如何對(duì)IIoT傳感器進(jìn)行選型

對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）來(lái)說(shuō)，傳感器的作用顯得更為重要。因?yàn)镮IoT的要義，就是基于遍布生產(chǎn)線和環(huán)境中的傳感器，提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備據(jù)此做出更智能、更及時(shí)的響應(yīng)，或者是讓系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況做出預(yù)測(cè)性的分析，對(duì)可能出現(xiàn)故障或需要維修的部件提前預(yù)警，實(shí)現(xiàn)效率和效益的最大化。因此，無(wú)論是原有工業(yè)系統(tǒng)的升級(jí)，還是新產(chǎn)線的建設(shè)，傳感器選型都是構(gòu)建IIoT必不可少的一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。

從傳感器產(chǎn)品角度來(lái)講，工業(yè)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景各異，所需傳感器種類(lèi)繁多（如壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、力傳感器等），以往工業(yè)傳感器選型就是一個(gè)難點(diǎn)，如今在原有基礎(chǔ)上又疊加上工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新要求，似乎讓選型工作復(fù)雜性又上了一個(gè)臺(tái)階。

● IIoT傳感器選型四要素

不過(guò)，再?gòu)?fù)雜的事情也有規(guī)律可循。在對(duì)全球傳感器領(lǐng)導(dǎo)廠商TE Connectivity（以下簡(jiǎn)稱TE）的一系列經(jīng)典和熱賣(mài)的IIoT傳感器產(chǎn)品進(jìn)行分析之后，我們發(fā)現(xiàn)雖然產(chǎn)品千差萬(wàn)別，但＂優(yōu)秀的傳感器都是相似的＂，從它們身上我們可歸納出一個(gè)適應(yīng)IIoT市場(chǎng)所需的優(yōu)秀傳感器，應(yīng)該具備的一些基本素質(zhì)。

1 可靠性和魯棒性

由于工作環(huán)境的特殊性，可靠的性能和堅(jiān)固耐用的特性，是工業(yè)級(jí)傳感器一個(gè)突出的特點(diǎn)，在選型時(shí)可以說(shuō)這是具有＂一票否決權(quán)＂的決定因素。因此在選擇IIoT傳感器時(shí)，需要從元器件的內(nèi)部工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及外部防護(hù)措施多方面進(jìn)行全面的考察。由此也能反映出一個(gè)傳感器廠商的專業(yè)積累和綜合實(shí)力。

2 測(cè)量精度

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，傳感器的測(cè)量精度當(dāng)然是一個(gè)硬指標(biāo)。為了確保精度，通常需要在使用過(guò)程中，對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和信號(hào)修正。比如壓力傳感器，為了確保在較寬壓力和溫度范圍中的精確讀數(shù)，就需要修正和補(bǔ)償。目前，內(nèi)置修正和補(bǔ)償?shù)裙δ艹蔀榱薎IoT傳感器的一種趨勢(shì)，一方面高集成度使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時(shí)也為用戶開(kāi)發(fā)和使用帶來(lái)了便利和靈活性。

3 數(shù)字輸出

傳統(tǒng)的傳感器輸出的都是模擬信號(hào)，再通過(guò)ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給主控制器。而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的興起讓數(shù)字傳感器的發(fā)展得以加速，由于其能夠直接輸出數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)I2C等數(shù)字接口被微處理器直接讀取和處理，省去了從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過(guò)程，這不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了成本，還可以避免輸出信號(hào)衰減和精度下降。因此在IIoT的應(yīng)用中，除了一些特殊的場(chǎng)合，具有數(shù)字輸出功能或選項(xiàng)的傳感器，一定是優(yōu)先選擇的對(duì)象。

