(Internet of Everything)到一些更加專業的概念,如工業網際網路。工業物聯網(IIoT)一詞最先是由電子巨擘通用電氣(GE)公司提出,如今已被普遍理解為使用感測器網路和機器對機器(M2M)通訊的工業環境自動化。

市場分析公司Nano Markets在2014年11月發表的《工業網際網路的感測器市場》(Markets for Sensors in the Industrial Internet)報告中,已經將工廠自動化、建築物自動化、智慧電網與公共運輸等列為工業網際網路的應用,並預測到2019年以前這一領域每年耗用的感測器將超過200億美元。

根據VDC Research的《2014年工業自動化和感測器策略觀察》(2014 Strategic Insights for Industrial Automation and Sensors)報告指出,未來的技術人員和維護人員將越來越依賴強大的平板電腦收集和處理來自工業機械中整合的感測器資訊。VDC還估計到2018年,全球僅定位感測器市場就將超過80億美元。

![20160307_AvnetAbacu_NT31P1](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/5dzFmVfYeIEgyoOiik2K4s/7a598e9029cffee09f22d3cf09047788/20160307_AvnetAbacu_NT31P1.jpg)
VDC估計,全球定位感測器市場將在2018年突破80億美元的市場規模

工業感測應用

使用電位計、光學、磁力、霍爾效應、磁阻和電感等技術都可以實現定位檢測。市場上有各種不同的電感式感測器,包括能夠測量位移和位置的線性和旋轉可變差動變壓器(LVDT/RVDT)。

電感式感測器的體積非常小,而且不需要使用電路,因此非常適合諸如渦輪氣閥、軍事和航空設備以及部署於惡劣環境中的工業製程控制器等應用。

另外,具有內建預校準訊號調節功能的LVDT和RVDT有助於簡化外部電路和系統整合。可相容的控制與儀表模組則可進一步簡化設計,加速產品上市時程。

另一方面,光學-微型感測器是非接觸式光學近接或定位檢測應用的理想選擇。市場上的這種感測器有各式各樣的配置,例如具備或不具備致動器,或是提供客製致動器的安裝點。

此外,還有其它多種選項可以用來滿足不同的要求,例如帶有原始光電電晶體輸出或內建放大器的感測器、採用螺絲或推合安裝的、透過PCB接腳或微型纜線連接器實現電氣連接的,以及提供light-ON/dark-ON開關極性的感測器等等。另外,設備設計師還必須選擇孔徑大小和檢測距離來滿足目標應用的需求。

濁度測量是光學感測技術的另一項有趣應用,因為它可以用來量化液體中懸浮的固體微粒。這些應用包括控制各種工業過程,如釀造、裝瓶、製藥生產、淨化或在水產養殖中用於監控海水品質或研究水生動物的棲息環境。

透過觀察液體以及測量模糊光源所需的液體深度,即可量化濁度指標。濁度單位可以使用Jackson Turbidity Units(JTU)或Nephelometric Turbidity Unit(NTU)來表示,在此用例以JTU表示濁度。NTU則是一種更加現代的測量方法,它使用沿光源佈置的檢測器來評估被液體中的小顆粒散射的光線。

濁度表結合了一個或多個感測器、資料擷取和使用者介面子系統,市場上有各式各樣的類型,如實驗室使用的掌上型或桌上型儀表,或用於廠房和製程等應用的內建儀表等。

下圖顯示整合型光學濁度感測器和溫度檢測模組,使用光電電晶體和二極體測量光線在液體樣本中的傳輸。這種基本的感測器非常適於家用電器,並且有助於降低能耗,如檢測衣服何時乾淨,從而縮短洗衣時間。

![20160307_AvnetAbacu_NT31P2](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/1DwlrmemOEmoa8g0MUIM82/b0a927f69ea78a3412ee20bad1a381e4/20160307_AvnetAbacu_NT31P2.jpg)
整合型光學濁度感測器和溫度檢測模組,使用光電電晶體和二極體測量光線在樣本液體中的傳輸

(下一頁繼續:建築物自動化中的感測器) {pagination}

對於溫度感測來說,熱敏電阻被公認是非常可靠和穩健的方法,提供適合工業、HVAC、醫療、軍事/航空等應用的各種溫度範圍。封裝和連接類型都是很重要的標準,有助於簡化設備的設計。舉例來說,管箝探棒可以直接安裝在熱水管的外面,從而讓設備設計師免於安裝插入式探棒所需的鑽孔和密封等代價昂費的步驟。這些探棒非常方便使用,不需要購買或設計獨立的安裝夾具。設計師還能為各種應用選擇外螺紋探棒或模組式探棒,或者為諸如鍋爐等設備中的浸潤式監測選擇內螺紋探棒。另外,採用晶片封裝、陶瓷或玻璃封裝的板載溫度感測器支援在控制模組外殼內完整地實現局部溫度檢測,並有助於減省至外部感測器的連接。

檢查工廠設備的維護人員可能經常要尋找異常振動的證據,以便檢測在軸承等元件中的過度磨損情況。振動可以用壓容感測器進行測量,這種感測器顯示的電容變化與施加於其上的加加速度值成正比。標稱電容一般是幾百皮法拉(pF),而電荷靈敏度範圍大約從幾fC/ms-2(毫微微庫侖每公尺每秒平方)級到幾十fC/ms-2左右。壓容感測器經常被封裝為微型的晶片級板載元件,能夠提供相對於電路板約0°、25°或 90°的角度檢測結果。

這些感測器也可用於為電腦硬碟驅動器提供掉落保護。除了掉落感測器外,還有兩個正交放置的感測器可以用來產生監測馬達旋轉振動的差分訊號。它們還被用於供應鏈應用中,例如記錄設備或產品在運輸過程中遭受的撞擊。

![20160307_AvnetAbacu_NT31P3](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/1ZCLiUXxeAGSSqOIOQSmMM/82a61496606963f4cb4f3d0fd6fa13fd/20160307_AvnetAbacu_NT31P3.jpg)

面板安裝型的振動感測器是一種IP67標準的元件,可作為晶片級感測器的替代產品,也能用於敏感性設備中的安全保護系統。當發生地震等天災或檢測到其它意外衝擊時,這些感測器可用於緊急關斷電源。面板安裝感測器也是傾斜偵測應用的理想選擇,可在遊戲機、自動販賣機或智慧型儀表中用於防止篡改資料或惡意破壞。

工業中的安全系統可能採用壓力感測器來實現各種目的,如限壓氣閥或煤氣洩漏檢測應用等各種目的。可靠的連網壓力感測器對於煤氣供應公司來說也很有價值,可在基礎設施設備和智慧型儀器表中使用。

使用電容檢測技術的固態壓力開關是工業應用和智慧計量應用的理想選擇,還可用於連續正氣壓(CPAP)裝置和人工呼吸機等醫療設備中。使用MEMS檢測技術的設備提供了另一種途徑,它們具有寬壓檢測範圍以及低供電電流等優勢。

建築物自動化中的感測器

智慧建築是工業網際網路的另一方面,有助於減少溫室氣體排放和水電氣費用,同時降低維護成本,為使用者維持一個更加舒適的環境。據國際能源總署(IEA)估計,全球住宅和商業大樓中的電氣照明耗電量佔總發電量約20%,預計在2030年以前每年節省的電量有望超過2.4EJ。

隨著技術人員致力於降低能耗,新的建築物方案正積極推廣使用天然光源,最大限度地減少對電氣照明的依賴。照明系統的自動調光技術可以確保僅以最少量的電氣照明用於「補充」日光,並保持恆定的照度,從而實現最大可能的節能效果。光譜響應性能類似於人眼的環境光感測器非常適合於用來控制電子調光,並能安裝在開關等便利的單元或燈具本身之中。

在無人區域完全關閉燈光可以達到顯著的節能效果,不過這並不是什麼新的主意。在燈的開關旁邊張貼標籤、提醒用戶隨時關燈是我們相當熟悉的做法,但在有人區域的「在場」(Occupancy)感測器可以提供更加經濟更加有效的方法。被動式紅外線(PIR)感測器可以透過檢測人體熱量可靠地偵測到是否有人,內建放大器和數位輸出可直接連接主要的微控制器,因此能夠整合於智慧建築物網路。對於以電池供電的無線模組中所用的感測器來說,低功耗是必需考慮的一個因素。

「在場」偵測技術還可以用來改善暖氣與通風系統的控制。雖然即時調整可以顯著節省能耗,但居住者可能不被允許手動調整HVAC設定參數。採用掛牆或管道安裝方式的智慧二氧化碳(CO2)感測器可以根據建築物中各個區域的空氣品質測量結果提供通風調節訊號。智慧感測器有各種外形尺寸,包括緊湊的管道內感測器和極具吸引力的掛牆式感測器。

在HVAC系統中各個點測量得到的相對濕度可再進一步調節,以達到最高的舒適性和最佳的能效。濕度感測器的作業是透過測量諸如薄膜聚合物等敏感元件在吸收水蒸汽時的阻抗變化而實現的。

物聯網應用(特別是工業網際網路),正驅動整個工廠、建築物和智慧電網等基礎設施對於更加智慧的感測技術需求。如今市場上有種類廣泛的感測器,它們使用不同的技術,也有各種外形尺寸和封裝類型,均有助於簡化設計,最大限度地降低整合難度,並協助工程師以極具競爭力的價格為市場提供具有吸引力且易用的智慧感測裝置。

(參考原文: Sensor Choices Power Industrial Internet Innovation ,by Angelo Bosoni)