Емкостный датчик приближения

Введение

Есть много типов датчиков приближения, используемых в различных приложениях. Мы используем емкостные датчики приближения для бесконтактного обнаружения любого типа объекта. Они воспринимают объекты, измеряя изменение электрического свойства, емкость.

Эта статья призвана предоставить подробное руководство по емкостные датчики приближения и их приложения.

Что такое емкостной датчик приближения?

Емкостной датчик приближения - это датчик, который может обнаруживать объект, используя электрические свойства, емкость. Они широко используются для обнаружения и измерения объектов / жидкостей с более высокой диэлектрической постоянной, чем у воздуха. Это включает в себя все, что является проводящим или непроводящим.

Емкостные датчики приближения находят множество применений в системах промышленной автоматизации, от определения местоположения до неинвазивного анализа состава объектов.

Емкостной датчик приближения и принцип его работы

Емкостные датчики приближения - это особая область применения емкостных датчиков. Мы используем их для обнаружения объектов в промышленных средах. Изображение, показанное ниже, является Емкостный датчик приближения RS PRO M30 x 1.5.

Прежде чем углубляться в детали, давайте разберемся, что такое конденсатор и как он работает. Проще говоря, конденсатор - это устройство, которое может удерживать электрический заряд, как батарея. Они состоят из двух проводящих пластин с диэлектрическим материалом, заполняющим зазор. В зависимости от ширины диэлектрика изменяется их емкость (способность накапливать электрический заряд).

Диэлектрическая проницаемость зависит от материала. Легко обнаружить материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. Например, вода обнаруживается лучше, чем масло или ПВХ. Это связано с тем, что вода имеет диэлектрическую проницаемость около 78, а для ПВХ - всего около 5.

Емкостной датчик приближения работает по тому же принципу, только одна из пластин теперь является объектом, который мы хотим обнаружить. Поднесение объекта к чувствительной поверхности приводит к изменению емкости. Затем датчик может измерить изменение и определить, находится ли объект близко.

Невозможно напрямую измерить изменение емкости обычными средствами. Чтобы решить эту проблему, в емкостных датчиках приближения есть специальные схемы. Схема выполняет всю обработку сигнала, чтобы в конечном итоге вывести полезный цифровой сигнал.

Первая ступень датчика - это сам конденсатор. Когда объект приближается к чувствительной поверхности, он образует конденсатор. Воздух между ними становится диэлектрическим материалом. Внутри датчика находится схема генератора. Это может быть RC or LC генератор цепи.

Емкость, создаваемая внешним объектом, запускает колебания в цепи. Это наименьшее расстояние, которое объект должен выдерживать с лицевой стороной датчика, чтобы начать колебание, также известно как «рабочая точка». Это регулируется в большинстве датчиков. Когда объект приближается к датчику, частота колебаний увеличивается. Это вызывает увеличение амплитуды колебаний.

Схема также состоит из схемы запуска с гистерезисом. Схема триггера контролирует частоту и амплитуду колебаний. Он контролирует выход, если амплитуда выходит за пределы предварительно установленного значения. Есть датчики, которые могут выводить цифровые или аналоговые сигналы.

Датчики приближения позволяют регулировать их рабочую точку. У некоторых есть потенциометры, в то время как у других может быть специальная «кнопка обучения». Эту кнопку или винт потенциометра можно использовать для калибровки датчика. Повышение чувствительности также делает датчик более восприимчивым к ложным срабатываниям. Это означает, что иногда даже изменения влажности и температуры могут вызвать срабатывание датчика.

Емкостные датчики могут обнаруживать как проводящий, так и непроводящий материал. Проводящие материалы легче всего обнаружить, поскольку они образуют хороший конденсатор с датчиком. В этом случае диэлектрическая прочность становится незначительной.

Обнаружение непроводящего материала зависит от трех факторов:

• Размер сенсорной поверхности - большая поверхность обеспечивает большее расстояние срабатывания
• Диэлектрическая проницаемость материала мишени - чем выше постоянная, тем больше расстояние
• Площадь поверхности цели - большая площадь поверхности, большее расстояние

Целевая скорость и температура также могут влиять на расстояние срабатывания.

