传感器电子电路安全设计

通常工厂的产线加工环境恶劣，若机器手臂(机器人)设备设置的传感器未能做好电路保护，将会造成加工工站容易因传感器故障停机问题。FANUC

高精密度传感器发展一日千里，不但可使机器人或自动化加工处理透过提高设备处理精度、进而增加加工工序的精密度，改善工作站的处理工序细致度外，但实际设计整合却不是单纯在传感元件的性能提升，而需要自动化设备、控制软件全面配合，才能达到全面性提升效用。

传感器制作越来越精良  简化自动化设备整合困扰

以目前传感器常用的微机电(MEMS)制程技术来说，其实是在一般硅片上，透过微制造技术整合机械元件、传感器与电子电路，虽然最终成品为IC元件形式，但其中的微机械元件为采用对应的微加工制程进行制作，制程中利用蚀刻硅片产生机械或加工结构层形成，新一代技术甚至可以将传感微机电设计再与相关电路进行深度整合，让不同制程的产品整合在同一块矽芯片上，提高传感元件的功能整合度，即便新一代的元件已可达到高度整合与模块化设计，但实际上进行功能设计与传感器整合时，仍须考量不少关键设计。

以影像传感器为例，目前相当热门的机器视觉自动化方案中，影响传感器是建构机器视觉相当关键的传感模块，在机器视觉整合方案中已可达到识别颜色或特定形状的物体，这在生产流水在线的工件识别是相当实用的技术方案，不仅可用来判定生产品质外，也可让机器手臂或自动化设备，拥有主动挑件或是再加工处理的机器视觉判断能力。影像传感器用在机器人的视觉识别用途上，可以判定待持取工件的大小、形状，再利用机器手臂或夹具夹取工件，而进行关键的夹取动作也可使用影像传感器，进行位置定位夹取动作。

高整合度传感模块  可简化智能化工厂设计复杂度

影像传感器内部架构主要由CCD(Charge-coupled Device)或CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)感光元件，整合影像处理、影像分析等功能模块组合，传感器本身是由大量微小的传感单元阵列组成，影像处理为透过扫描电路把各个传感单元信息撷取整合，而影像传感器CCD或CMOS为利用SoC(System on Chip)制程，把影像传感单元、影像撷取、放大电路、类比信号滤波、类比数码转换器ADC(analog-to-digital converter)等整合，机器视觉模块则是将影像传感器与影像处理、分析等电子电路与元件进一步组成功能模块。

虽然机器视觉模块已经把大部分的电子电路都整合在单一模块中，但实际上在进行自动化或机器人机器视觉功能布署时，不只关键模块的设置需求，也需要在对应的自动化控制防呆、运作安全、电子电路保护安全同时考量，同时利用自动化或人工智能程序整合，让机器视觉在发现加工异状时，也能对应进行安全处置，避免自动化设备对工件甚至是操作者造成工安影响。

传感器传输信号速度  影响设备安全与效能

尤其是当传感器整合在生产线的工业机器人上时，其实要注意的不只是传感器的信号完整性问题，传感速度不仅要快，数据回馈给运算平台的效能也需一并考量。

对于传感器的传感信号完整性而言，主要是为了确认保证传感器可以读到正确的数值，而有了正确的数值后才能让人工智能程序做出正确的判断基础，若最前线的传感数据失准，其后的分析与决策处理都会造成系统问题。

传感数据回传的速度够快，也可为传感数据正确性判断，争取到更多分析时间，例如，传回的数据可以先与正常运行的参考值先进行比对，若数值差距过大，这表示不是传感器故障，就是传送中出现问题，可以先产生防呆处置避免错误对产线工件进行错误加工，或避免造成昂贵的自动化机电损坏，而传送数据够快，也可让自动化设备随即对制动设备进行对应保护措施，防止自动化机械做出危害公共安全的运作问题。

环境传感数据为类比基础  易受到干扰失准

当传感器的功能为侦测温度、湿度、压力等环境数值用途时，基本上这些环境数值的原始数据都是类比形式数据或参数，传感器取得的数据同时也会伴随环境杂讯取回，对于环境数据的撷取设计则必须搭配滤波电路改善，透过滤波设计先将环境杂讯过滤去除，在保留相对准确的测试数据回传系统，但滤波电路目前已经不是太大的问题，新一代的传感元件或是传感模块大多已将滤波模块整合在单一IC元件中，可以让自动化系统整合者省下不少滤波电路设计与系统验证负荷。

另外，在自动化产线、工厂应用环境中，环境杂讯与周遭大电力驱动的设备相当多，这些都会产生干扰源，而多数传感器的基础电路均为类比电子回路，而就电子电路来说，类比电路会较数码电路更易受到环境杂讯干扰，像是机器手臂中的驱动马达致动产生的瞬间高电流干扰，若将传感电路与驱动自动化设备的致动器电路使用同一组电力来源，或是两者电力现无有效隔离设计，就很容易因为驱动电流起起伏伏影响传感电路的正常运行。

传感器数据线路 需特别重视电路安全与传输效能

由于传感信号需要快速传输，才能有效进行实时分析与进行处理判断，对于重要的传输信号线，若在控制模块的线路载板进行布线时，有经验的自动化工程师会把数据传输线路与高电流传输线进行区隔，或是无法避免在同一块电路载板时，至少利用电路地线进行保护，作为隔离用的保护线路处置。

此外，进行传感器电路布线时，也需加上保护电路的设计概念，如防呆设计、防短路设计、ESD保护电路、防瞬间突波电路设计，甚至搭配ESD(ElectroStatic Discharge)改善芯片与瞬态电压抑制(Transient Voltage Suppressor；TVS)，透过完善的保护电路辅助，至少可让传感器在相对恶劣的自动化设备环境中，也能确保功能模块运作安全性，避免因生产环境问题导致设备故障。

即便新一代传感器在功能整合越来越强、也越来越多元，虽然可以让自动化工程师更容易透过模块化功能组合，开发自动化智能生产所需的传感与控制功能，但实际上在提供生产设备环境传感能力的同时，布署传感元件、功能模块也须确实搭配电子电路保护与防呆设计，避免关键的传感元件因为生产线环境高噪讯问题而导致传感数据失准或是传感器故障维修问题，因为设备故障不只会造成维修成本增加，若造成产线停摆、生产力下滑，造成的成本损失更加严重。