Introdução
Sensores de proximidade são usados em ambientes industriais para detectar a presença de objetos. Existem dois tipos principais de objetos; metálico e não metálico. Sensores de proximidade indutivos são especialmente projetados para detectar objetos metálicos.
Neste post, vamos dar uma olhada em profundidade em indutivo sensores de proximidade e suas aplicações.
O que é um sensor de proximidade indutivo?
Os sensores indutivos pertencem à família dos sensores de proximidade. Eles usam o princípio de Indução eletromagnética para detectar e medir objetos. Existem sensores de saída digitais e analógicos disponíveis no mercado.
Sensores de proximidade indutivos são sensores do tipo sem contato. Eles podem detectar objetos sem contato físico. Eles encontram sua aplicação na detecção de objetos metálicos em ambientes de automação industrial. Isso inclui objetos feitos de ferro, cobre e alumínio.
A faixa de detecção dos sensores de proximidade indutivos depende do tipo de material. Sensores de proximidade indutivos funcionam melhor com metal ferroso (objetos de ferro), mas também podemos usá-los para detectar outros objetos metálicos.
Princípio de funcionamento do sensor de proximidade indutivo
Sensores de proximidade indutivos usam o princípio da indução eletromagnética para detectar a presença / ausência de objetos metálicos. Esses sensores são muito semelhantes aos sensores de proximidade capacitivos em termos de tamanho. Abaixo é mostrado o ALJ8A3-1-Z / N1 interruptor de proximidade indutivo por OMCH.co
Vamos tentar entender o princípio de funcionamento dos sensores de proximidade indutivos, começando com o método de detecção, Indução eletromagnética e Correntes de Foucault.
Princípio da Indução Eletromagnética
Quando uma corrente CC é aplicada a um condutor (ou seja, um fio), ela cria um campo magnético ao redor do condutor. Isso é chamado de 'campo magnético estático' porque é gerado por uma corrente CC.
Se a fonte de corrente for uma tensão CA, o campo magnético criado começa a 'oscilar' para frente e para trás.
Se um objeto metálico, como um pedaço de fio, for colocado dentro desse campo magnético, esse campo magnético oscilante faz com que uma corrente elétrica seja gerada dentro desse segundo condutor. Este princípio é conhecido como 'indução eletromagnética'. Este é o princípio que também pode ser encontrado em transformadores elétricos.
Este mesmo fenômeno também pode ser observado quando o campo magnético é estático e o condutor se move através do campo magnético.
Correntes de Eddy
Quando um objeto metálico entra em um campo eletromagnético, o campo cria uma corrente elétrica dentro do condutor de acordo com o princípio da indução eletromagnética. Às vezes, esse efeito se torna indesejável. As correntes parasitas são o tipo de correntes induzidas que começam a circular / formar um loop dentro do objeto metálico.
As correntes parasitas não saem do objeto como fluxo de corrente elétrica. As correntes parasitas também perturbam o campo magnético existente. Esse é o fenômeno de que os sensores de proximidade indutivos se aproveitam para detectar objetos.
Como um sensor de proximidade indutivo detecta objetos metálicos?
Sensores de proximidade indutivos usam o mesmo princípio das correntes parasitas para detectar objetos metálicos. Eles medem a mudança nas correntes parasitas induzidas no objeto presente e emitem um sinal de acordo.
Medir correntes parasitas em um objeto próximo, entretanto, é uma tarefa complicada. Portanto, os sensores de proximidade indutivos também têm circuitos complicados dentro deles para processar os sinais e fornecer uma saída decente.
Quando ativado, o sensor cria um campo magnético oscilante na face sensora. Este campo magnético é criado usando um oscilador LC, que consiste em um capacitor e uma bobina.
Um circuito especial mantém a frequência de oscilação constante. Para sensores CA, essa frequência é de cerca de 10 a 20 Hz, enquanto os sensores CC trabalham na faixa de 500 Hz a 5 kHz.
Quando um objeto metálico entra no campo magnético gerado, o campo induz uma corrente elétrica dentro do objeto. Isso também faz com que correntes parasitas circulem dentro do objeto.