Диапазон измерения

Емкостной датчик приближения имеет больший диапазон срабатывания, чем его индуктивный аналог. Дальность обнаружения составляет от 3 до 60 мм. Наибольшее расстояние срабатывания основано на стандартной цели - заземленной стальной пластине Fe 1 ​​толщиной 360 мм. Он должен иметь длину стороны, равную диаметру поверхности сенсора. Если расстояние срабатывания больше диаметра, длина стороны должна быть в три раза больше номинального расстояния срабатывания.

Непроводящие объекты должны иметь коэффициент уменьшения, основанный на диэлектрической проницаемости материала. Существуют таблицы, в которых указаны приблизительные значения для некоторых материалов. Они помогают определить точное расстояние срабатывания.

При рассмотрении диапазона чувствительности необходимо учитывать два важных параметра:

• Номинальное / номинальное расстояние срабатывания (Sn)
  • Это теоретическое значение. Он не включает производственные допуски, рабочие напряжения или температуры.
• Эффективное расстояние срабатывания (Sr)
  • Определяется для определенного набора условий. (т.е. установка заподлицо, комнатная температура и заданное напряжение питания)

Гистерезис

Гистерезис - это разница между расстоянием включения и расстоянием выключения. Он определяет зона А не линия для восприятия объекта.

Гистерезис заставляет выходной сигнал «фиксироваться», даже когда объект движется от поля датчика или к нему. Это предотвращает эффект «дребезжания» (многократное включение и выключение выхода), если объект находится на границе диапазона обнаружения.

Гистерезис - независимый параметр. Это процент от номинального расстояния срабатывания. Например, датчик с номинальным расстоянием срабатывания 20 мм может иметь максимальный гистерезис 15%. Это около 3 мм диапазона срабатывания. Он может варьироваться от датчика к датчику, даже у одной и той же модели.

Есть несколько факторов, которые могут повлиять на гистерезис:

• Температура окружающей среды и локальный датчик температуры
• атмосферное давление
• Относительная влажность
• Механическое напряжение корпуса датчика
• Корреляция чувствительности - более высокая чувствительность, больший гистерезис

Типы емкостных датчиков

Емкостные датчики используются для обнаружения многих типов материалов. Это также включает поток жидкости, уровень жидкости и даже давление. На рынке представлено множество емкостных датчиков приближения:

• Миниатюрные емкостные датчики
  • Миниатюрные емкостные датчики выпускаются в цилиндрических или пластинчатых корпусах для экономии места для монтажа. Эти датчики не имеют внутри себя схемы обработки сигналов. Для обработки сигналов используется отдельный усилитель.
• Цилиндрические емкостные датчики
  • Они больше миниатюрных датчиков и могут иметь диаметр от 6.5 до 30 мм. Их расстояние срабатывания регулируется.
• Высокотемпературные емкостные датчики
  • Высокотемпературные емкостные датчики разработаны, чтобы выдерживать экстремальные температуры и даже могут выдерживать прямой контакт с высокотемпературными объектами / жидкостями.
• Аналоговые емкостные датчики
  • Они находят свое применение в задачах выбора материалов, контроля толщины и концентрации. Аналоговые датчики выдают различные значения напряжения / тока, чтобы помочь определить тип контролируемого объекта.

Схема подключения емкостного датчика

В индустрии автоматизации используется довольно много схем подключения датчиков. Мы можем классифицировать датчики по типу напряжения питания и типу выхода:

• Источник переменного или постоянного тока
  • Определяет, работают ли датчики с источником питания 220 В переменного тока или 24 В постоянного тока.
• Тип выхода
  • Транзисторный выход (3-х проводный)
    • Датчики с транзисторным выходом могут быть NPN или PNP. Для обоих этих типов доступны варианты вывода NO (нормально открытый) и NC (нормально закрытый). Некоторые датчики могут поддерживать и то, и другое. (NO + NC).
  • Релейный выход (2-х или 3-х проводный)
    • 2-проводные и 3-проводные датчики переменного тока всегда имеют релейный выход. Датчики постоянного тока могут быть с релейным или транзисторным выходом. Датчики с релейным выходом также имеют варианты NO, NC и NO + NC.

