Принцип работы индуктивного датчика (положения, частоты вращения, перемещения и приближения)
Bis-auto.ru

Автомобильный портал

Принцип работы индуктивного датчика (положения, частоты вращения, перемещения и приближения)

ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ И ИХ ВИДЫ

Индуктивный датчик — устройство для измерения каких либо физических величин, преобразующий информацию в электрический сигнал. Основан на принципе изменения магнитного поля, генерируемого внутри, под воздействием металлического или ферромагнитного материала.

Используя различные электромеханические схемы, можно получить элементы контроля любых технических параметров — скорости, положения, перемещения, давления, частоты, уровня жидкости, много другого.

Индуктивные датчики — это бесконтактные устройства в герметическом корпусе, что позволяет их использовать во взрывопожароопасных средах, помещениях повышенной влажности, уличных условиях эксплуатации. Отсутствие движущихся частей и контактов, многократно увеличивает ресурс работы, надежность, по отношению к механическим аналогам.

Универсальность индуктивных элементов, простота монтажа и подключения, доступная стоимость дают возможность их применения во всех сферах жизни:

  • промышленность и производство — автоматизация, контроль;
  • техника — датчики давления, скорости, частоты, положения;
  • безопасность — системы защитного отключения, блокировки, сигнализации;
  • быт — приспособления контроля водоснабжения, освещения, открытия-закрытия дверей, элементы «умного дома».

УСТРОЙСТВО, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Индуктивные (или бесконтактные) датчики, несмотря на различную специфику, имеют схожее внутреннее устройство. Металлический либо пластиковый корпус залитый компаундом (электроизоляционный состав на основе эпоксидных смол, полимеров, битума), внутри располагаются генератор ЭМП, триггер (в аналоговых устройствах детектор), индикатор состояния (светодиод), усилитель сигнала.

Генератор состоит из полупроводникового элемента, производящего ток определенной частоты, который через катушку индуктивности, с ферритовым сердечником, создает переменное магнитное поле.

При вхождении в зону чувствительности датчика, токопроводящего материала (металлического сигнального флажка или другого исполнительного элемента), индуктивность системы меняется, в свою очередь, воздействую на амплитуду тока генератора. По достижении значений срабатывания, на триггере, формируется управляющий сигнал.

Усилитель увеличивает мощность импульса до необходимых значений, после чего, в зависимости от назначения прибора, он подается на коммутационный блок (размыкает — замыкает цепь) или далее, на средство измерения или АСУ.

По устройству датчики подразделяют на:

  • одинарные — с одним магнитопроводом, ветвью измерения. Схема реализована в бесконтактных выключателях;
  • дифференциальные — с двумя магнитопроводами ш-образной формы, взаимно компенсирующим воздействие на сердечник, что повышает чувствительность и точность измерений. По сути, представляют собой систему двух одинарных датчиков, с общим якорем;
  • трансформаторные — коэффициент трансформации изменяется при перемещении якоря, генерируя определенное напряжение на выходе вторичной обмотки. Принцип используется в элементах фиксации угловых, небольших линейных перемещений.

Индуктивные датчики работают как на постоянном токе (напряжение 12, 24, 42, 60 В), так и на переменном (до 220 В). Характеризуются следующими параметрами:

  • максимальный ток;
  • частота переключений — для большинства моделей до 1-5 кГц;
  • предел срабатывания — минимальное значение физической величины вызывающее отклик;
  • скорость срабатывания (в микросекундах);
  • климатическое исполнение — диапазон температур при которых устройство гарантированно работает (от -40 0 С до +60 0 С).

Преимуществами индуктивных элементов, перед аналогичными устройствами других принципов действия, являются:

  • надежность конструкции — отсутствие движущихся элементов, контактов, полная герметичность, прочность;
  • ресурс работы до 10 лет, не требуют какого либо обслуживания;
  • высокая чувствительность, скорость и частота срабатывания;
  • мощность выходного сигнала до 100 Вт и выше;
  • доступность, широкий выбор типов и производителей.

Недостатки:

  • требовательны к «чистоте» и постоянству питающего тока;
  • чувствительны к воздействию внешних магнитных полей, возможно искажение выходного сигнала.

ПРИМЕНЕНИЕ И СПЕЦИФИКА

В промышленности и технике, индуктивные элементы постепенно вытесняют механические концевые выключатели. Индуктивный бесконтактный датчик замыкает-размыкает управляемую цепь при попадании металла в зону чувствительности.