Conforme mencionado anteriormente, as correntes parasitas interrompem o campo magnético gerado pelo sensor.
Essa interrupção amortece a oscilação natural no circuito do oscilador. Isso também é conhecido como 'amortecimento magnético'. O amortecimento magnético aumenta a carga na oscilação. Por sua vez, reduz a amplitude do sinal oscilante.
Um circuito comparador separado monitora esse sinal oscilante. Sempre que a amplitude do sinal atinge abaixo ou acima de um certo limite, o circuito ativa a saída. Para um sensor digital, este é um sinal de saída lógico HIGH ou LOW. Para um sensor analógico, o sinal de saída é um sinal de corrente ou tensão.
Construir um circuito de sensor de proximidade indutivo
Existem sensores prontos para compra de vários fabricantes. Podemos usá-los em qualquer aplicação de automação industrial onde a detecção de metais seja necessária. Semelhante a outros tipos de sensores, os sensores de proximidade indutivos também vêm em diferentes tipos de saída: PNP e NPN.
Existem também sensores de proximidade indutivos de 2 fios disponíveis.
Circuito de sensor de proximidade indutivo usando um sensor industrial
Vejamos um exemplo em que uma campainha é ativada quando o sensor detecta um objeto metálico. Para este exemplo, um sensor de proximidade indutivo do tipo PNP é usado.
Seguindo a notação de fiação típica, o fio marrom do sensor é o terminal positivo da fonte de alimentação. A tensão de alimentação pode variar de 6V a 36VDV. O fio azul está conectado ao aterramento.
A saída do sensor (fio preto) se conecta à base de um transistor NPN de uso geral. Como este é um sensor PNP, a saída será de cerca de 0 V quando nenhum objeto for detectado. Ao detectar um objeto, o pino de saída emitirá uma tensão próxima à tensão de alimentação fornecida ao fio marrom do sensor.
Os sensores indutivos podem produzir apenas uma quantidade menor de corrente. Portanto, conectar a saída diretamente a uma campainha pode danificar o sensor. Usar um transistor como uma chave permite que o sensor emita um sinal de tensão e controle uma carga de alta corrente como a campainha.
Quando o circuito está ligado e não há nenhum objeto metálico presente na frente dele, o sensor de proximidade indutivo PNP emite tensão BAIXA (perto de 0 V). Esta polarização reversa do transistor, o que significa que a corrente não flui através da campainha. Neste ponto, a campainha é desligada.
Quando um objeto metálico entra na faixa de detecção do sensor, ele emite um sinal lógico ALTO. Este sinal liga o transistor NPN. Como o transistor funciona como uma chave, ele agora liga a campainha.
Um Circuito de Sensor de Proximidade Indutivo Customizado
Embora os sensores de proximidade indutivos estejam disponíveis comercialmente, pode haver um caso em que você precise projetar um sensor de proximidade em uma placa de circuito. Isso pode ser devido a limitações de espaço e indisponibilidade de um sensor de tamanho adequado.
A TCA505 O IC da chave do sensor de proximidade indutivo da Infineon Technologies é um IC de propósito especial projetado para ser usado em tais aplicações. Possui todos os estágios de processamento de sinal integrados e requer apenas alguns componentes externos para criar uma chave de proximidade indutiva autônoma.
Electronics-lab. com tem um exemplo de aplicação do TCA505. O circuito mostrado aqui pode detectar objetos de metal dentro de 5-10 mm de distância do PCB. O circuito ressonante LC deste circuito é baseado em um núcleo de ferrite meio pote aberto.
Este circuito pode operar de 12 V a 42 V e tem dois LEDs indicadores, D1 e D2. D2 permanece ligado quando nenhum objeto está presente enquanto D1 permanece desligado. Quando um objeto está presente, D1 acende e D2 apaga. A sensibilidade / distância de detecção do circuito pode ser controlada usando o potenciômetro PR1.
A imagem mostrada abaixo é o PCB final projetado por Electronics-lab. com.
