Senzory jsou menší a spolehlivější

Senzorová technika, základní prvky informující o stavu a činnosti, zaznamenává v současné době pro svou spolehlivost až nebývalý rozvoj v nejrůznějších oborech lidského dění. Svědčí o tom i průběhy nedávných veletrhů, které se touto technikou zabývají, obecného norimberského Sensor + Test 2006 a veletrhu, zaměřeného na automatizaci, a to především automatizaci výrobních procesů - mnichovského Automatica 2006. Senzory jako zdroje primárních informací o reálném prostředí jsou vstupním elementem prakticky dnes všech regulačních, měřicích a automatizačních systémů a spolu s mikrosystémy provázejí činnost člověka téměř na každém kroku. Vedle začlenění do automatizace výrobních procesů, kde byly kromě vojenských aplikací pravděpodobně prvopočátky senzorů, hrají podstatnou úlohu například u různých bezpečnostních a informačních systémů, při sledování kvality životního prostředí, v medicíně při kontrole životních funkcí pacientů nebo třeba při ovládání různých funkcí a mechanismů vozidel, domácích spotřebičů nebo i tzv. inteligentních domů. Nového významu nabývají biometrické senzory, kde současný rozpoznávací algoritmus dosahuje už dostatečného odstupu užitečného signálu od rušivého šumu, používané zvláště při ochraně osobních dat (příkladem může být identifikace na bázi otisků prstů v cestovních dokladech, která se v některých zemích zavádí při vstupu na jejich území, obdobné možnosti rozlišení poskytuje i oční sítnice, hlas nebo i detaily pohybů lidské chůze). Vedle rozsáhlé nabídky senzorů pro různé využití je široká i rozmanitost principů, na kterých senzory pracují, což vede až k obtížnosti při výběru jejich optimální varianty. SENZORŮ BUDE STÁLE VÍCE Už v samotném Německu, jako pořadateli veletrhů, se počítá s ročním nárůstem obratu u senzorů až 12 %, přičemž oficiální údaje uvádějí až 2000 firem, které mají se senzorikou co do činění. Poslední speciální výtisk Sensor Industrie Index obsahuje na 800 údajů o výrobcích senzorové techniky, sdružených v rámci AMA Fachverband für Sensorik e.V. Pro příklad, o jak hromadnou výrobu dnes u senzorů jde, může sloužit údaj od jednoho z předních jejich výrobců, firmy Bosch. Ta při zahájení výroby mikromechanických senzorů v roce 1993 dosáhla prodeje 1,35 mil., o 5 let později to už bylo 49 mil. senzorů a v roce 2005 už celých 100 mil. mikromechanických senzorů. Hlavní podíl z toho připadá na automatizaci výrobních procesů, kde jako rozhodující pro hromadnou výrobu senzorů se zdá být obecně už i rozšíření reálných úvah o možnosti automatizace procesů, vedle procesů hromadné a velkosériové výroby u mamutích výrobců, i k malým a středním podnikům s častou obměnou výrobního programu. V tom směru je zajímavý společný projekt předních evropských výrobců průmyslových robotů v rámci Evropské unie, označený "SME robot", studující podmínky zavádění automatizace a robotizace v podmínkách malosériové a středněsériové výroby. Za koordinace Fraunhoferova institutu pro výrobní techniku a automatizaci se na něm podílejí firmy ABB, Comau, Kuka, Reis a Güdel a výsledkem čtyřletého úsilí by měly být především dostatečně flexibilní automatizační systémy, racionální i za podmínek často obměňovaného výrobního sortimentu. Určité rezervy je možné spatřovat i za doposud málo propracovaných standardů při propojování externích senzorů a aktuátorů od různých výrobců do automatizačních systémů, což uživateli přináší mnohdy zvýšený finanční náklad. Nyní se pokouší řešit tyto vzájemné problémy po stránce HW i SW s příznivým dopadem na ekonomiku uživatele sdružení VDMA, které spojuje německé výrobce senzorů, aktuátorů i průmyslových robotů (což jsou i pro nás nejčastější dodavatelé systémů) komunikačním protokolem XIRP (Xml Interface for Robots and Peripherals). NASTUPUJÍ METODY VIDEOMETRIE Senzor představuje většinou, ale jen vstupní část celého systému pro sledování a úpravu určitého jevu, a tedy počátek řetězce s následným převodem na měřicí, nejčastěji elektrickou veličinu, vyhodnocení dat a případně funkci akčního členu - aktuátoru. V oboru průmyslové automatizace, kde takové řetězce využívají na vstupu sice stále ještě ponejvíce klasických indukčních, kapacitních, piezoelektrických, ultrazvukových, optoelektronických a laserových principů, přibývá