Различные кинематические схемы позволяют использовать устройство для контроля состояния дверей, створок, люков, положения деталей, ограничения хода подвижных элементов, системах защитного отключения, блокировки включения.

Индуктивный датчик положения позволяет фиксировать перемещение объекта расстоянием от нескольких микрометров до сантиметров. По устройству, в большинстве случаев, это дифференциальный трансформатор. Ток со вторичной обмотки подается на систему автоматизированного управления, которая контролирует работу всего агрегата, линии, машины. По такому же принципу устроены элементы измерения углов поворота.

Индуктивный датчик давления имеет электромеханическую конструкцию. Основой является элемент фиксирующий перемещение, якорь которого соединен с поршнем или мембраной. Сила, возникающая в результате воздействия давления жидкости или газа, уравновешивается пружиной, вынуждает занимать якорь определенное положение. Информация переводится в форму электронного сигнала, передается на КИП или АСУ.

Индуктивный датчик скорости отличается от бесконтактных выключателей наличием блока измерения частоты импульсов. Зубчатое колесо, вращаясь, периодически воздействует на зону чувствительности, генерируя импульсы определенной частоты, зависящие от скорости движения. Частота сравнивается блоком измерений, передается далее на КИП, АСУ, либо коммутирующий элемент.

По аналогичному принципу работают приборы измерения частоты, направления вращения, положения коленчатого вала.

По типу подключения, количеству выходов, промышленность выпускает датчики:

  • двухпроводные — включаемые непосредственно в управляемую сеть. Бесконтактные выключатели, элементы сигнализации, защиты.
  • трехпроводные — питание выделено отдельно (как правило это синий и красный выводы), нагрузка — сигнал, третий (черный) проводник;
  • четырехпроводные — имеют два выхода для передачи информации;
  • пятипроводные — пятый, вход, используется для управления режимами работы.

ПРОИЗВОДИТЕЛИ И БРЕНДЫ

Российский рынок средств КИП представлен сотнями отечественных и зарубежных марок. Европейские производители, традиционно позиционируются как поставщики наиболее качественной, но и более дорогой продукции.

Наиболее известные IFM Electronic, Balluff, Turck.

IFM Electronic — немецкая корпорация выпускающая средства измерения, автоматики с 1969 года. Товарооборот превышает миллиард евро. Реализует «всю линейку» датчиков индуктивности, системы управления, идентификации.

Balluff — один из мировых лидеров по электротехнической продукции. Компания основана в 1929 году, немецким инженером Гебхардом Баллуфом. Сегодня, это международная корпорация представленная в 30 странах планеты. Производство организовано на территории США, Бразилии, Швейцарии, Японии, Венгрии.

AECO — итальянский бренд специализирующийся на выпуске датчиков, средств КИП, автоматики. Работают уже более 50 лет.

Отечественная продукция может не уступать по качеству и стоит на 20-30% дешевле западных аналогов. Известные марки ТЕКО, Сенсор.

НПК «Теко» — завод, более 25 лет, выпускающий электроавтоматику. Помимо индуктивных приборов известен оптическими, емкостными, сенсорными устройствами.

ЗАО «Сенсор» — екатеринбургская торгово производственная компания. Производит бесконтактные выключатели для работы в северной климатической зоне (до -60 0 С ).

Нижний ценовой диапазон занимают товары Китайской Народной Республики.

© 2014-2020 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Принцип действия и основные параметры индуктивных датчиков положения

Самым распространенным типом устройств в составе существующих АСУ ТП являются индуктивные датчики положения, их количество превышает 90% от всех применяемых дискретных датчиков положения. Любой технологический процесс в практически любой отрасли промышленности (пищевая, машиностроение, нефтегазовая, энергетика) требует отслеживать положение заслонок, приводов, клапанов, деталей и заготовок, подвижных элементов конструкций агрегатов и т.д. в автоматическом режиме.

Повсеместному распространению индуктивных датчиков послужили их надежность, отличные эксплуатационные характеристики и сравнительно низкая стоимость. Основными рабочими характеристиками индуктивных датчиков положения являются: диапазон срабатывания, степень защиты, рабочая температура и частота отклика.

