Введение
Датчики приближения используются в промышленных условиях для обнаружения объектов. Есть два основных типа объектов; металлические и неметаллические. Индуктивные датчики приближения специально разработаны для обнаружения металлических предметов.
В этом посте мы подробно рассмотрим индуктивную датчики приближения и их приложения.
Что такое индуктивный датчик приближения?
Индуктивные датчики относятся к семейству датчики приближения. Они используют принцип электромагнитная индукция для обнаружения и измерения объектов. На рынке доступны как цифровые, так и аналоговые выходные датчики.
Индуктивные датчики приближения - это датчики бесконтактного типа. Они могут обнаруживать объекты без физического контакта. Они находят свое применение при обнаружении металлических объектов в среде промышленной автоматизации. Сюда входят предметы из железа, меди и алюминия.
Дальность срабатывания индуктивных датчиков приближения зависит от типа материала. Индуктивные датчики приближения лучше всего работают с черными металлами (железными объектами), но мы можем использовать их и для обнаружения других металлических объектов.
Принцип работы индуктивного датчика приближения
Индуктивные датчики приближения используют принцип электромагнитной индукции для обнаружения наличия / отсутствия металлических предметов. Эти датчики очень похожи на емкостные датчики приближения по размеру. Ниже показано ALJ8A3-1-Z / N1 индуктивный бесконтактный переключатель OMCH.co
Давайте попробуем разобраться в принципе работы индуктивных датчиков приближения, начав с метода обнаружения, электромагнитная индукция и вихревые токи.
Принцип электромагнитной индукции
Когда к проводнику (т. Е. К проводу) подается постоянный ток, он создает магнитное поле вокруг проводника. Это называется «статическим магнитным полем», потому что оно создается постоянным током.
Если источником тока является переменное напряжение, создаваемое магнитное поле начинает «колебаться» взад и вперед.
Если металлический объект, такой как кусок проволоки, помещается в это магнитное поле, это колеблющееся магнитное поле заставляет электрический ток генерироваться внутри этого второго проводника. Этот принцип известен как «электромагнитная индукция». Это принцип, который можно найти и в электрических трансформаторах.
То же явление можно наблюдать, когда магнитное поле статично и проводник движется через магнитное поле.
Вихревые токи
Когда металлический объект попадает в электромагнитное поле, это поле создает электрический ток внутри проводника в соответствии с принципом электромагнитной индукции. Иногда этот эффект становится нежелательным. Вихревые токи - это тип индуцированных токов, которые начинают циркулировать / заморачиваться внутри металлического объекта.
Вихревые токи не выходят из объекта в виде электрического тока. Вихревые токи также нарушают существующее магнитное поле. Это явление, которое индуктивные датчики приближения используют для обнаружения объектов.
Как индуктивный датчик приближения обнаруживает металлические предметы?
Индуктивные датчики приближения используют тот же принцип, что и вихревые токи, для обнаружения металлических объектов. Они измеряют изменение вихревых токов, наведенных в присутствующем объекте, и соответственно выдают сигнал.
Однако измерение вихревых токов в близлежащем объекте - сложная задача. Следовательно, индуктивные датчики приближения также имеют внутри сложную схему для обработки сигналов и обеспечения приличного выходного сигнала.
При активации датчик создает колеблющееся магнитное поле на чувствительной поверхности. Это магнитное поле создается с помощью LC генератор, состоящий из конденсатора и катушки.
Специальная схема поддерживает постоянную частоту колебаний. Для датчиков переменного тока эта частота составляет от 10 до 20 Гц, а датчики постоянного тока работают в диапазоне от 500 Гц до 5 кГц.
Когда металлический объект попадает в генерируемое магнитное поле, поле индуцирует электрический ток внутри объекта. Это также вызывает циркуляцию вихревых токов внутри объекта.
Как упоминалось ранее, вихревые токи нарушают магнитное поле, создаваемое датчиком.
Это нарушение гасит собственные колебания в контуре генератора. Это также известно как 'магнитное демпфирование'. Магнитное демпфирование увеличивает нагрузку на колебания. В свою очередь, это уменьшает амплитуду колебательного сигнала.