Вот OMCH.coАссортимент емкостных датчиков приближения и варианты проводки, которые они предоставляют:

Ниже показана часто используемая электрическая схема нескольких типов датчиков приближения. Хотя это не редкость, 4-проводные модели широко не используются, за исключением очень специальных приложений.

Регулировка чувствительности емкостного датчика

Есть два подхода. мы можем взять на регулировку чувствительность емкостного датчика.

• Регулировка положения датчика

Мы можем отрегулировать положение датчика, отрегулировав резьбу и стопорные гайки. Это позволяет нам размещать датчик ближе или дальше от объекта и постоянно прикреплять датчик к кронштейну. Регулировка должна происходить, когда датчик включен и обнаруживаемый объект присутствует. Перемещайте датчик вперед и назад, пока светодиод датчика не укажет, что объект обнаружен.

• Регулировка чувствительности датчика

Регулировка чувствительности датчика приближения полезна, когда мы не можем отрегулировать положение датчика.

Чтобы настроить датчик на обнаружить присутствие объекта или полное состояние, Следуй этим шагам:

1. Поверните регулировочный винт против часовой стрелки и уменьшите чувствительность до минимума.
2. Поместите обнаруживаемый объект в зону обнаружения датчика. Медленно поворачивайте регулировочный винт по часовой стрелке, пока датчик не обнаружит объект. Светодиодный индикатор на датчике загорается при обнаружении объекта.
3. Для безопасности поверните регулировочный винт еще на ¼ оборота (необязательный шаг).

Чтобы настроить датчик на обнаружить отсутствие объекта или пустое состояние, Следуй этим шагам:

1. Поверните регулировочный винт по часовой стрелке и увеличьте чувствительность до максимума.
2. Светодиодный индикатор на датчике загорится даже при отсутствии объекта.
3. Поворачивайте регулировочный винт против часовой стрелки, пока светодиод не погаснет.
4. Для безопасности поверните регулировочный винт еще на ¼ оборота (необязательный шаг).

Цепь емкостного датчика приближения по глубине

Для тех, кто хочет понять принцип работы емкостного датчика приближения, давайте рассмотрим его подробнее.

Как упоминалось ранее, внутри емкостного датчика приближения находится сложная схема. Он состоит из четырех основных частей:

• Ступень осциллятора
• Демодуляторный каскад
• Триггерный этап
• Выходной этап

Ступень осциллятора

Каскад генератора содержит RC генератор релаксации. Эта схема представляет собой схему на базе операционного усилителя. Конденсаторы и резисторы в этой цепи определяют частоту колебаний. Конденсатор C1, используемый для управления частотой колебаний, соединен с головкой датчика. Если внешний объект приближается к головке датчика, частота колебаний изменяется. Колебательный сигнал с этого каскада является входом в каскад демодулятора.

Демодуляторный каскад

Каскад демодулятора принимает колебательный сигнал от предыдущего каскада и выпрямляет его. Эта схема, показанная выше, имеет однополупериодный выпрямитель. Конденсатор C3 сглаживает сигнал напряжения и выдает стабильное постоянное напряжение на триггерный каскад.

Триггерный этап

У этого этапа есть специальный компонент под названием 'триггер Шмитта'. Это устройство может «фиксироваться» на конкретном выходе через ряд входов. Например, триггер Шмитта может выводить ВЫСОКИЙ логический уровень для входных напряжений более 3 В и низкий логический уровень при падении входного напряжения ниже 2.5 В. Разница в 0.5 В называется «гистерезисом», и она помогает выходу оставаться стабильным, если входное напряжение незначительно изменяется.