Принцип действия индуктивных датчиков заключается в следующем. При подаче питания на датчик возбуждается первичная обмотка от переменного напряжения резонатор и тем самым создает вблизи себя электромагнитное поле. При помещении в зону действия электромагнитного поля металлического объекта, который, по сути, становится вторичной обмоткой, начинают наводиться токи вихревого характера, так называемые токи Фуко. Такое явление ведет к ухудшению добротности первичной обмотки, что в свою очередь приводит к изменению в сторону уменьшения амплитуды сигнала резонатора, из-за чего срабатывает компаратор (триггер Шмидта), далее сигнал усиливается посредством усилителя и выдается на выход датчика.

Читать еще:  Замена топливного фильтра шевроле нива: пошаговая инструкция с фото

Параметры индуктивных датчиков положения и рекомендации по их применению

Чтобы правильно подобрать индуктивный датчик под определенную задачу необходимо знать ряд основных параметров, а также за какие функции эти параметры отвечают.

Наверное, главным параметром, указанным в паспорте на датчик является номинальный диапазон срабатывания. Он обозначается как Sn. Номинальный диапазон срабатывания, хотя и является основным параметром, но практического значения особо не имеет. Так как его значение получается при ряде ограничений связанных с внешними факторами, а именно: температура окружающей среды 20 градусов Цельсия, питающее напряжение 24 В постоянного или же 230 В переменного тока. А в качестве объекта должна использоваться стальная пластина, выполненная из определенной стали, квадратной формы с шириной в 3 раза больше ширины значения Sn и толщиной 1мм. Практическое же значение имеют такие параметры, как эффективный диапазон срабатывания Sr и полезный диапазон срабатывания Su. Значение Sr варьируется в пределах плюс минус 10% от номинального диапазона срабатывания, а измеряется в температурном диапазоне от 18 до 28 градусов Цельсия и при номинальном напряжении питания. Полезный диапазон срабатывания индуктивного датчика варьируется в пределах плюс минус 10% от эффективного и измеряется при напряжении питания равного 85% — 110% от номинального и температуре от -25 до +70 градусов Цельсия. Часто в техническом описании на датчик можно встретить такой параметр, как гарантированная зона (диапазон) срабатывания. Его нижняя граница равна 0, а верхняя значению 0.81Sn. Также важными параметрами индуктивных датчиков положения, влияющими на точность и достоверность измерений, являются гистерезис и повторяемость H и R соответственно. Гистерезисом называют расстояние между самыми дальними точками срабатывания датчика на объект при приближении и удалении последнего. Нормальным считается значение гистерезиса равное 0.2Sr.

Помимо свойств присущих непосредственно самому индуктивному датчику положения на диапазон срабатывания влияют свойства материала объекта, речь идет об электропроводимости и магнитной проницаемости. Для этого было введено понятие коэффициента редукции. Эталонным материалом считается Сталь 37, ее коэффициент редукции равен 1. Для других металлов коэффициент редукции имеет значение меньше 1. Например, нержавейка имеет коэффициент редукции 0.85, а медь всего лишь 0.3. То есть, если объектом срабатывания является медь, то диапазон срабатывания уменьшается до значения равного 0.3Sn .

Далее описываются другие, но не менее важные параметры индуктивных датчиков положения.

Напряжение питания датчика

Питание индуктивных датчиков может осуществляться как от источников постоянного тока, так и источников переменного тока. Для постоянного тока характерны диапазоны напряжений: 10-30В, 10-60В и 5-60В. Для переменного тока характерен диапазон: 98-253В. Также существуют индуктивные датчики имеющие универсальное питание, такие датчики можно запитать как от источника постоянного, так и от источника переменного тока.

Номинальный ток нагрузки

Параметр показывает, на какое значение тока рассчитан датчик при действии нагрузки продолжительный интервал времени. Стандартным является значение равное 200мА, но бывают спец исполнения датчиков рассчитанные и на 500мА.

Параметр показывает, с какой максимальной частотой, выраженной в герцах, датчик может осуществлять переключения. Для большинства промышленных применений хватает частоты отклика равной 1000Гц, а вот поднимать частоту выше 5кГц производителям датчиков нет особого смысла, так как такая частота будет выше, частоты выполнения стандартного цикла промышленного контроллера (ПЛК). Тем самым состояние такого датчика может быть неверно интерпретировано модулем ввода ПЛК.