Circuitos internos de um sensor de proximidade indutivo
Agora que sabemos como funciona um sensor de proximidade indutivo, vamos dar uma olhada mais de perto no que os faz 'funcionar'.
Como sabemos agora, um sensor de proximidade indutivo tem um circuito complexo dentro de seu invólucro. O circuito possui 4 blocos funcionais principais. Nomeadamente,
- Estágio oscilador
- Estágio de Demodulador
- Estágio de gatilho
- Estágio de saída
Vamos discutir o diagrama de blocos funcional do sensor de proximidade indutivo desde a detecção até a saída.
Estágio oscilador
O estágio do oscilador consiste na cabeça do sensor, que forma um Circuito tanque LC. Essa parte consiste em um capacitor e um indutor, que é a bobina sensora que gera o campo magnético. O op-amp ajuda a sustentar a oscilação e manter a frequência constante. A saída do sinal do estágio do oscilador se assemelha a uma onda senoidal.
Estágio de Demodulador
A saída do estágio oscilador é conectada ao estágio demodulador. Este estágio aceita a onda senoidal produzida e a retifica usando um retificador de meia ponte. O capacitor C2 suaviza ainda mais a tensão. O estágio de demodulador então alimenta sua saída no estágio de disparo.
Estágio de gatilho
O estágio de disparo consiste em um tipo especial de IC chamado 'gatilho schmitt'. Os gatilhos Schmitt têm uma característica especial chamada 'histerese'. Por exemplo, um gatilho Schmitt pode definir sua saída para HIGH quando a tensão de entrada está acima de 2.5 V. Mas ele apenas definirá sua saída LOW novamente quando a tensão de entrada cair abaixo de 2.0 V.
Estágio de saída
O estágio de saída é o estágio final que controla a saída do sinal do sensor. Este consiste principalmente em um transistor. O tipo deste transistor define o tipo de saída do sensor.
Se o transistor for do tipo NPN, o sensor é chamado de 'sensor de proximidade NPN'. Este sensor em particular é um sensor do tipo PNP que possui um transistor PNP em seu estágio de saída.
A saída é protegida por um RTD (Detector de Temperatura por Resistência), que protege o estágio de saída caso o fio Marrom seja curto-circuitado com 0V. O diodo D2 oferece proteção contra polaridade reversa, enquanto o R5 atua como um resistor pull-down para a saída. O diodo D1 Zener protege o sensor de sobretensão.
Sensores de Proximidade Indutivos vs Sensores de Proximidade Capacitivos
Sensores indutivos e capacitivos são duas das tecnologias mais populares entre os sensores de proximidade.
Sensores de proximidade indutivos usam o princípio do eletromagnetismo e correntes parasitas para detectar objetos metálicos. Quando um objeto metálico se aproxima do sensor, a amplitude de oscilação dentro do circuito do sensor é amortecida. O aumento ou queda da amplitude determina o estado de saída do sensor.
No entanto, eles não podem detectar materiais dielétricos como plástico, madeira ou grãos. Isso às vezes é uma vantagem porque podemos usar sensores indutivos para detectar objetos metálicos dentro de um saco de papel ou plástico. Na maioria das vezes, os sensores indutivos são usados em máquinas para detectar a posição de peças móveis.
Sensores de proximidade capacitivos usam o princípio da capacitância para detectar objetos. Colocar um objeto na frente da face sensora causa o início de uma oscilação dentro do circuito do sensor. Isso é monitorado por outro subcircuito que controla a saída.
Esses sensores podem detectar objetos metálicos, como ferrosos, alumínio e objetos não metálicos, como água, papel, vidro e até mesmo pós. Sensores capacitivos são usados para monitorar os níveis de líquido, detectar o status cheio / vazio de recipientes, como garrafas, etc.
Os sensores indutivos têm uma faixa de detecção relativamente menor (distância e campo de visão) do que os sensores capacitivos. A distância operacional de ambos os sensores depende do tamanho, forma e composição do material.