Выходной этап

Триггерный каскад управляет выходным каскадом. Показанный здесь датчик имеет транзисторный выход. Это тонущий тип (НПН) выход. Как только триггерный каскад выдает логический ВЫСОКИЙ сигнал, активируется транзистор в выходном каскаде. Это вызывает замыкание цепи нагрузки и активирует нагрузку. В датчиках с релейным выходом транзистор заменен небольшим реле.

Выходной каскад также состоит из диодов D2 и Z1 для защиты датчика. При обратной полярности питания эти диоды будут защищать датчик.

Емкостные датчики приближения и индуктивные датчики приближения

Емкостные и индуктивные датчики приближения - два самых популярных датчика приближения. Емкостные датчики могут обнаруживать как проводящие, так и непроводящие материалы. Индуктивные датчики приближения могут обнаруживать только металлический (проводящий) материал.

Индуктивные датчики приближения используют принцип электромагнетизма для обнаружения объектов. По этой причине они могут обнаруживать только металлические предметы из железа, меди или алюминия. Их внутренняя схема очень похожа на емкостные датчики. Основное отличие заключается в схеме генератора. Индуктивные датчики используют принципы электромагнетизма и вихревые токи в то время как емкостные датчики используют емкость для управления колебаниями.

Индуктивные датчики работают довольно быстро и работают в диапазоне 10–20 Гц переменного тока и 500–5 кГц постоянного тока. У них диапазон срабатывания около 4-40 мм. Также доступны специально разработанные датчики с расстоянием срабатывания примерно до 80 мм. Однако они имеют узкий диапазон чувствительности из-за ограничений магнитного поля.

Емкостные датчики работают относительно медленнее индуктивных датчиков. Это связано с тем, что при этом заряжается проводящая пластина в датчике. Скорость находится в диапазоне от 10 до 50 Гц. Емкостные датчики приближения имеют номинальный диапазон от 3 до 60 мм. Могут быть специальные датчики с более высокими расстояниями срабатывания.

Емкостные датчики более подвержены ошибкам, поскольку они могут обнаруживать все типы объектов. Это может вызвать ложное срабатывание датчика нецелевыми материалами. Поэтому, если вас интересуют металлические предметы, индуктивный датчик приближения может быть лучшим выбором. Например, для обнаружения металлических предметов в пищевом продукте индуктивный датчик приближения является более надежным вариантом.

Емкостной датчик приближения с Arduino

Промышленные датчики предназначены для работы с более высокими напряжениями, такими как 12 В или 24 В постоянного тока и даже 220 В переменного тока. Платы для разработки Arduino работают с напряжением 5 В постоянного тока. Чтобы использовать датчик приближения с Arduino, необходимо преобразовать сигнал высокого напряжения в более низкое напряжение.

В этой схеме Электроклиникаиспользуется датчик приближения типа PNP. Оптопара / оптоизолятор PC817 защищает Arduino от сигналов высокого напряжения. Контакт 1 PC817 подключается к +12 В, а контакт 2 подключается к черному проводу датчика через резистор 1 кОм. Питание датчика осуществляется обычным коричневым и синим проводами. (Коричневый - + 12В, Синий - 0В)

Для считывания показаний датчика, вывод 13 Arduino подключается к выводу 4 оптопары и является подтянутый используя R3 (резистор 10 кОм). Это стабилизирует входной сигнал, когда датчик не активен.

Когда объект не обнаружен, оптрон остается неактивным. Вывод 13 Arduino остается на + 5В. Когда датчик активен, оптопара включается и подтягивает контакт 13 к 0 В. Это контролируется кодом и может использоваться для принятия решений, таких как включение / выключение двигателя.