При выборе датчиков также стоит обратить на степень защиты корпуса от брызг и пыли, и диапазон температуры при котором может работать индуктивный датчик. Стандартными являются степень защиты IP67, а температурный диапазон от минус 25 до плюс 70 градусов Цельсия.

Принцип работы и подключение индуктивных датчиков

Бесконтактный датчик индуктивности позиционируется как сенсор, способный реагировать на металлические предметы, оказавшиеся в его электромагнитном поле. Благодаря этому свойству индуктивных бесконтактных датчиков удается отслеживать перемещение подвижных частей оборудования и при необходимости отключать двигатель приводного механизма. Для распознавания и анализа изменений магнитного поля в их состав вводится специальный электронный узел, называемый контроллером (компаратором).

Устройство и принцип действия

Индукционные датчики положения, помимо электронного компаратора, содержат в своем составе следующие обязательные компоненты:

  • стальной корпус с разъемом для соединительного шнура;
  • встроенный чувствительный элемент, регистрирующий на изменения магнитного поля, выполнен в виде стального сердечника с катушкой;
  • исполнительный релейный модуль;
  • индикатор активации на светодиоде.

Конструкции различных моделей датчиков металла могут иметь некоторые отличия. Они не влияют на сам индукционный датчик, принцип работы его от этого не меняется.

В соответствии с устройством прибора суть его работы описывается следующим образом:

  • перемещение металлической части контролируемого объекта приводит к изменению индуктивности чувствительного элемента датчика;
  • отклонение объясняется искажением его магнитного поля, следствием которого является изменение параметров электрической схемы и ее активация (светодиод загорается);
  • после этого срабатывает электронный модуль и посылает сигнал на исполнительное устройство;
  • при поступлении импульса о превышении перемещением допустимого предела выходной (релейный) узел отключает контролируемое оборудование от сети.

Каждая модель имеет собственный показатель чувствительности по перемещению – зазор смещения. Для различных образцов этот параметр варьируется в пределах от 1 микрона до 20 миллиметров.

Параметры индуктивных датчиков

Помимо диапазона срабатывания или чувствительности индуктивный датчик характеризуется следующими рабочими показателями:

  • Размер (диаметр) посадочной резьбы, у различных образцов принимающий значения от 8-ми до 30-ти мм.
  • Номинальное напряжение питания при температуре плюс 20 градусов, до 90 Вольт постоянного и до 230 Вольт – переменного токов.
  • Общая длина корпуса – ее значение зависит от рабочего напряжения.

Последний показатель у различных образцов может варьироваться в значительных пределах.

Для чувствительной или активной зоны прибора вводится еще один параметр, называемый гарантированным пределом срабатывания. Его нижняя граница равна нулю, а верхняя составляет 80 процентов от номинального значения. Этот показатель иногда называют поправочным коэффициентом рабочего зазора.

Не менее важный показатель функциональности чувствительного прибора – количество соединительных проводов в разъеме. Обычно их насчитывается два или три: два питающих и один для активации схемы. Однако возможны варианты подключения, при обустройстве которых используются четыре или пять контактных точек. Подобные образцы кроме двух питающих проводников содержат два выхода на нагрузку. При этом пятый проводник используется для выбора режима работы самого устройства.

Виды выходов и способы подключения

Для оценки действия чувствительного прибора вводится особая характеристика, оцениваемая по состоянию полярности его выходных параметров. В соответствии с общепринятым обозначением полупроводниковых элементов (транзисторов), входящих в состав электронной схемы датчика, эти выходы называются «PNP» и «NPN».

Отличие этих наименований состоит в том, что они обозначают различные полярности (полюса) источника питания чувствительных приборов. PNP транзисторы коммутируют его положительный выход, а NPN – отрицательный. Нагрузкой выходных схем чаще всего является управляющий микропроцессор.

В зависимости от схемы управления контроллером индуктивные датчики обозначаются как HO (нормально открытые) или HЗ – с нормально закрытым входом.

Вариант с NPN транзистором – наиболее распространенный способ включения датчика, поскольку согласно стандартным схемным решениям отрицательный провод делается общим для всех компонентов. В этом случае входы микропроцессоров и других контролирующих устройств активируются положительным напряжением.