Usando sensores de proximidade indutivos com Arduino
Às vezes, um projeto DIY pode exigir a detecção de objetos de metal. Vamos dar uma olhada em como usar um sensor de proximidade indutivo com um Arduino e como obter as leituras dele. Marcar Tutor tem um vídeo muito informativo em seu canal sobre isso.
O sensor usado neste tutorial é o LJ12A3-4-Z / B Sensor de proximidade indutivo NPN. Este sensor pode funcionar com fonte de alimentação de 6-36 VCC. Tem um alcance de detecção de 4 mm e pode detectar ligas de ferro / aço.
O fio marrom do sensor está conectado à fonte de alimentação de 6-36 V e o fio azul está conectado a 0 V (terra). O pino 1 do optoacoplador PC817 está conectado à mesma fonte de 6-36 VCC. A saída de sinal do sensor se conecta ao pino 817 do PC2 por meio de um resistor de 1k. Este resistor limita o fluxo de corrente através do optoacoplador.
No lado de saída do optoacoplador, o pino 4 é conectado a 5 V através de um resistor de 10k para limitação de corrente. O pino 3 é conectado ao aterramento. Os dois motivos podem ser amarrados juntos ou podem ser deixados separados. O pino 4 também está conectado ao pino 13 do Arduino. Pode ser qualquer pino digital / analógico do Arduino.
Funcionalidade do circuito
Quando o circuito está ligado e nenhum objeto está presente, o sensor NPN emite um sinal lógico HIGH. Isso significa que o optoacoplador PC817 não funciona.
Neste ponto, o transistor dentro do optoacoplador não está ativado. Portanto, a tensão no pino 4 está perto de 5V. O Arduino vê isso como uma entrada lógica ALTA.
Quando um objeto metálico é colocado na frente do sensor, a saída do sensor se conecta a 0V. Isso faz com que a corrente flua através do LED (pino 1 ao pino 2 do optoacoplador) e liga o optoacoplador.
Quando ativado, o transistor começa a conduzir corrente do pino 4 para o pino 3. Neste ponto, o pino 4 do optoacoplador tem uma tensão próxima a 0V. O Arduino vê isso como uma entrada lógica LOW.
Explicação do código Arduino
int limitSwitch = 13;
int state = LOW;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(limitSwitch,INPUT);
}
void loop() {
int val = digitalRead(limitSwitch);
if( val != state ){
state = val;
Serial.print("Sensor value = ");
if( state == 0 )
Serial.println( "(0) Target Hit!" );
else
Serial.println( "(1) None");
}
}
O código começa com a definição do pino e configurando o pino 13 como uma entrada. Dentro da função de loop, o Arduino verifica continuamente o estado do pino 13. Sempre que a entrada do pino 13 muda de HIGH para LOW ou LOW para HIGH, a condição 'se' é avaliada.
Se o estado do pino for BAIXO (o que significa que há um objeto presente), ele imprime “(0) Acerto no alvo!” no monitor serial. Se o pino for ALTO, o Arduino imprime “(1) Nenhum” no monitor serial.
Este circuito pode ser facilmente alterado para funcionar com um sensor PNP conectando o fio preto de um sensor PNP ao pino 1 do optoacoplador e conectando o pino 2 ao aterramento através do resistor de 1k.
Preço do sensor de proximidade indutivo
O preço dos sensores de proximidade indutivos depende principalmente de seu tamanho, faixa de detecção e tipo de saída. Um sensor típico com tensão operacional de 10-30 V e faixa de detecção de 8 mm pode custar de $ 30 a $ 100 +.
Os sensores que já possuem fios conectados tendem a custar mais por serem lacrados e mais resistentes à poeira e água.
Sensores de proximidade indutivos AC que têm contatos SPST custam cerca de US $ 80 e normalmente têm um Proteção de entrada (IP) classificação de 67 ou superior.
Símbolo do sensor de proximidade indutivo
O símbolo para um sensor de proximidade indutivo é o seguinte, conforme definido pelo Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC). É composto por 4 símbolos principais que denotam a natureza do sensor.