Int limitwitch = 13;
Int состояние = НИЗКОЕ;
Int значение;
аннулировать установка()
{
Serial.begin (9600);
pinMode (переключатель пределов, ВХОД);
}
аннулировать поиска()
{
value = digitalRead (переключатель пределов);
   if(значение! = состояние)
{
состояние = значение;
Serial.println («значение датчика =»);
if (состояние == 0)
{
Serial.println («цель обнаружена»);
}

еще{
Serial.println («Цель не обнаружена»);
}
}
}

Символ емкостного датчика приближения

3-проводные и 2-проводные датчики приближения наиболее распространены в индустрии автоматизации. Чтобы различать их, каждый из них имеет собственный стандартный символ, определенный IEC (Международной электротехнической комиссией).

Символ 3-проводного датчика приближения

Провод BR вверху указывает, что цвет коричневый (BRсобственный), и это положительный провод. Провод BL внизу обозначен его цветом как синий (BLue) и указывает, что это провод 0 В. БК - черный (BлакK) провод, который является выходом.

Символ содержит 4 дополнительных символа. Верхний левый символ указывает на то, что это датчик приближения. Символ транзистора показывает, исправен ли датчик. NPN или PNP тип. Нижний левый символ указывает, что это емкостной датчик в то время как нижний правый символ означает, что вывод нормально закрытый.

Символ 2-проводного датчика приближения

Обозначение IEC для 2-проводных датчиков приближения практически идентично его 3-проводному аналогу. Единственное отличие состоит в том, что у этого символа нет отдельного выходного провода.

Символы в главном символе компонента могут незначительно изменяться в зависимости от конфигурации датчика. Это включает тип выхода, режим измерения (емкостной, индуктивный и т. Д.) И конфигурацию выхода NO / NC.

Применение емкостного датчика приближения

Емкостные датчики приближения используются в промышленных приложениях для обнаружения как твердых предметов, так и жидкостей. Их промышленное применение включает:

• Автоматизация производства, такая как подсчет продуктов, передача продуктов
• Процессы наполнения (например, зерно, порошок, чернила, вода и т. Д.)
• Измерение уровня жидкости
• Тестирование состава (плотность, толщина и т. Д.)
• Измерение давления
• Определение влажности

Цена емкостного датчика приближения

Цена емкостных датчиков приближения зависит от различных факторов, таких как размер, расстояние срабатывания, рабочее напряжение, тип выхода и дополнительные функции, такие как IP (защита от проникновения) рейтинги и температурные рейтинги.

Стоимость емкостных датчиков приближения может варьироваться от 30 до 1500 долларов за более сложные и специализированные модели.

Что может обнаружить емкостной датчик приближения?

Емкостные датчики приближения могут обнаруживать как проводящие, так и непроводящие объекты. Объекты / материал могут быть в твердой, гранулированной, порошковой и даже жидкой форме. Однако они в основном используются для обнаружения неметаллических материалов, таких как дерево, зерно, пластик, стекло, вода и другие жидкости, такие как топливо и химические вещества.

Благодаря дополнительным улучшениям емкостные датчики приближения могут определять еще больше параметров, таких как давление и расход жидкости.

Из чего сделаны емкостные датчики приближения?

Для изготовления емкостных датчиков приближения используется несколько типов материалов. Датчики приближения цилиндрического типа обычно изготавливаются из нержавеющей стали. Датчики с корпусом из нержавеющей стали более долговечны и подходят для использования в высокотемпературных / агрессивных средах.

Пластмассы, такие как PBT (полибутилентерефталат) и PVDF (поливинилиденфторид), используются для изготовления датчиков приближения меньшего размера, таких как прямоугольные модели. Они устойчивы к температуре, пламени и ультрафиолетовому излучению и обеспечивают дополнительную защиту схемы датчика. Эти специализированные пластмассы находят свое применение в коррозионных химических средах.

Заключение

В этой статье мы обсудили емкостные датчики приближения, их конструкцию, принцип действия и применение. Хотя емкостные датчики универсальны, существуют другие типы датчиков приближения, которые могут быть более подходящими для конкретного применения. Следует проявлять осторожность, чтобы правильно определить лучший тип датчика приближения и откалибровать его, чтобы обеспечить правильность и точность выполненных измерений.