4 可擴(kuò)展性

隨著IIoT系統(tǒng)中傳感器數(shù)量激增，相應(yīng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的工作量也會(huì)加大。因此有實(shí)力的傳感器廠商通常會(huì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用平臺(tái)化的思路，即在同一傳感器單元上延展出細(xì)分的產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)者只要在一種傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上稍作修改，如選擇同一系列不同量程的產(chǎn)品，就可輕松應(yīng)對(duì)新的設(shè)計(jì)需求，而固件、圖紙和文檔等都可以是相同或相似的。所以在IIoT傳感器選型中，產(chǎn)品是否具有完整的產(chǎn)品平臺(tái)做依托，后續(xù)的可擴(kuò)展性如何，也需仔細(xì)斟酌。

綜上所述，除了仔細(xì)查閱Datasheet中的產(chǎn)品參數(shù)，在做IIoT傳感器選型時(shí)，還要從可靠性和魯棒性、測(cè)量精度、數(shù)字輸出，以及可擴(kuò)展性等幾個(gè)方面重點(diǎn)考察。下面我們特別從TE產(chǎn)品中篩選出了幾個(gè)最具代表性的IIoT傳感器，逐一進(jìn)行分析，讓大家有一個(gè)直觀的體驗(yàn)。

M3200壓力傳感器

TE的M3200壓力傳感器適用于污水、蒸汽和輕度腐蝕性液體或氣體壓力測(cè)量，暖通空調(diào)的制冷系統(tǒng)（HVAC）是其一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可以稱得上是IIoT傳感器的典范。

圖1：M3200壓力傳感器

在提升產(chǎn)品的可靠性和魯棒性方面，M3200有三點(diǎn)過(guò)人之處：

● 傳感器單元中，M3200采用了TE專有的Microfused技術(shù)，該技術(shù)是利用特殊的壓阻式硅應(yīng)變片燒結(jié)在不銹鋼隔離膜上，以獲得多種介質(zhì)兼容性及更高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，避免在傳統(tǒng)微機(jī)械加工制造工藝過(guò)程中其他傳感器出現(xiàn)的P-N結(jié)效應(yīng)現(xiàn)象。

● 傳感器內(nèi)部采用帶有微型連接器的小型化、輕質(zhì)電路，具有抗沖擊和振動(dòng)的特性，還具有單獨(dú)的防浪涌和噪聲的電路。

● 傳感器外部結(jié)構(gòu)，采用一體化的不銹鋼設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用，無(wú)需任何焊接或O形圈即可直接與被測(cè)媒介相連。同時(shí)產(chǎn)品也具有很強(qiáng)的耐過(guò)壓和防火能力。

為確保傳感器提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，M3200采用了基于ASIC的方案，使傳感器的數(shù)字電路在工作范圍內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)上都能進(jìn)行原始信號(hào)修正，該解決方案完整存儲(chǔ)于壓力傳感器的板載內(nèi)存中，大大簡(jiǎn)化了該產(chǎn)品的制造和生產(chǎn)。

在信號(hào)輸出方面，M3200除了提供五種標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出信號(hào)外，還提供可通過(guò)I2C輸出14位壓力和11位溫度數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)品，為IIoT應(yīng)用提供便利。而所有這些產(chǎn)品都是基于同一個(gè)傳感器平臺(tái)，可擴(kuò)展性自然不是問(wèn)題。

圖2：M3200壓力數(shù)字輸出特性曲線

總之，M3200壓力傳感器具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，可適用于較大的壓力量程范圍，而且獨(dú)特的工藝和設(shè)計(jì)帶來(lái)出色的可靠性和魯棒性，基于同一產(chǎn)品平臺(tái)的數(shù)字輸出選項(xiàng)，也為產(chǎn)品在IIoT中的應(yīng)用帶來(lái)更大的便利性和靈活性。

HTU21D溫濕度傳感器

環(huán)境溫濕度是工業(yè)應(yīng)用中需要感測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)。如為了提升HVACR系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境響應(yīng)的靈敏度和能源利用率，需要通過(guò)溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并可靠地生成和傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。HTU21D溫濕度傳感器就是為這個(gè)目的而設(shè)計(jì)的。

圖3：HTU21D溫濕度傳感器

HTU21D是TE的HTU2x溫濕度傳感器家族的一員，其料號(hào)中的后綴「D」，意味著它是一款可提供經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的I2C格式線性化數(shù)字信號(hào)的溫濕度傳感器，也就是說(shuō)可通過(guò)模塊化溫濕度數(shù)字輸出與微控制器直接連接，實(shí)現(xiàn)即插即用。

HTU21D的每一個(gè)傳感器都經(jīng)過(guò)單獨(dú)校準(zhǔn)和測(cè)試。傳感器表面印有產(chǎn)品批號(hào)，同時(shí)在芯片內(nèi)存儲(chǔ)了電子標(biāo)識(shí)碼。HTU21D傳感器的分辨率可以通過(guò)輸入命令進(jìn)行改變（8/12位乃至12/14位的RH/T），傳感器還可以檢測(cè)到電池低電量狀態(tài)，并且輸出校驗(yàn)和，有助于提高通信的可靠性。產(chǎn)品具有完整的互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下無(wú)需校準(zhǔn)；長(zhǎng)期處于濕度飽和狀態(tài)后可以迅速恢復(fù)。

從產(chǎn)品參數(shù)上可以看出，空間緊湊和成本敏感的應(yīng)用是HTU21D的目標(biāo)市場(chǎng)，但其在可靠性和魯棒性方面也并不馬虎——HTU21D特別提供了具有聚四氟乙烯（PTFE）過(guò)濾器（膜）選項(xiàng)的產(chǎn)品HTU21DF，提供更強(qiáng)的防塵防水能力，可克服細(xì)小顆粒物的污染。

如上文所述，HTU21D是HTU2x溫濕度傳感器家族的一員，從下表中我們不難體會(huì)到豐富的產(chǎn)品組合帶來(lái)的可擴(kuò)展性。

圖4：TE的HTU2x溫濕度傳感器家族一覽

FX29壓力稱重傳感器

IIoT驅(qū)動(dòng)的柔性化生產(chǎn)中，智能化機(jī)器人手臂的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。檢測(cè)機(jī)器人手臂的接觸力與抓取力，幫助自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行建模并對(duì)可行抓取力進(jìn)行分析，需要用到壓力稱重傳感器。

圖5：FX29壓力稱重傳感器

TE的FX29壓力稱重傳感器具有6V額定電源電壓、3mA工作電流以及50MΩ絕緣電阻，具有設(shè)計(jì)緊湊、較高的超量程能力，與上一代的產(chǎn)品相比FX29能實(shí)現(xiàn)更精確的尺寸控制和更佳的性能。

如果我們仔細(xì)觀察FX29，會(huì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：

● FX29同樣采用了TE特有的Microfused技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，確保了核心傳感單元的可靠性。

● 產(chǎn)品采用不銹鋼外殼，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的防護(hù)需要。

● 提供可選的I2C數(shù)字接口，更方便與整個(gè)智能系統(tǒng)集成。

……

毫無(wú)疑問(wèn)，這些特性非常符合我們上文總結(jié)的幾個(gè)IIoT傳感器選型的要訣，這也使其成為工業(yè)機(jī)器人手臂或其他精密壓力稱重應(yīng)用的不二之選。

圖6：FX29壓力稱重傳感器數(shù)字輸出功能框圖

總之，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的世界中，傳感器是連接真實(shí)的物理世界和虛擬的數(shù)字世界之間的界面，會(huì)源源不斷地產(chǎn)生＂數(shù)據(jù)＂——這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)世界賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的＂燃料＂。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器選不好，無(wú)異于在起點(diǎn)上摔跟頭。貿(mào)澤電子會(huì)通過(guò)與全球知名的傳感器廠商合作，提供優(yōu)秀的新型IIoT傳感器產(chǎn)品，幫你贏在起跑線上！
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