Para todos os sensores de proximidade indutivos, os símbolos superior esquerdo e inferior são idênticos. Dependendo do tipo de saída (PNP / NPN / SPST), o símbolo superior direito pode mudar.
O símbolo inferior direito indica o estado normalmente aberto (NO) ou normalmente fechado (NC) do sensor. Isso indica se o sinal de saída é HIGH ou LOW quando um objeto está ausente.
Engenheiroshub.co explica todas as combinações de fiação (2 fios e 3 fios) para sensores de proximidade indutivos e fornece ilustrações para os dois símbolos.
Onde os sensores de proximidade indutivos são usados?
Sensores de proximidade indutivos encontram a maioria de suas aplicações em ambientes industriais e máquinas pesadas. Um dos mais populares são os aplicativos de detecção de posição, onde os sensores são usados para detectar o movimento de máquinas, como empilhadeiras e atuadores hidráulicos.
O sensor de velocidade da roda sem contato também é outra aplicação para sensores indutivos. Uma roda com ranhuras / dentes é usada para contar o número de pulsos que o sensor lê por segundo para determinar a velocidade de rotação da roda. Esta é uma aplicação comum em veículos motorizados e correias transportadoras.
Faixa do sensor de proximidade indutivo
Ao contrário dos sensores de proximidade capacitivos, os sensores de proximidade indutivos têm uma faixa de detecção mais estreita.
No entanto, eles podem detectar objetos em uma faixa de 1 mm a 60 mm. Sensores para fins especiais também podem ser projetados para aumentar a distância de detecção.
Neste diagrama, podemos identificar alguns dos parâmetros que são usados para definir as características do sensor. Sn é a distância de detecção nominal. Esta é a distância que o sensor foi projetado para operar. Este intervalo não leva em consideração variações.
Sr é a distância real de detecção. Essa distância é definida na tensão nominal e na temperatura ambiente nominal. Su é a distância sensorial utilizável. Su define a região onde está entre 90% e 110% da distância real de detecção.
O parâmetro mais importante é Sa, a distância operacional garantida. Isso está entre 0% e 81% da distância de detecção nominal, e o sensor tem a garantia de detectar qualquer objeto detectável dentro desta região.
Do que são feitos os sensores indutivos?
A face sensora de um sensor indutivo pode ser feita de cerâmica ou polieteretercetona (PEEK). Isso depende do aplicativo.
A caixa do sensor é baseada em vários materiais. Pode ser de aço inoxidável, PPS, PBTB, latão niquelado ou revestido com teflon.
Para aplicações onde a higiene é fundamental, como processamento de alimentos, o aço inoxidável está em conformidade com os padrões. O PPS é usado para criar caixas onde o sensor estará sujeito a altas temperaturas. Para resistir à abrasão e ao calor e frio extremos, PBTB é usado.
Como conectar um sensor de proximidade indutivo
Existem basicamente 3 tipos de esquemas de fiação disponíveis. Sensores de 4 fios não são amplamente usados, enquanto sensores de 2 e 3 fios são os mais populares.
Veja como os sensores são classificados de acordo com sua tensão de alimentação e tipos de saída:
- Fonte AC ou DC
- Determina se os sensores funcionam com fonte de alimentação 220 Vca ou 24 Vcc
- Tipo de saída
- Saída do transistor (3 fios)
- Os sensores de saída do transistor podem ser NPN ou PNP. Para ambos os tipos, aqui estão as opções de saída NO (Normalmente Aberto) e NC (Normalmente Fechado). Alguns sensores podem até oferecer suporte a ambos. (NO + NC).
- Saída de relé (2 fios ou 3 fios)
- Saída do transistor (3 fios)
Sensores AC de 2 e 3 fios são sempre do tipo saída de relé. Os sensores DC podem ser do tipo relé ou saída de transistor. Os sensores de saída de relé também têm opções NO, NC e NO + NC.
Aqui está OMCH.coA gama de sensores de proximidade capacitivos e as opções de fiação que eles fornecem:
A seguir estão os diagramas de fiação usados para conectar sensores de proximidade a sistemas de automação.
