Индуктивные датчики, датчики положения

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.

Подобным образом устроены приборы измерения расхода жидкостей (давление снимается после дросселя определенного диаметра и пропускной способности), уровня.

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.

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.

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 -40С до +60С).

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.

Как проверить индукционный датчик на исправность

Установка индуктора коленчатого вала

Способов проверки существует довольно много, все зависит от навыков автомобилиста и наличия необходимых приборов.

• Наиболее примитивным способом проверки исправности индуктивного датчика является его визуальный осмотр. В процессе осмотра определяется наличие механических повреждений и нарушение изоляции и целостности проводов.
• Второй не менее простой способ заключается в банальной замене тестируемого датчика. Но скажем сразу – способ не лучший и, мало того, что он требует наличия нескольких резервных датчиков, он еще и крайне неточен.
• Если под рукой имеется тестер, то можно проверить датчик и с большой вероятностью сказать, неисправен ли он. Для этого необходимо достать индукционный датчик из посадочного гнезда, соблюдая полярность, подключить к питающим клеммам напряжение от аккумулятора автомобиля. Если длины штатных проводов достаточно, то можно использовать их и не отключать датчик от бортовой сети. Затем отключается сигнальный провод (он обычно имеет маркировку «В») и между ним и корпусом автомобиля подключается вольтметр. Далее, к датчику необходимо несколько раз поднести и убрать металлический предмет, при этом показания вольтметра должны замеряться. Если показания вольтметра не изменились, то датчик необходимо заменить на исправный.

Осциллограф

Более сложный способ проверки индукционного датчика при помощи измерительных приборов потребует от автолюбителя хорошего навыка обращения с осциллографом. Для того чтобы определить исправен датчик или нет, необходимо снять его характеристики в процессе работы и сравнить с эталонными. Образцовые характеристики можно найти на сайте производителя датчика. Для съема характеристик осциллограф подключается как и вольтметр, только датчик остается на штатном месте. Потом двигатель автомобиля заводится, и на экране осциллографа появляется искомая характеристика. Если эталонная и измеренная характеристики значительно не совпадают, то датчик необходимо заменить. 

Типы датчиков

Итак, что вообще такое датчик. Датчик — это устройство, которое выдает определенный сигнал при наступлении какого-либо определенного события. Иначе говоря, датчик при определенном условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал. Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.

Датчиков великое множество. Перечислю лишь те разновидности, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.

Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия — датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут «proximity sensor». Фактически это — датчик металла.

Оптические. Другие названия — фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются «датчик освещенности». Разновидность оптических датчиков — инфракрасные датчики движения, которые срабатывают на изменение температуры в зоне действия.

Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.

Давления. Если этот датчик дискретный, то принцип работы очень прост. Давления воздуха или масла нет — датчик выдает сигнал на контроллер или рвет аварийную цепь. Может быть датчик для измерения давления с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.

Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него надавливает объект (активатор).

Итак, мы выяснили, что воздействие (активация) может быть любым, а реакции может быть две — дискретный либо аналоговый сигнал. Поэтому, все датчики можно считать одинаковыми, различия могут быть только в способе активации (принципе действия) и схеме включения.

Для примера рассмотрим индуктивный датчик, поскольку он наиболее распространен.

Сферы использования

Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.

Медицинские аппараты

Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.

Бытовая техника

В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».

Автомобильная промышленность

Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.

Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации

Робототехническое оборудование

В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.

Промышленная техника регулирования и измерения

Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.

Чем отличаются индуктивные датчики

Почти все, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим, емкостным и другим датчикам.

Конструкция, вид корпуса.Тут два основных варианта — цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса — металл (различные сплавы) или пластик.
Диаметр цилиндрического датчика.Основные размеры — 12 и 18 мм. Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.
Расстояние переключения (рабочий зазор).Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надежное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние — до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм — до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков — до 20…30 мм.
Количество проводов для подключения.2-х проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки

Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением — не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность

Главное — обеспечить рабочий ток. 3-х проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один — для нагрузки. Подробнее расскажу ниже. 4-х и 5-ти проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод — выбор режима работы или состояния выхода.
Виды выходов датчиков по полярности.У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента.

Релейный. Реле коммутирует в простейшем случае один из проводов питания, как это делается в бытовых датчиках движения или освещенности. Универсальный вариант с «сухим» контактом, когда выходные контакты реле не связаны с питанием датчика. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением.

Транзисторный PNP. На выходе — транзистор PNP, то есть коммутируется «плюсовой» провод. К «минусу» нагрузка подключена постоянно.

Транзисторный NPN. На выходе — транзистор NPN, то есть коммутируется «минусовой», или нулевой провод. К «плюсу» нагрузка подключена постоянно.