Маркировка при подключении

На принципиальных схемах индуктивные датчики принято обозначать в виде ромба или квадрата с двумя вертикальными линиями внутри. Нередко в них также указывается тип выхода (нормально открытый или закрытый), соответствующий одной из разновидностей полупроводниковых транзисторов. В большинстве вариантов схем указывается нормально закрытая группа или оба типа в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов

На практике применяется стандартная система маркировки выводов датчиков индуктивности, которой придерживаются все без исключения производители чувствительных приборов. Тем не менее, перед их монтажом рекомендуется внимательно следить за полярностью подключения и обязательно сверяться с прилагаемой к изделиям инструкцией.

Читать еще:  Замена топливного фильтра на volkswagen polo sedan (инструкция)

На корпусах всех датчиков имеется рисунок с цветной маркировкой проводов, если это позволяют его размеры.

Стандартный порядок обозначения:

  • синий (Blue) всегда означает минусовую шину питания;
  • коричневым цветом (Brown) обозначается плюсовой проводник;
  • черный (Black) соответствует выходу датчика;
  • белый (White) – это дополнительный выход или вход.

Для уточнения последнего маркировочного обозначения его следует сверить с данными инструкции, прилагаемой к конкретному прибору.

Погрешности датчиков

Погрешность снятия показаний контрольной системой существенно влияет на работу бесконтактного индуктивного датчика. Ее общая величина набирается из отдельных ошибок измерений по различным показателям: электромагнитным, температурным, аппаратным, магнитной упругости и многим другим.

Электромагнитная погрешность определяется как случайно проявляющаяся величина. Она появляется из-за паразитной ЭДС, наведенной в катушке внешними магнитными полями. В производственных условиях этот компонент создается силовым оборудованием с рабочей частотой 50 Герц. Температурная погрешность – один из важнейших показателей, поскольку работать большинство датчиков могут лишь в определенном диапазоне температур. Она обязательно учитывается при проектировании устройств этого класса.

Погрешность магнитной упругости вводится как показатель нестабильности деформаций сердечника, возникающей в процессе сборки прибора, а также как тот же фактор, но проявляющийся при его работе. Нестабильности внутренних напряжений в магнитопроводе приводит к ошибкам в обработке выходного сигнала. Погрешность, возникающая в самом чувствительном устройстве, проявляется из-за влияния полевой структуры на коэффициент деформации металлических элементов датчика. Кроме того, на ее суммарное значение существенно влияют люфты и зазоры в подвижных частях конструкции.

Погрешность соединительного кабеля набирается из отклонений величины сопротивления его проводных жил в зависимости от температурного фактора, а также как наводки посторонних электромагнитных полей и ЭДС. Тензометрическая погрешность как случайная величина зависит от качества изготовления намоточных элементов датчика (его катушки, в частности). В различных условиях эксплуатации возможно изменение сопротивления обмотки по постоянному току, приводящее к «плаванию» выходного сигнала. Погрешность старения проявляется вследствие износа подвижных элементов датчика, а также изменения электромагнитных свойств магнитопровода.

Проверить реальную величину этого параметра удается только с помощью сверхточных измерительных приборов. При этом обязательно принимаются во внимание кинематические особенности самого датчика. При проектировании и изготовлении чувствительных элементов такая возможность заранее учитывается в его конструкции.

Для индуктивных и емкостных датчиков характерны режимы работы со многими факторами влияния, определяемыми конкретными условиями эксплуатации. Именно поэтому выбор подходящих для данной марки прибора чувствительности и набора выходных параметров является определяющим при его использовании в качестве конечного выключателя.

Датчики приближения Autonics: индуктивные и емкостные

Область применения бесконтактных датчиков приближения постоянно расширяется. Их можно встретить в самых различных приложениях: в медицинских приборах, автоматизированных промышленных линиях, бытовой технике. Данная статья посвящена описанию основных принципов работы емкостных и индуктивных датчиков, а также обзору серий PRDCM и CR бесконтактных датчиков от A­utonics.

Что общего между индуктосином фрезерного станка, сенсорным экраном смартфона, датчиком закрытия двери автомобиля и светильником с автоматическим включением? Ответ достаточно прост — во всех приведенных приложениях используются датчики приближения.

Датчики приближения — элементы, позволяющие обнаруживать присутствие, приближение или удаление различных объектов. Это достаточно широкий класс устройств, который может быть разделен на группы, по различным признакам (рисунок 1).

