חיישני עקירה מכניים ללא מגע התפתחו מכלי מדידה נישה ועד ליישומים קריטיים שבהם מגע פיזי הוא בלתי אפשרי או בלתי רצוי.חיישנים אלה עכשיו תחת ביצועים בשטחים החל מייצור למחצה ננומטרי לניתוח רובוטי, מונע על ידי פריצות דרך בחומרים, עיבוד אותות, ומינירטוטציה.היכולת לזהות ענפים תת-מיקרומטר ללא טעינה או בלבוש הפך הכרחי לבדיקת יעילות זו, אפילו אתגרים טכנולוגיים, בעודם, הם גם כן, בעודם, הם ממשיכים להיות עדים לשיטות רגישות, בעודם, בעודם, בעודם, בעודם, וגמישות, בעודם, בעודם, וגמישות עדכניות יותר, בעודם, בעודם של חומרים מתקדמים יותר, בעודם, בעודם, הם גם על פני השטחיים יותר, ומינידקנות, בעודם, ומעטים יותר, גם על פני השטח.

עקרונות יסוד של דיסמציה חסרת מגע

כל חיישני העקירה ללא מגע מודדים את היחסים המרחביים בין אלמנט רגיש והמטרה ללא מגע מכני.עקרון התפעולי קובע את הרגישות של החיישן, טווח מדידה, סובלנות סביבתית, ועלות.שלוש העקרונות הנפוצים ביותר הם קיבוליביים, אינדוקטיביים (נוכחיים), אופטיים, כל אחד מהם מתאים למגבלות יישום שונות.

חיישן Capacitive

חיישני קפיבוליים מזהים שינויים במדיום הדיאלקטרי או המרחק בין שתי צלחות התנהגותיות. חיישן עקירה טיפוסי מורכב מאלקטרודה בדיקה ואת פני השטח היעד כמו הצלחת השנייה. as the goal נעה, שינויים קיבול, אשר מומר לתוך אות עקירה ליניארית.חיישנים אלה מציעים פתרון תת-נאןמטר ורוחב רוחב פס גבוה, מה שהופך אותם אידיאליים עבור שלבים וחילוריטי, הם דורשים פיצוי סביבתי.

אינדוקטיבי (Eddy Current)

חיישני אינדוקטיביים מייצרים שדה מגנטי גבוה מ סליל.כאשר יעד מוליכים נכנס לשדה זה, זרמי אד-ידי מושרה, שינוי האי-ציות של סליל.השינוי באימפולסיביות הוא פרופורציה למרחק בין החיישן לבין המטרה. חיישנים חד-דומים אד-זמניים חזקים בסביבות קשות - סובלנות שמן, אבק וטמפרטורות גבוהות - והם בדרך כלל בשימוש בטווח של פיקוח תעשייתי, עם טווח תאים, עם לחץ-ממדורג', עם רמת בקרה בינונית, עם רמת בקרה בינונית.

חיישנים אופטיים

חיישני עקירה אופטיים כוללים לייזרים של טריאנגול, חיישני מוקד ו- Interferometers. Laser triangulation פרויקטים נקודה על המטרה ותמונות אותו על גלאי רגיש לעמדה; תנועה משנה את המיקום של המקום, חיישנים מניבים. Confocal משתמשים בדלקת פני השטח כדי להתמקד אורכי גל שונים במרחקים שונים, ומספקת נקודות דיוק גבוה באמצעות ניתוח ספקטרום בינוני (opreconreconreconreconreconrection-inance) או בקיצור לייזר (prepation) או בקיצור, אך ניתן לבצע שינויים ברזולוציה מהירה).

התקדמות טכנולוגית חדשה

העשור האחרון היה עדים להשפעה של חידושים שדחפו חיישני עקירה ללא מגע למשטרי ביצועים חדשים.

