Senzory ve strojírenství

Se zrychlujícím se tempem výzkumu a vývoje zejména výrobků s vyšší přidanou hodnotou a při rostoucím objemu jejich výroby se senzory zejména mechanických veličin staly dominantními prvky technického pokroku. Rozšiřuje se jejich využití při volbě optimálního konstrukčního materiálu, při optimálním dimenzování mechanických konstrukcí strojů a při sledování spolehlivosti a bezpečnosti navrhované konstrukce. Číslicovou mikroelektronikou vybavené senzory ovládající softwarové technologie jsou významnými prvky automatizačních obvodů zdokonalujících nejrůznější technologické procesy. CHARAKTERISTIKY A VYUŽÍVÁNÍ SENZORŮ VE VÝZKUMU A VÝVOJI STROJŮ Senzory transformují měřené veličiny na velikostí a tvarem odpovídající elektrické signály, které se běžnými metodami v elektronice zviditelňují a případně automaticky zpracovávají. Senzor je charakterizován měřenou veličinou, jejím amplitudovým a frekvenčním rozsahem, citlivostí, hmotností, rozměry a stálostí metrologické charakteristiky s časem při nejvyšším omezeném působení parazitních fyzikálních veličin (např. teploty, magnetického pole, hluku). Nejvhodnější princip transformace je určován podle konkrétních požadavků na měření žádané veličiny a technickými možnostmi instalace senzoru. Vedle senzorů s jedinou měřicí osou jsou využívány senzory měřící žádanou veličinu v několika směrech v rovině či v prostoru. Konstruktérům a výpočtářům vyhovují metrologické charakteristiky současných klasických senzorů v souvislosti s nároky na klasické zkušebnictví. Senzory mechanických veličin využívají následující principy: piezoelektrický, induktivní, indukční (elektrodynamický), kovové tenzometry, křemíkové tenzometry, kapacitní a v posledních letech i optoelektronický systém včetně laserové techniky, ultrazvukový princip a tzv. lankové senzory pro měření vzdálenosti. Stručné charakteristiky uvedených principů senzorů jsou zaznamenány v připojeném přehledu. Uživatelé senzorů by měli mít přístup k zařízením umožňujícím jejich testování v podmínkách exploatace a k informacím o ověřování platnosti zaručovaných metrologických charakteristik senzorů v definovaném prostředí po dobu záruky uváděné výrobcem. Využívání senzorů s elektrickým výstupem se rozšířilo ve čtyřicátých letech minulého století aplikacemi kovových tenzometrů, které vynalezli Američané Simons a Ruge v roce 1937. Tyto tenzometry se staly jedním z nejvyužívanějších principů v senzorice. Pokroky v leteckém a automobilovém průmyslu byly závislé na využívání informací ze senzorů mechanických veličin. O rozvoj této techniky se zasloužili i její světoznámí výrobci – např. v Evropě Hottinger Baldwin Messtechnik, Brüel & Kjaer, Vibrometer a další. Nejvýznamnější rozsáhlé využití senzorů se poprvé uskutečnilo na počátku 60. let měřením rozložení me chanického namáhání kovovými tenzo met ry na 8000 místech trupu a křídel letícího dopravního letadla Concorde. Měřicí signály z jednotlivých tenzometrů byly telemetricky přeneseny do pozemní laboratoře a off-line zpracovány. V té době byly též ve všech technicky vyspělých průmyslových státech budovány dynamické zkušebny s využitím senzorů mechanických veličin pro experimentální vyšetřování spolehlivosti a životnosti výrobků v provozu dynamicky zatěžovaných elektrohydraulickými systémy. V Československu bylo postupně vybudováno 5 větších dynamických zkušeben vybavených vícekanálovými zatěžovacími systémy ve Škodě Auto Mladá Boleslav, ve VZLÚ v Letňanech, ve Škodě Výzkum Plzeň, v Tatře Kopřivnice a ve VÚŽ Cerhenice. Menší zkušebny byly vybudovány na ČVUT Praha a VUT Brno. Máme několik desítek zkušeben vybavených elektrohydraulickými zatěžovacími stroji nejčastěji jedno a dvoukanálovými pro zatěžování strojních součástí. Značný význam pro optimální konstruování letadel (případně i automobilů) má měření sil a momentů v toku proudícího vzduchu v aerodynamickém tunelu postaveném ve VZLÚ. Cílem je v praktickém provozu optimalizovat obtékání a tedy i spotřebu energie a stabilitu pohybu zkoumaných letadel. SENZORY S VESTAVĚNOU MIKROELEKTRONIKOU Vedle senzorů pro výzkum a vývoj strojírenských výrobků byly v posledních desetiletích vyvinuty senzory s vestavěnou číslicovou mikroelektronikou. Jejich programovatelnost a autoregulace umožňují ovládat podle velikosti měřených signálů různé funkce zkoumaného objektu či řízeného procesu. Tato funkce inteligentního senzoru je zhodnocena programovatelným softwarem. Umožňuje například programové spouštění různých řídicích či regulačních obvodů, výstražných signálů atd. K jejímu rychlejšímu prosazení je třeba stanovit standardy pro rozhraní a funkce mikromodulů. Jen tak lze dosáhnout u mikroelektroniky pro zpracování meřicích signálů přijatelných nákladů na modulovou techniku vyhovující i různým výrobkům. Mezi nejznámější výrobce inteligentních senzorů patří u nás firmy Baluff a Turck. Inteligentní senzory jsou využívány v automatizované výrobě a montáži strojních součástí. Zvyšování kvality výrobků se opírá o včasnou diagnostiku funkce jejich klíčových prvků (např. motorů, čerpadel, řídicích systémů). Podstatně se zvyšuje i technická úroveň rozsáhlých a složitých výrobků (letadel, automobilů, lodí, výrobních prostředků) automatizací jejich dílčích funkcí podílejících se na nové kvalitě. Např. optimální řízení spalovacího procesu v automobilových motorech zvyšuje jejich výkon, snižuje spotřebu paliva a zvyšuje spolehlivost jízdy. Rozsáhlé je využití inteligentních senzorů v automatické navigaci dopravních prostředků. BUDOUCNOST SENZORIKY Senzorika je obor, jehož význam ve strojírenství stoupá, a jeho rozvoj je v budoucnosti velmi perspektivní. V Německu, které je největším výrobcem moderních senzorů, sdružuje Oborový svaz pro senzoriku přibližně 800 firem s více než 200 000 zaměstnanci, které vyrábějí senzory převážně s integrovanou mikroelektronikou za odhadovanou částku 25 miliard euro. Situaci charakterizuje skutečnost, že obvody mikroelektroniky a software pro zpracování měřicích signálů dokáže realizovat mnohem více firem než zdokonalené měřicí systémy vlastních senzorů. Zde je pokrok pomalejší. Na domácím i zahraničním trhu je trvalá poptávka po moderních senzorech. Je žádoucí, aby se tento obor začal rozvíjet i v Česku, kde v něm působí jen několik malých firem, jejichž produkce je vzhledem k potřebám státu nedostatečná. Uveďme např. firmu VTS Zlín vyrábějící polovodičové tenzometry, senzory sil, hmotnosti, momentu, tlaku, zrychlení a deformací, jejichž technická úroveň se vyrovná zahraniční. Příslušnou elektroniku dodává firmě VTS jiná česká firma. Senzorika se významně podílí na modernizaci strojírenských výrobků i snižování nákladů na jejich produkci a provoz, tedy na jejich konkurenceschopnosti. Ing. Jiří Černohorský, DrSc.