i metod videometrie se systémy počítačového zpracování obrazu, založených na snímání technologie vhodnou kamerou a analýze digitalizovaného obrazu pomocí speciálního programového vybavení. Pro běžné úkoly jsou v tomto směru dostačující CCD kamery, pro vyšší rozlišení systémy s čipy CMOS. Vývojovým trendem jsou i kamery s integrovaným procesorem, kde senzorem snímaná data jsou ještě v kameře dále zpracována. Přitom v mnoha případech volby vizuálních systémů nerozhoduje už jen stupeň rozlišení obrazu, ale spíše jednoduchost systému při jeho zavádění a obsluze. Zajímavý trend je možné vysledovat při rozvoji elektroniky a mikroelektroniky u senzorových systémů, které obsahují obvody pro zpracování, analýzu a unifikaci signálu v jediném kompaktním provedení se snímacím prvkem senzoru. Při optimalizaci tohoto procesu se stále více uplatňuje těsnější systémové propojení elektroniky a mikroelektroniky s navazujícími prvky optiky či jemné mechaniky v rámci mechatroniky. Záměrem takového propojení je dosáhnout vývojové i výrobní integrace celých systémů na jednom čipu, od vstupních senzorů až po různé typy aktuátorů. Pod jiným pohledem je možné spatřovat vliv miniaturizace, a přitom ale i narůstající spolehlivosti senzorů z hlediska optimálního umístění senzorů v rámci automatizovaného systému. Vyšší odolnost senzorů proti mechanickým vlivům, zrychlení a vibracím vede i k jejich umísťování přímo na mobilních částech systémů, což v mnoha případech dává funkci senzoru širší záběr. K těmto trendům dopomáhá v současné době hledání možností vytvářet bezdrátové senzorové sítě s dálkových přenosem dat. Jejich příkladem může být senzorová síť na frekvenci 2,4 GHz s dosahem 125 m, vybudovaná již Fraunhoferovým institutem (für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS) v oblasti monitorování vnějšího prostředí. NĚKTERÉ TYPY AKTUÁTORŮ SENZORY NAHRAZUJÍ Pro řešení spolehlivosti celých senzorových systémů je zajímavá i studie Dietera Pawelczaka a Hanse-Rolfa Tränklera z mnichovské univerzity Bundeswehru, která v některých případech spatřuje zjednodušení celého automatizačního procesu při využití měřicích schopností jistých typů aktuátorů, nahrazujících i samotné senzory. Příkladem mohou být stále více užívané piezoelementy, které svou fyzikální podstatou mohou plnit funkci senzoru i aktuátoru. On-line vyhodnocení vstupních efektů přímo v aktuátoru může pak vést k "bezsenzorovému" systému, jehož další předností, vedle nižších jednorázových investičních nákladů, by měla být právě i větší spolehlivost systému se zabezpečením proti případným výpadkům. Oponenti takového záměru poukazují přitom ale na většinou nižší rozlišovací schopnosti aktuátorů oproti senzorům a na skutečnost, že dnes jsou už nabízeny i senzory s vlastní diagnostikou, která by měla možným výpadkům při mimořádných situacích zabránit (studie Ralfa Müllera, Michaela Nubera a Rollanda Werthschützkeho z Technické univerzity Darmstadt). DVEŘE AUTOMOBILŮ MAJÍ OTEVÍRAT BIOMETRICKÉ SENZORY Pokud bychom chtěli sledovat tok užití senzorů, pak jejich značnou část, asi jednu třetinu, v budoucnu až 50 % z celého trhu těchto prvků, pohltí automobilová technika. K tomu, co už je zavedené by měly časem přibýt biometrické senzory pro otevírání dveří vozidel, senzory sledující indispozici řidiče, senzory intenzity okolního světla a řada dalších. Tady je předností výroby většinou obrovská sériovost, která skýtá dostatečně velký prostor k využití mikrosystémů i po ekonomické stránce. Někdy však nadbytečný počet senzorů, a s tím spojených kabelových sítí vede k určité protichůdnosti k programům snižování hmotnosti vozidel a zároveň tím i snižování spotřeby pohonných hmot při nižším objemu zdraví škodlivých spalin motorů (nedávno byly úspěšně zakončené programy typu ULSAB, zaměřené na snižování hmotnosti karosérie a posléze i dalších dílů vozidla). Každý luxus něco stojí, pokud tímto slovem označíme někdy i "nadbytečné" senzorové systémy. Nakonec ale senzory sledují i optimální chod motoru, včetně optimální spotřeby pohonných hmot a tedy i minimalizace škodlivin ve výfukových plynech, což je jim společné s cílem uváděných programů. Navíc budoucí vývoj ukáže, do jaké míry bude možné nahradit i zde kabelové propojení senzorů bezdrátovým systémem. /jš/