Рисунок 1 — Виды датчиков приближения

По типу взаимодействия с объектом датчики приближения делят на контактные и бесконтактные.

Яркими примерами контактных датчиков являются концевые выключатели (например, датчики закрытия дверей в автомобилях).

Контактные датчики могут выполнять не только функцию включения и выключения, но и определять положение объекта, например, резистивные датчики уровня топлива. Для них выходным является аналоговый сигнал — значение сопротивления, пропорциональное уровню жидкости.

Достоинствами контактных датчиков является простота устройства и использования. Среди их недостатков можно отметить наличие механических подвижных частей и невозможность, в большинстве случаев, создать высокий уровень пыле- и влагозащищенности. Это приводит к сокращению срока службы. Гораздо более длительный ресурс и максимальную защиту от негативного воздействия внешней среды имеют бесконтактные датчики.

Бесконтактные датчики включают две группы: датчики положения и выключатели. Основная функция бесконтактных выключателей состоит в релейном переключении состояния выхода при обнаружении объекта. В датчиках положения на выходе формируется сигнал, зависящий от расстояния до объекта.

Каждая из групп содержит сенсоры с различными технологиями обнаружения: индуктивные, емкостные и фотоэлектрические.

Данная статья посвящена бесконтактным индуктивным и емкостным выключателям компании Autonics. Первая часть статьи дает общее описание принципа их работы и устройства. Далее приводится анализ их основных характеристик и особенностей. Заключительная часть содержит обзор двух серий выключателей Autonics: индуктивных PRDCM и емкостных CR.

Устройство и принцип действия индуктивных и емкостных датчиков приближения

Емкостные и индуктивные датчики способны обнаруживать присутствие объекта без непосредственного контакта с ним. При этом индуктивные выключатели чувствительны только к металлическим предметам, а емкостные способны детектировать любые предметы, диэлектрическая проницаемость которых отлична от воздуха (например, воду, дерево, металл, пластик и т.д.). Рассмотрим принцип работы каждого датчика отдельно.

Основным элементом индуктивного датчика является катушка индуктивности (рисунок 2). Она подключена к генератору. Переменное электрическое напряжение на ее выводах вызывает переменное магнитное поле. Линии поля будут перпендикулярны направлению тока в витках катушки.

Рисунок 2 — Принцип работы индуктивного датчика приближения

При отсутствии вблизи катушки металлических объектов линии магнитного поля замыкаются по воздуху. А амплитуда электрических колебаний будет максимальной.

Если же к катушке приближать металлический объект, то все большая часть силовых линий начнет замыкаться через него. Индуктивность катушки начнет увеличиваться. Этот процесс схож с процессом введения сердечника. При этом рост индуктивности приведет к уменьшению амплитуды и/или частоты колебаний.

Если такую систему снабдить детектором, то по изменению амплитуды сигнала можно судить о наличии металлического объекта, его приближении или удалении.

В основе работы емкостного датчика, как следует из названия, положено использование емкостных связей. Сам датчик, по сути, представляет собой одну из обкладок пространственного конденсатора. Второй обкладкой является земля. В качестве диэлектрика выступает преимущественно воздух. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха мала (ε=1), то емкость такого конденсатора не велика. Если же к датчику начинает приближаться некоторый объект с более высоким значением ε, то суммарная емкость начнет увеличиваться (рисунок 3).

Рисунок 3 — Принцип работы емкостного датчика приближения

Таким образом, по величине емкости можно судить о наличии объекта, его приближении или удалении. При этом материал объекта может быть практически любым, важным является только значение его диэлектрической проницаемости.

Как правило, для измерения используются схемы с преобразованием емкости в частоту или амплитуду колебаний, которые измеряются с помощью детектора. В итоге, как и в случае с индуктивным датчиком необходимо наличие двух обязательных элементов: генератора и детектора (рисунок 4).

Рисунок 4 — Структурные схемы датчиков приближения

Емкостные и индуктивные выключатели имеют выходной сигнал релейного типа (включен или выключен) (рисунок 5). По этой причине, схема датчиков имеет переключательный элемент — триггер, который для предотвращения ложных срабатываний снабжен гистерезисом.

Рисунок 5 — Формирование выходных сигналов выключателей

Рассмотрим основные характеристики бесконтактных выключателей.