Пример оптического датчика с релейным выходом

Можно четко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод питания и коммутируется. Другой полюс подключен к нагрузке постоянно. Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.

1. Виды датчиков по состоянию выхода.

   Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров — электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).

   Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание), либо выключен. Соответственно, говорят — нормально открытый (НО) контакт или нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт. В иностранном обозначении — NO и NC.

   То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков — то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода: PNP NO, PNP NC, NPN NO, NPN NC.

2. Положительная и отрицательная логика работы.

   Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле). Отрицательная или положительная логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.

Отрицательная логика: вход контроллера активизируется (логическая «1») при подключении к НУЛЮ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

Положительная логика: вход активизируется при подключении к +24 В. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с нулем. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.

В следующей статье мы рассмотрим реальные индуктивные датчики и их схемы включения.

Что следует знать о работе датчика?

Индуктивный датчик положения — это устройство со своей спецификой, поэтому в описании его работы и принципа действия часто используются специализированные определения:

1. Активная зона означает область, где степень воздействия магнитного поля проявляется в наибольшей степени. Она находится перед чувствительной поверхностью самого датчика, там уровень концентрации является самым высоким. Как правило, по размеру эта зона равна диаметру самого устройства.
2. Номинальное расстояние переключения. Такой параметр считается теоретическим, поскольку он не учитывает производственных особенностей, режим температуры, уровень напряжения и прочие факторы.
3. Рабочий зазор. Так обозначается тот диапазон параметров, который гарантирует эффективную и нормальную работу прибора без возникновения каких-либо проблем с его функционированием на производстве.
4. Поправочный коэффициент. Этот момент связан с тем, из какого материала сделан металлический объект, обследуемый датчиком, поскольку в зависимости от этого может быть скорректировано значение рабочего зазора.

Схема принципиальная датчика

Для более чёткого рассмотрения картинки — сохраните её на ПК и увеличьте.

Схема построена как генератор с индуктивной обратной связью. Колебательный контур на элементах: L2, C2 задаёт частоту, катушка L1 и ёмкость C1 обратной связи обеспечивают генерацию, резисторы: R2, R4 задают режим транзистора по постоянному току и стабилизируют его. Развязку по высокой частоте обеспечивает цепочка: R1, C3.

Формирователь выходного сигнала выполнен по схеме удвоения напряжения на элементах: C4, C5, VD1, VD2, R3 диоды любые высокочастотные, резистор R3 подбирается в зависимости от необходимой скорости убывания выходного напряжения при срыве генерации. При наличии металлического лепестка между катушками генерация срывается.

Печатная плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита, для её крепления используется  2 мм. отверстие, в которое вставляется болт с надетой на него ограничивающей бобышкой (или просто кусок хлорвиниловой трубки от капельницы) и зажимается всё гаечкой, либо болт вкручивается в нарезанную на каком-то основании резьбу…

Принцип действия

Всё базируется на изменении амплитуды колебаний используемого в индуктивном датчике генератора, когда в активную зону вносится предмет определённого размера из металлического, магнитного и ферро-магнитного материала. Так что использование может быть реализовано только с этими типами. Когда подаётся питание на конечный выключатель, расположенный в его области чувствительности, то образуется магнитное поле. Оно наводит в материале вихревые токи, влияние которых меняет амплитуду колебаний генератора. В конечном результате таких преобразований получается аналоговый выходной сигнал. Его величина меняется и зависит от расстояния между контролируемым предметом и датчиком. Триггер Шмитта превращает аналоговый сигнал в логический. Индуктивный датчик перемещения играет важную роль для механизмов, которые отслеживают изменение местоположения металлических деталей. Встретить подобные устройства вы можете в автомобильных конвейерах. Индуктивный датчик положения поможет определить, расположен ли предмет так, как должен. Если ответ отрицательный, то будут предприняты действия, предусмотренные программой, чтобы всё было так, как необходимо для полноценной и правильной работы конвейера.

Цветовая маркировка выводов

Все, что связано с электрическими сетями, особенно проводниками, обязательно обозначается цветовой маркировкой. Делается это для удобства проведения монтажа и обслуживания. Индуктивный датчик этого также не избежал. В нем выходы обозначены определенными стандартными цветами:

• Минус – синий цвет.
• Плюс – красный.
• Выход – черный.
• Бывает и второй выход, он белого цвета, который может быть и входом в систему управления. Об этом производитель обязательно информирует в инструкции.

Разновидности индукционных датчиков

И последнее – это конструктивные особенности, которые касаются корпуса датчика. Он может иметь цилиндрическую или прямоугольную форму. Изготавливается из металлических сплавов или пластика. Чаще всего в промышленности используются цилиндрические приборы диаметром 12 или 18 мм. Хотя есть в этой размерной линейке и другие параметры: 4, 8, 22 и 30 мм.