עיבוד אותות מתקדמים ו- Noise Reduction

חיישנים מודרניים מעסיקים מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) ומערך השערים הניתנים לחיזוי שדה (FPGAs) כדי ליישם סינון קידוד מותאמים, סימולציה סינכרונית, ודיכוי רעש מבוסס מכונה.אלגוריתמים אלה לשפר באופן דרמטי את יחס האות-ל-אין-עין (SNR) בסביבה רועשת כגון רצפות תעשייתיות או סוויטות הדמיה רפואיות.

אינטגרציה ושילוב MEMS

טכנולוגיות Micro-electromechanical (MEMS) מקטנות ראשים של חיישן עקירה בגדלים תת-מילימטריים ללא רגישות מקרית. חיישנים דמויי חצבת וספקטיביים של MEMS יכולים כעת להיות מוטבע בתוך קטאטרים כירורגיים, בתוך מיקרו-רובוטטים, או על הטיפים של בדיקות אנדוסקופיות.

חומרים חדשים ליציבות ולטווח

מדע חומרי תרם דיאלקטריות חדשניות עבור חיישנים קיבוליים (למשל, קרמיקה גבוהה-K) כי להגדיל את קיבול הבסיס ולהפחית סחף תרמי.עבור חיישנים אינדוקטיביים, ליבות סליל מופרשים ו laminations ניקל-iron להאריך טווח ליניארי ולשפר את יציבות הטמפרטורה.בתחום אופטי, chirped breggatings (BG) ומאפשרים photosives עם חומרים מטבוליים מגנטיים מתואמים גבוהה.

קישוריות אלחוטית ו- Edge Intelligence

חיישנים אלחוטיים משולבים (Bluetooth Low Energy, Zigbee, או פרוטוקולים מצע GHz קנייניים) מאפשרים חיישנים לעקירת נתונים ישירות לפלטפורמות ניתוח ענן ללא צווארי בקבוק קלינג. Edge יחידות מחשוב משובצות בחניון לבצע הפחתה ראשונית של נתונים - כגון זיהוי או ניתוח טרנד סטטיסטי - לפני שידור מידע רלוונטי בלבד. גישה זו מפחיתה צריכת חשמל וכבדות, ומאפשרת ניטור מופעל של סוללות מרוחקות של מכונות אוטומטיות של טורברסאליות או חיישן עצמיות עכשיו.

חיישן Multi-Functional ו-Hy Hybrids

במקום למדוד את העקירה לבד, חיישנים אחרונים משלבים מספר רב של שיטות שונות בחבילה אחת.לדוגמה, חיישן היברידית-מספקטיבי יכול במקביל למדוד מרחק ונכסים חומריים (למשל, מוליכות או הרשאה), מתן נתונים עשירים יותר בתהליך.חיישנים אופטיים המשלבים מצלמה זעירה עם אדפטומטר לייזר יכול לייצר הן עקירה והן תמונות טופוגרפיים.

יישומים בסביבה רגישה ודורשת

היכולות המוגברת שתוארו לעיל פתחו דלתות ליישומים שבהם כל מגע או אפילו מסה של חיישן יתר יפריעו למדידה עצמה.

מכשירים רפואיים וניתוח

בניתוח מונע רובוטי, חיישני עקירה קיבוליים אופטיים לפקח על המיקום של טיפים כלי עם דיוק sub-imetre, המאפשר הליכים עדינים כגון טינינון ורידי או קוכלר השתלת חיישנים עדכניים משמשים הדמיה של חזרות מגנטית (MRI) כי הם לא מושפעים על ידי שדות חזקים סטטיים; הם עוקבים אחר התנועה של biopsys או צורך בתוך סורקים של תמונות ממות.

ייצור Semiconductor

מערכות תהלוכות ובדיקות תלויות בחיישנים קיבוליים כדי לשמור על המיקוד וההתיישרות של photomasks עם דיוק nanometre. כמו גדלים תכונה יש חרק מתחת 3 nm, חיישני עקירה חייבים לפתור תנועות של 0.1m או טוב יותר. חיישנים אופטיים אינטרפרומטריים הם עכשיו סטנדרטיים באוליוט קיצוני (EU) כלים, שבו הם מודדים את המיקום של שלבים חוזרים בתוך ואטים עם מזג אוויר עם מזג אוויר מונעים אחרים.

מעבדות מחקר ומטרופולין

בפיזיקה הבסיסית, חיישני עקירה ללא מגע הם בלתי-אינטגראליים לגלאי גלי גל (למשל, LIGO), שבו אינטרפרומטרים לייזר מודדים עקירות מראות של 10-18 מ"ר אטומים (AFM) משתמשים בלייזר דה השתקפות של מיקרו-קליוור כדי למפות את הטופוגרפיה ברזולוציה אטומית.

אוויר ואנרגיה

מנועי Turbine ו דחוסים סילון פועלים בטמפרטורות קיצוניות ומהירויות. חיישנים עקירה אינדוקטיבית רכוב ליד פידבק טיפ - הפער בין הלהב והשקה - ליתר דיוק של 5 מיקרומטר. נתונים אלה מאפשרים מערכות בקרה אקטיבית כדי להתאים יעילות ולמנוע להבים.

כלי הנדסה ומכונות

כלי מכונות ספינדלס, מנועים ליניאריים, ותיאום מכונות (CMMs) דורשים משוב בזמן אמת על מיקום ציר כדי להשיג סובלנות מיקרומטרית. coders בקנה מידה גלאס שימש באופן מסורתי, אבל הם רגישים עפר ושרטות. חדש לגמרי כוח רצון מוחלט של קודקודים עמידים עמידים מבטיח דיוק דומה (submicrore) עם חסינות כדי contamination וצורה קטנה יותר של תרכובת לייזר, מעקב אחר שכבת לייזר.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות התקדמות מרשימה, חיישני עקירה ללא מגע עדיין עומדים בפני כמה מכשולים המגבילים את הפריסה שלהם בתרחישים התובעניים ביותר.

רגישות סביבתית

חיישניים קפצויים מושפעים לשמצה משינויים בלחות, בטמפרטורה ובשדות חשמליים משוטטים.אפילו עם אלקטרודות משמרות ופיצוי טמפרטורה, סחף ארוך טווח נשאר בעיה בסביבות בלתי מבוקרות.חיישנים אופטיים יכולים להיות עיוורים על ידי עשן, ריקבון, או משטחים רפלקטיביים המייצרים השתקפות מרובה מעוררת השראה.

הצעות מסחר בין טווח והחלטה

עבור גיאומטריה חיישן נתונה, הגדלת טווח המדידה בדרך כלל מאמת את ההחלטה. חיישנים Capacitive להשיג את רזולוציה nanometre רק במרחקים של פחות מכמה מילימטרים. triangulation אופטי יכול למדוד מעל מטרים אבל עם החלטה מוגבלת לעשרות מיקרומטרים.אין טכנולוגיית חיישן אחת מכסה כיום גם פתרון תת-מטר וגם טווח סנטימטרים ללא שינוי עקרונות או שילוב של חיישנים מרובים.

מורכבות ועלויות

מערכות אינטרפרומטריות גבוהות נשארות יקרות – לעתים קרובות מעל 50,000 יורו לתעל – בגלל אופטיקה מדויקת ומקורות לייזר הדרושים. integrating a Wireless meMS חיישן לתוך בקר תעשייתי מורשת עשוי לדרוש נהגי תוכנה מותרים פרוטוקולים מותאמים אישית.יתר על כן, את ה calibration של חיישניים ללא מגע הוא יותר מעורב מאשר קודקוד מבוסס מגע, לעתים קרובות הדורש סטנדרטים עקירה (למשל, לייזר) ותאים סביבתיים.