Основные характеристики и особенности датчиков приближения

Дадим краткую характеристику основным параметрам датчиков приближения.

Зона чувствительности или активная зона (Sensing Distance) (мм). Как было показано выше, диапазон действия датчиков приближения ограничен. Значительное изменение измеряемой емкости и индуктивности наблюдается вблизи чувствительного элемента сенсора (рисунок 2, 3).

Читать еще:  Пошаговая инструкция по замене наконечников рулевых тяг на renault logan

Сенсор начинает «чувствовать» объект только на достаточно близких расстояниях, сравнимых с размерами самого датчика. Эта зона чувствительности называется активной зоной. В случае индуктивных датчиков она определяет область наибольшей плотности линий магнитного поля.

Расстояние срабатывания (мм). После попадания объекта в активную зону датчик переключается не сразу, а при достижении некоего поргового значения, которое задается внутренним триггером с гистерезисом.

Гистерезис. Он необходим для исключения ложных срабатываний. При этом включение и выключение датчика происходит при различном уровне колебаний.

Рабочий зазор (Setting Distance), (мм) — расстояние, на котором гарантированно обнаруживается заданный объект.

В последнем определении использовался термин «заданный объект». Необходимо сделать дополнительные пояснения. Дело в том, что все перечисленные характеристики не являются жестко заданными. На их величину влияет целый ряд факторов: материал и размер объекта, температурный дрейф, технологические параметры самого датчика. По этой причине все приведенные характеристики измеряются при использовании конкретного объекта при нормальной температуре (обычно 20 или 25 °С).

Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры индуктивных датчиков. Как было показано выше, приближающийся металлический объект выступает в роли сердечника для чувствительной катушки. Очевидно, что материал и форма сердечника оказывает значительное влияние на значение индуктивности.

По этой причине все номинальные характеристики относятся к конкретному объекту, который всегда указывается в документации на датчик. Обычно это железная квадратная пластина с заданными размерами.

Если предполагается использовать другой материал, то необходимо использовать поправочный коэффициент редукции (таблица 1).

Таблица 1 — Примеры коэффициентов редукции индуктвных датчиков

Принцип работы индуктивных датчиков

что такое Датчик индуктивный? Индуктивные датчики широко используются для измерения положения и скорости, особенно в неблагоприятных условиях эксплуатации.Однако терминология и методы работы индуктивных датчиков могут вводить многих инженеров в заблуждение. В этой статье Марк Ховард из компании Zettlex объясняет принципы работы и описывает типы существующих датчиков, а также перечисляет их преимущества и недостатки.

Индуктивные датчики положения и скорости бывают самых разнообразных форм, размеров и конструкций. Можно сказать, что все индуктивные датчики работают по принципу работы трансформатора и физическое явление, основанное на переменных электрических токах. Это явление впервые наблюдал Майкл Фарадей в 1830-х годах, когда обнаружил, что первый токопроводящий проводник может «индуцировать» ток во втором проводнике. Открытия Фарадея позволили создать электродвигатели, динамометры и, конечно же, индуктивные датчики положения и скорости. В число таких датчиков входят простые бесконтактные реле, датчики переменной индуктивности и сопротивления, синхронизаторы, резольверы, ротационные датчики перемещения и линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (RVDT и LVDT).

Различные типы индуктивных датчиков

В простом бесконтактном датчике (иногда называемом бесконтактным реле) при подключении устройства к источнику электропитания в его катушке (цепи, контуре или обмотке) протекает переменный ток. При приближении к катушке проводящего или магнитопроницаемого материала, например стального диска, импеданс катушки изменяется. Превышение порогового значения служит сигналом о наличии объекта. Бесконтактные датчики обычно используются для определения наличия металла, а их выходной сигнал часто используется для управления переключателем. Эти датчики широко используются во многих областях промышленности, где проблематично использовать электрические контакты обычных переключателей, например там, где много грязи или воды. Даже в обычной автомойке используется множество индуктивных бесконтактных датчиков.

Индуктивные датчики переменной индуктивности и сопротивления обычно генерируют электрический сигнал, пропорциональный смещению проводящего или магнитопроницаемого объекта (обычно стального стержня) относительно катушки. Как и в случае с бесконтактными датчиками, импеданс катушки изменяется пропорционально смещению объекта относительно катушки, в которой протекает переменный ток. Такие устройства обычно используются для измерения смещения поршней в цилиндрах, например в пневматических или гидравлических системах. Можно сделать так, чтобы поршень проходил по внешнему диаметру катушки.