Отдельная схема компаратора отслеживает этот колебательный сигнал. Когда амплитуда сигнала достигает значения ниже или выше определенного порога, схема активирует выход. Для цифрового датчика это логический выходной сигнал ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ. Для аналогового датчика выходной сигнал представляет собой сигнал тока или напряжения.
Постройте цепь индуктивного датчика приближения
Есть готовые датчики, доступные для покупки у разных производителей. Мы можем использовать их в любых приложениях промышленной автоматизации, где требуется обнаружение металлов. Как и другие типы датчиков, индуктивные датчики приближения также имеют разные типы выходов: PNP и NPN.
Также доступны 2-проводные индуктивные датчики приближения.
Схема индуктивного датчика приближения с использованием промышленного датчика
Давайте посмотрим на пример, когда зуммер срабатывает, когда датчик обнаруживает металлический объект. В этом примере используется индуктивный датчик приближения типа PNP.
В соответствии с типичными обозначениями проводки коричневый провод датчика является положительной клеммой источника питания. Напряжение питания может варьироваться от 6В до 36ВДВ. Синий провод подключен к земле.
Выход датчика (черный провод) подключается к базе NPN-транзистора общего назначения. Поскольку это датчик PNP, выходной сигнал будет около 0 В, когда объект не обнаружен. Когда он обнаруживает объект, выходной контакт выдает напряжение, близкое к напряжению питания, подаваемому на коричневый провод датчика.
Индуктивные датчики могут выдавать только меньшую величину тока. Следовательно, подключение выхода напрямую к зуммеру может повредить датчик. Использование транзистора в качестве переключателя позволяет датчику выводить сигнал напряжения и управлять сильноточной нагрузкой, такой как зуммер.
Когда на цепь подается питание и перед ней нет металлических предметов, индуктивный датчик приближения PNP выдает НИЗКОЕ напряжение (близкое к 0 В). Это обратное смещение транзистора, что означает, что ток не течет через зуммер. В этот момент зуммер выключен.
Когда металлический объект попадает в зону обнаружения датчика, он выдает логический ВЫСОКИЙ сигнал. Этот сигнал включает транзистор NPN. Поскольку транзистор работает как переключатель, теперь он включает зуммер.
Специальная схема индуктивного датчика приближения
Хотя индуктивные датчики приближения имеются в продаже, может быть случай, когда вам потребуется встроить датчик приближения в печатную плату. Это может быть связано с ограниченным пространством и отсутствием датчика подходящего размера.
Ассоциация TCA505 ИС переключателя индуктивного датчика приближения от Infineon Technologies - это ИС специального назначения, предназначенная для использования в таких приложениях. В него встроены все этапы обработки сигналов, и для создания автономного индуктивного бесконтактного переключателя требуется всего несколько внешних компонентов.
Электроника-lab.com есть пример приложения TCA505. Схема, показанная здесь, может обнаруживать металлические предметы на расстоянии 5-10 мм от печатной платы. Резонансный контур LC этого контура основан на открытый ферритовый сердечник.
Эта схема может работать от 12 В до 42 В и имеет два светодиода, D1 и D2. D2 остается включенным, когда объект отсутствует, в то время как D1 остается выключенным. Когда объект присутствует, D1 загорается, а D2 выключается. Чувствительность / расстояние срабатывания схемы можно регулировать с помощью потенциометра PR1.
Изображение, показанное ниже, является окончательной печатной платой, разработанной Электроника-lab.com.
Внутренние схемы индуктивного датчика приближения
Теперь, когда мы знаем, как работает индуктивный датчик приближения, давайте подробнее рассмотрим, что заставляет их «тикать».
Как мы теперь знаем, индуктивный датчик приближения имеет внутри корпуса сложную схему. Схема имеет 4 основных функциональных блока. А именно,
- Ступень осциллятора
- Демодуляторный каскад
- Триггерный этап
- Выходной этап
Давайте обсудим функциональную блок-схему индуктивного датчика приближения от считывания до вывода.
Ступень осциллятора
Каскад генератора состоит из сенсорной головки, которая образует Контур резервуара LC. Эта часть состоит из конденсатора и индуктора, который представляет собой чувствительную катушку, которая генерирует магнитное поле. Операционный усилитель помогает поддерживать колебания и поддерживать постоянную частоту. Выходной сигнал каскада генератора напоминает синусоидальную волну.