Que tipo de material um sensor de proximidade indutivo detecta?
Sensores de proximidade indutivos podem detectar a presença de apenas alvos metálicos. Eles não podem detectar objetos não metálicos como cerâmica, plástico, madeira, papel e líquidos.
No entanto, eles podem 'ver através' de objetos não metálicos para detectar objetos metálicos. Por exemplo, sensores de proximidade indutivos podem detectar objetos de metal atrás de uma folha de plástico opaca.
Como testar um interruptor de proximidade indutivo
Para testar um sensor de proximidade indutivo do tipo PNP, o seguinte diagrama de circuito pode ser usado. Quando um objeto metálico está mais próximo da superfície do sensor, o LED conectado acende.
Da mesma forma, o seguinte circuito pode ser usado para testar um sensor de proximidade do tipo NPN. Para ambos os circuitos, o resistor em série com o LED deve ser em torno de 2k para proteger o LED.
Quais materiais reduzirão a faixa de uma chave de proximidade indutiva?
Sensores indutivos funcionam melhor com aço (Fe360). Usando isso como referência, um 'fator de correção' especial é definido para outros tipos de materiais. Quanto menor o fator de correção, menor se torna a distância de detecção.
Por exemplo, se um sensor de proximidade específico pode detectar um objeto de aço a uma distância de 10 mm, ele só será capaz de detectar um objeto de latão quando estiver aproximadamente 10 mm * 0.25 a 10 mm * 0.45 (2.5 mm - 4.5 mm) perto da superfície de detecção .
Quão precisos são os sensores de proximidade indutivos?
Durante o estágio de fabricação, os projetos de sensores indutivos passam por um processo completo de calibração de precisão. Isso envolve o ajuste guiado por laser dos resistores do sensor que determinam a distância de detecção e o desempenho.
Mesmo assim, quando um sensor de proximidade é implantado no campo, às vezes poeira metálica ou outras partículas podem se acumular na superfície do sensor ao longo do tempo. Isso reduz a sensibilidade do sensor ao longo do tempo.
Sensores modernos vêm equipados com microprocessadores integrados que podem detectar essas partículas e ajustar a sensibilidade do sensor de acordo. Esses sensores são, portanto, chamados de 'imunes ao chip'
Dicas a serem consideradas ao comprar um sensor de proximidade indutivo
Antes de selecionar um sensor de proximidade indutivo como opção, pode ser útil responder a estas perguntas:
- Que tipo de objetos eu preciso detectar?
- Qual é a distância de detecção relativa necessária?
- Qual é a forma e o tamanho do objeto que desejo detectar?
Dependendo desses fatores, se
- O intervalo é inferior a 80 mm
- Só precisa detectar objetos metálicos (ferrosos)
- O sensor deve ser resistente a condições ambientais adversas
- O sensor deve funcionar com peças móveis de alta velocidade
an sensor de proximidade indutivo pode ser uma escolha melhor. Eles também são relativamente mais baratos do que outras tecnologias, como sensores capacitivos ou de ultrassom.
Os sensores de proximidade indutivos funcionarão com alumínio?
Sensores de proximidade indutivos normais têm relativamente dificuldade em detectar objetos feitos de alumínio. No entanto, a folha de alumínio pode ser detectada por sensores indutivos devido a um fenômeno chamado 'efeito de pele' que o alumínio possui.
Se houver um requisito estrito para detectar objetos de alumínio, existem os tipos 'totalmente metálicos' ou não ferrosos 'que podem detectar todos os tipos de metal, incluindo alumínio e cobre.
Conclusão
Neste artigo, examinamos em profundidade os sensores de proximidade indutivos, sua construção, princípio de operação e aplicações. Esses sensores são excelentes detectores de metal e têm suas aplicações em muitos ambientes industriais e não industriais.
Existem outros tipos de sensores de proximidade, como capacitivos, ultra-som, magnéticos e fotoelétricos que podem ser mais adequados para um determinado fim. Seguir isto guia de Indústria direta para saber mais sobre como escolher o sensor de proximidade certo para sua aplicação.