נפח נתונים ו- Latency

חיישנים אופטיים מהירים יכולים לייצר זרמי נתונים של ג'יגהביט-ר-שניים.מעבדים את הנתונים האלה בזמן אמת עבור בקרת משוב דרישות כוח FPGAs או GPUs, אשר מגבירים את צריכת החשמל ואת החום.ביישומים אלחוטיים, רוחב פס מגביל את הניתוק בין קצב הדגימה ומספר הערוצים המועברים. Edge יכול להקטין את זה, אבל האלגוריתמים חייבים להיות מתוכננים בזהירות כדי למנוע הצגת עצלות כי destastatences controls controls controls.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

במבט קדימה, כמה כיוונים מחקר מבטיחים להתגבר על המגבלות הנוכחיות ולהאריך את התועלת של חיישני עקירה ללא מגע אל גבולות חדשים.

אינטליגנציה מלאכותית למסרים חכמים

אלגוריתמים של Machine-learning, במיוחד רשתות עצביות ומכשירי וקטור תומכים, מאומנים לחזות סחף חיישן, לפצות על לא-לינאריות, ואפילו למזג נתונים מעקרונות רבים של חישה. חיישן חומצי מופעל על ידי AI יכול, למשל, ללמוד את ההשפעה של לחות מכוננת ולהתאים באופן אוטומטי את הכובד שלה בישיבה. Deepu למידה מאפשרת גם את החילוץ של מידע מתמונות גלם (למשל, ללא אות אופטי).

המונחים: Quantum-Enhanced Displacement

טכניקות מטרולוגיות קוונטיות, כגון אינטרפרומטריה המדינה מוצפנת, יכולות להפחית את אי הוודאות המדידה מתחת למגבלת הקוונטים הסטנדרטית, פוטנציאל לשפר את ההחלטה על ידי סדר גודל.למרות עדיין מוגבל למתקנים מעבדה, אינטרמטרים בקנה מידה קומפקטי של שבב באמצעות אור דחוס יכול בסופו של דבר להיות מסחרי עבור עקירה ברמת ננומטרה במטרופולין מוליכים למחצה.

חיישנים גמישים ולבושיים

אלקטרוניקה מודפסת ו substrates מתוחים מאפשרים פיתוח של חיישני עקירה תואמים שניתן לחבר אותם רובוטיים רכים, exoskeletons, או עור אנושי. ⁇ מודפסים על סרטי פולימרים יכול לזהות בורות, מתיחה, וסמיכות בו זמנית. בעוד שהרזולוציה הנוכחית והיציבות הן נמוכות, חיישנים אלה פותחים יישומים חדשים בממשקים ושיקום אנושי.

כוח עצמי ואנרגיה - חיקי שיניים

צינורות Piezoelectric ו triboelectric nanogenerators יכולים להמיר תנועה מכנית אותות חשמליים, מתפקד גם כ חיישן עקירה כמקור כוח. חיישן inductive מופעל עצמית יכול לדווח באופן אלחוטי על עקירה רוטאלית בתוך נושא חכם ללא סוללות, צמצום תחזוקה במקומות מרוחקים.שלב איסוף אנרגיה עם שידור אלחוטי נמוך כוח (למשל, LoRaWAN) הוא תחום פעיל של מחקר.

מסקנה

חיישני עקירה מכניים ללא מגע עברו טרנספורמציה מתחנות מעבדה ועד סוסי עבודה תעשייתיים, הודות להתקדמות בחומרים, עיבוד אותות, מיניטור וקישוריות. יכולתם לספק דיוק תת-נאן-מטר ללא אינטראקציה פיזית הופכת אותם לחסרים בתהליכים רפואיים, סמילטור, חלל, ויישומים מחקריים.

(ב) ◄ [13]

  • סקירה מעמיקה של עיצוב חיישן קיבולי ויציבות תרמית:0Micro-Epsilon Capacitive Sensor Technology
  • התפתחויות אחרונות בנוגע ליישומים עתיריים גבוהים:0 ScienceDirect Displacement Sensor
  • השוואה מפורטת של שיטות עקירה אופטית במטרופולין דיוק:0 (MDPI) - Displacement & חיישנים עמדה, 2020BuildFLT:1