Сельсины измеряют индуктивную связь между катушками, когда те движутся относительно друг друга. Сельсины, которые обычно вращаются, необходимо напрямую подключать как к движущейся, так и к неподвижной деталям (обычно называемым ротором и статором). Они обеспечивают чрезвычайно высокую точность измерений и используются в промышленной метрологии, радиолокационных антеннах и телескопах. Сельсины, как известно, сегодня дорогие и используются все реже, так как на смену им приходят (бесщеточные) резольверы. Последние представляют собой еще один вид индуктивных датчиков, но подключаются только к обмоткам статора.

LVDT, RVDT и резольверы измеряют изменение индуктивной связи между катушками, которые обычно называют первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка передает энергию во вторичные, но количество энергии в каждой из вторичных обмоток изменяется пропорционально относительному смещению магнитопроницаемого материала. В LVDT через отверстие обмоток обычно проходит металлический стержень. Как правило, ротор или полюсная деталь вращаются в RVDT или резольвере относительно обмоток, расположенных вокруг ротора. Обычно LVDT и RVDT используются в гидравлических сервоприводах элеронов аэрокосмических аппаратов, а также элементах управления двигателем и топливной системой. Резольверы, в свою очередь, применяются для коммутации бесщеточных электродвигателей.

Существенным преимуществом индуктивных датчиков является то, что связанные схемы обработки сигналов не нужно располагать в непосредственной близости от чувствительных катушек. Это позволяет размещать чувствительные катушки в неблагоприятных условиях эксплуатации, где другие методы измерения (например, магнитные или оптические) невозможны, поскольку для них относительно чувствительная кремниевая электроника должна находиться в точке измерения.

Применение

Индуктивные датчики известны своей надежностью при работе в сложных условиях. Следовательно, часто именно их сразу выбирают тогда, когда необходимо обеспечить безопасность или высокую надежность работы. Такие требования широко распространены в военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности.

Причина солидной репутации датчиков связана с фундаментальными законами физики и принципами работы, которые, как правило, не зависят от:

  • подвижных электрических контактов;
  • температуры;
  • влажности, воды и наличия конденсата;
  • посторонних предметов, например грязи, жира, твердых частиц и песка.

Преимущества и недостатки

Особенности конструкции основных элементов управления (катушек обмотки и металлических деталей) обеспечивают чрезвычайную надежность большинства индуктивных датчиков. Учитывая их солидную репутацию, возникает очевидный вопрос: «Почему индуктивные датчики не используются чаще?» Причина в том, что их физическая прочность является одновременно их преимуществом и недостатком. Индуктивные датчики отличаются точностью, надежностью и стабильностью, но при этом являются большими, громоздкими и тяжелыми. Большой расход материала и необходимость тщательной намотки катушек обуславливают дороговизну производства датчиков, особенно высокоточных приборов, требующий прецизионной намотки. Помимо простых бесконтактных датчиков, более сложные индуктивные датчики стоят слишком дорого для использования в широко распространенных коммерческих или промышленных сферах применения.

Другая причина их относительно редкого использования заключается в сложности составления инженерами-конструкторами технических условий. Это связано с тем, что схемы генерации переменного тока и обработки сигналов для каждого датчика необходимо рассчитывать и приобретать отдельно. Для этого обычно требуются глубокие навыки и знания в области аналоговой электроники. Поскольку молодые инженеры стремятся сосредоточиться на цифровой электронике, они рассматривают изучение таких дисциплин как приобретение ненужной квалификации, которую следует избегать.

Индуктивные датчики следующего поколения

Тем не менее, в последние годы на рынке появилось новое поколение индуктивных датчиков, которые пользуются все большей популярностью не только в традиционных сферах, но и в промышленном, автомобильном, медицинском, коммунальном, научном и нефтегазовом секторах. В этих индуктивных датчиках нового поколения используются те же фундаментальные законы физики, что и традиционных устройствах, но в них применяются печатные платы и современная цифровая электроника, а не громоздкие трансформаторные конструкции и аналоговая электроника. Такой элегантный подход также позволяет использовать эти технологии в 2D и 3D-датчиках, линейных устройствах с укороченным (

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector