Slovníček senzorů: Komplexní průvodce senzorovou technologií

Definice a základní funkce

Senzor je zařízení navržené pro detekci konkrétní fyzikální veličiny—tzv. měřené veličiny (teplota, tlak, síla, posun, světlo, chemická koncentrace, zrychlení atd.)—a její převod na kvantifikovatelný a zpracovatelný signál. Senzory tvoří základ moderní automatizace, sběru dat a řídicích architektur, poskytují zpětnou vazbu v reálném čase nezbytnou pro regulaci a bezpečnost systémů.

Senzory jsou podmnožinou převodníků, zaměřených na měření a výstup signálu. Zatímco všechny senzory jsou převodníky (převádějí jednu formu energie na jinou), ne všechny převodníky jsou senzory. Výstupní signál senzoru je typicky elektrický—napětí, proud, odpor, kapacita nebo indukčnost—nebo podle aplikace pneumatický, optický či mechanický.

Senzory se vyvinuly od jednoduchých mechanických zařízení až po vysoce integrované mikroelektronické moduly, často s vestavěným zpracováním signálu, bezdrátovou komunikací a autodiagnostikou. Tento vývoj umožnil rozvoj chytrých senzorů a Internetu věcí (IoT), což přináší bezprecedentní úroveň automatizace a analytiky.

Principy fungování senzorů

Senzory pracují ve čtyřech hlavních stádiích:

1. Měřicí prvek: Přímo interaguje s měřenou veličinou. Volba materiálu a konstrukce je dána fyzikální veličinou, kterou je třeba měřit (např. termistory pro teplotu, piezoelektrické krystaly pro mechanické napětí).

2. Transdukce: Převádí fyzikální změnu na detekovatelný elektrický nebo optický signál. Může se jednat o změny odporu, kapacity, indukčnosti nebo generování napětí.

3. Úprava signálu: Zesiluje, filtruje, linearizuje a digitalizuje surový signál. Úprava může také kompenzovat teplotní drift, šum nebo nelinearitu. Mnoho moderních senzorů obsahuje mikrořadiče pro zpracování a komunikaci přímo na čipu.

4. Výstupní signál: Konečný upravený signál je předán pro měření, zobrazení nebo řízení. Výstupy mohou být analogové, digitální nebo bezdrátové.

Příklad: U tenzometru deformace mění odpor, který je detekován pomocí Wheatstoneova můstku. Výsledné malé napětí je zesíleno a kalibrováno pro přesné měření síly.

Klasifikace senzorů

Senzory lze klasifikovat podle několika kritérií:

Podle měřené fyzikální veličiny (měřené veličiny)

• Teplotní senzory: Termočlánky, odporové teploměry, termistory.
• Tlakové senzory: Tenzometrické, kapacitní, piezorezistivní, MEMS.
• Senzory posunu/polohy: LVDT, laserové, potenciometrické.
• Senzory síly/momentu: Tenzometry, piezoelektrické.
• Senzory hladiny: Ultrazvukové, kapacitní, plovákové.
• Senzory světla: Fotodiody, LDR.
• Senzory průtoku: Tepelné, elektromagnetické, Coriolisovy.
• Senzory zrychlení/vibrací: Akcelerometry, vibrační převodníky.
• Chemické senzory: pH, plyn, vlhkost, detekce biomolekul.

Podle principu snímání

• Rezistivní: Změny odporu (tenzometry, termistory).
• Kapacitní: Změny kapacity (senzory přiblížení, tlaku, vlhkosti).
• Induktivní: Změny indukčnosti (detekce kovů, posunu).
• Piezoelektrické: Napětí vznikající mechanickým namáháním.
• Optické: Přerušení, odraz, absorpce světla.
• Magnetické: Hallův jev, magnetorezistivní senzory.

Podle typu výstupního signálu

• Analogové: Spojitý výstup.
• Digitální: Diskrétní, binární nebo sériová data.

Podle režimu provozu

• Aktivní senzory: Vyžadují vnější napájení (odporové teploměry, termistory).
• Pasivní senzory: Generují vlastní signál (termočlánky, piezoelektrické senzory).

Podle průmyslových standardů

Kritické aplikace (letectví, automobilový průmysl, průmysl) se řídí standardy jako ICAO, ISO a SAE pro výkon senzorů, kalibraci a rozhraní.

Tlakové senzory: typy, principy a aplikace

Tlakové senzory měří sílu kapaliny nebo plynu na jednotku plochy a převádějí ji na elektrický výstup, což je zásadní pro monitorování a řízení v letectví, automobilovém průmyslu, medicíně i průmyslu.

Aplikace:
Používají se v výškoměrech, indikátorech rychlosti, monitorování motorů, průmyslových procesech, tlakoměrech i v medicíně. V letectví je přesnost a spolehlivost senzorů regulována přílohou 10 ICAO.

Senzory posunu a polohy: principy a použití

Senzory posunu a polohy měří lineární nebo úhlový pohyb, což je nezbytné pro CNC stroje, robotiku, bezpečnost automobilů a řízení v letectví.

Aplikace:
Používají se na řídicích plochách (fly-by-wire), poloze pedálů/plynu, robotických ramenech i při rozměrové kontrole.

Senzory vibrací: monitorování dynamického pohybu

Senzory vibrací (včetně akcelerometrů) detekují mechanické kmitání, což je zásadní pro sledování stavu zařízení, zdraví konstrukcí, seizmickou detekci i prediktivní údržbu.

Typy:

• Piezoelektrické akcelerometry: Krystaly křemene/keramiky generují napětí při deformaci. Široce využívané v letectví a průmyslu.
• MEMS akcelerometry: Mikrostruktury na čipu se při zrychlení vychylují, což mění kapacitu nebo odpor. Používají se ve spotřební elektronice, automobilovém průmyslu i UAV.
• Senzory rychlosti/posunu: Sledují pohyb pro nízkofrekvenční aplikace (seizmologie, monitoring konstrukcí).

Aplikace:
Monitorování stavu turbín/motorů, detekce nevyváženosti/nesouososti, seizmická bezpečnost a sledování integrity konstrukcí.

MEMS senzory: Micro-Electro-Mechanical Systems

MEMS senzory integrují mechanické a elektronické prvky na křemíkovém čipu, měří tlak, zrychlení, úhlovou rychlost a další veličiny v miniaturních rozměrech.

Výhody:
Miniaturizace, nízká spotřeba, hromadná výroba, zpracování na čipu, digitální rozhraní.

Aplikace:
Letecký průmysl (navigace, analýza vibrací), automobilový průmysl (bezpečnost, tlak v pneumatikách), spotřební elektronika (detekce pohybu/gest), IoT (senzorika prostředí).

Klíčové vlastnosti senzorů

• Přesnost: Těsnost k pravé hodnotě. Kritická v letectví, zdravotnictví, metrologii.
• Opakovatelnost (preciznost): Shoda výsledků za stejných podmínek.
• Citlivost: Nejmenší detekovatelná změna měřené veličiny.
• Linearita: Míra přímé úměrnosti mezi vstupem a výstupem.
• Rozsah: Minimální a maximální měřitelné hodnoty.
• Rozlišení: Nejmenší rozpoznatelná změna.
• Doba odezvy: Jak rychle senzor reaguje na změny.
• Stabilita/drift: Stálost v čase a při změnách prostředí.
• Selektivita: Schopnost reagovat pouze na cílovou veličinu.

Význam standardů a kalibrace

Kritické aplikace vyžadují senzory splňující mezinárodní standardy (ICAO, ISO, SAE) pro přesnost, spolehlivost a kompatibilitu. Pravidelná kalibrace zajišťuje integritu měření, bezpečnost a legislativní soulad.

Úloha senzorů v moderních technologiích

Senzory jsou páteří:

• Letecký průmysl: Navigace, řízení letu, monitorování motorů.
• Průmyslová automatizace: Řízení procesů, robotika, prediktivní údržba.
• Automobilový průmysl: Řízení motoru, bezpečnostní systémy, ADAS.
• Zdravotnictví: Monitorování pacientů, diagnostika.
• Environmentální monitoring: Znečištění, počasí, seizmická aktivita.
• Spotřební elektronika: Chytré telefony, wearables, chytrá domácnost.
• IoT: Propojení fyzického světa s digitálními systémy pro inteligentní automatizaci.

Shrnutí

Senzor není jen pasivní součástka; je klíčovým prvkem bezpečných, efektivních a inteligentních systémů napříč průmyslem, dopravou, zdravotnictvím i každodenním životem. Pokroky v senzorové technice—díky MEMS, chytrému zpracování a standardům—dále posouvají hranice možností měření, automatizace a řízení.

Pro podrobnosti o konkrétních typech senzorů, jejich návrhu či integračních doporučeních kontaktujte náš technický tým nebo navštivte naši knihovnu zdrojů.