Демодуляторный каскад
Выход каскада генератора подключен к каскаду демодулятора. Этот каскад принимает синусоидальную волну и выпрямляет ее с помощью полумостового выпрямителя. Конденсатор C2 дополнительно сглаживает напряжение. Затем каскад демодулятора подает свой выход на каскад триггера.
Триггерный этап
Триггерный каскад состоит из специального типа ИС, называемого 'триггер Шмитта'. Триггеры Шмитта обладают особой характеристикой, называемой «гистерезисом». Например, триггер Шмитта может установить свой выход на ВЫСОКИЙ, когда входное напряжение выше 2.5 В. Но он снова установит свой выходной сигнал LOW только тогда, когда входное напряжение упадет ниже 2.0 В.
Выходной этап
Выходной каскад - это последний каскад, который управляет выходным сигналом датчика. В основном он состоит из транзистора. Тип этого транзистора определяет тип выхода датчика.
Если транзистор типа NPN, датчик называется «датчик приближения NPN». Этот конкретный датчик представляет собой датчик типа PNP, в выходном каскаде которого имеется транзистор PNP.
Выход защищен резистивным датчиком температуры (RTD), который защищает выходной каскад в случае короткого замыкания коричневого провода на 0 В. Диод D2 обеспечивает защиту от обратной полярности, а R5 действует как понижающий резистор для выхода. Стабилитрон D1 защищает датчик от перенапряжения.
Индуктивные датчики приближения и емкостные датчики приближения
Индуктивные и емкостные датчики - две из самых популярных технологий среди датчиков приближения.
Индуктивные датчики приближения используют принцип электромагнетизма и вихревых токов для обнаружения металлических объектов. Когда металлический объект приближается к датчику, амплитуда колебаний внутри цепи датчика затухает. Увеличение или уменьшение амплитуды определяет выходное состояние датчика.
Однако они не могут обнаружить диэлектрический материал, такой как пластик, дерево или зерно. Иногда это является преимуществом, потому что мы можем использовать индуктивные датчики для обнаружения металлических предметов внутри бумажного или пластикового пакета. По большей части индуктивные датчики используются в машинах для определения положения движущихся частей.
Емкостные датчики приближения используют принцип емкости для обнаружения объектов. Размещение объекта перед чувствительной поверхностью вызывает колебание внутри цепи датчика. Это контролируется другой подсхемой, которая управляет выходом.
Эти датчики могут обнаруживать как металлические объекты, такие как черные металлы, алюминий, так и неметаллические объекты, такие как вода, бумага, стекло и даже порошки. Емкостные датчики используются для контроля уровня жидкости, определения состояния наполнения / пустоты контейнеров, таких как бутылки и т. Д.
Индуктивные датчики имеют относительно меньший диапазон обнаружения (как расстояние, так и поле зрения), чем емкостные датчики. Рабочее расстояние обоих датчиков зависит от размера, формы и состава материала.
Использование индуктивных датчиков приближения с Arduino
Иногда в проекте DIY может потребоваться обнаружение металлических предметов. Давайте посмотрим, как использовать индуктивный датчик приближения с Arduino и как получить от него показания. Марк Репетитор есть очень информативное видео на его канале по этому поводу.
В этом уроке используется датчик LJ12A3-4-Z / B Индуктивный датчик приближения NPN. Этот датчик может работать с источником питания 6-36 В постоянного тока. Он имеет диапазон обнаружения 4 мм и может обнаруживать сплавы железа и стали.
Коричневый провод датчика подключен к источнику питания 6-36 В, а синий провод подключен к 0 В (земля). Контакт 1 оптопары PC817 подключен к тому же источнику 6–36 В постоянного тока. Выходной сигнал датчика подключается к контакту 817 PC2 через резистор 1 кОм. Этот резистор ограничивает ток, протекающий через оптрон.
На выходной стороне оптопары контакт 4 подключен к 5 В через резистор 10 кОм для ограничения тока. Контакт 3 подключен к земле. Два основания можно связать вместе или оставить разделенными. Контакт 4 также подключен к контакту 13 Arduino. Это может быть любой цифровой / аналоговый вывод Arduino.
Функциональность схемы
Когда на схему подано питание и никаких объектов нет, датчик NPN выдает логический ВЫСОКИЙ сигнал. Это означает, что оптопара PC817 не работает.
В этот момент транзистор внутри оптопары не активирован. Следовательно, напряжение на выводе 4 близко к 5В. Arduino считает это логическим ВЫСОКИМ входом.
Когда металлический объект помещается перед датчиком, выход датчика подключается к 0 В. Это заставляет ток течь через светодиод (контакт 1 - контакт 2 оптопары) и включает оптопару.
При активации транзистор начинает проводить ток от контакта 4 к контакту 3. В этот момент контакт 4 оптопары имеет напряжение, близкое к 0 В. Arduino рассматривает это как логический НИЗКИЙ вход.
Пояснение кода 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");
}
}
Код начинается с определения контакта и установки контакта 13 в качестве входа. Внутри функции цикла Arduino непрерывно проверяет состояние контакта 13. Каждый раз, когда вход контакта 13 переходит с HIGH в LOW или из LOW в HIGH, выполняется условие if.
Если состояние вывода LOW (что означает наличие объекта), выводится сообщение «(0) Target Hit!» на серийный монитор. Если вывод ВЫСОКИЙ, Arduino печатает «(1) None» на последовательном мониторе.
Эту схему можно легко изменить для работы с датчиком PNP, подключив черный провод датчика PNP к контакту 1 оптопары и подключив контакт 2 к земле через резистор 1 кОм.
Индуктивный датчик приближения Цена
Цена индуктивных датчиков приближения в первую очередь зависит от их размера, дальности обнаружения и типа выхода. Типичный датчик с рабочим напряжением 10–30 В и диапазоном обнаружения 8 мм может стоить от 30 до 100 долларов США.
Датчики, к которым уже подключены провода, обычно стоят дороже, поскольку они герметичны и более устойчивы к пыли и воде.
Индуктивные бесконтактные датчики переменного тока, которые имеют контакты SPST, стоят около 80 долларов и обычно имеют Защита от проникновения (IP) рейтинг 67 или выше.
Символ индуктивного датчика приближения
Обозначение индуктивного датчика приближения выглядит следующим образом, как определено Международная электротехническая комиссия (МЭК). Он состоит из 4-х основных символов, обозначающих тип датчика.
Для всех индуктивных датчиков приближения верхний левый и нижний символы идентичны. В зависимости от типа выхода (PNP / NPN / SPST) верхний правый символ может изменяться.
Нижний правый символ указывает на нормально разомкнутое (NO) или нормально замкнутое (NC) состояние датчика. Это указывает, является ли выходной сигнал ВЫСОКИМ или НИЗКИМ при отсутствии объекта.
Инженершуб.ко объясняет все комбинации проводки (2-проводной и 3-проводной) для индуктивных датчиков приближения и дает иллюстрации для двух символов.
Где используются индуктивные датчики приближения?
Индуктивные датчики приближения находят большинство применений в промышленных средах и тяжелом машиностроении. Одним из наиболее популярных приложений является определение положения, в котором датчики используются для обнаружения движения машин, таких как вилочные погрузчики и гидравлические приводы.
Бесконтактное определение скорости вращения колеса также является еще одним применением индуктивных датчиков. Колесо с прорезями / зубьями используется для подсчета количества импульсов, считываемых датчиком в секунду, для определения скорости вращения колеса. Это обычное применение в автомобилях и конвейерных лентах.
Диапазон индуктивного датчика приближения
В отличие от емкостных датчиков приближения, индуктивные датчики приближения имеют более узкий диапазон срабатывания.
Однако они могут обнаруживать объекты в диапазоне от 1 мм до 60 мм. Датчики специального назначения также могут иметь увеличенное расстояние срабатывания.
На этой диаграмме мы можем определить некоторые параметры, которые используются для определения характеристик датчика. Sn номинальное расстояние срабатывания. Это расстояние, на которое рассчитан датчик. Этот диапазон не учитывает никаких отклонений.
Sr это реальное расстояние срабатывания. Это расстояние определяется при номинальном напряжении и номинальной температуре окружающей среды. Su это полезное расстояние срабатывания. Su определяет область, в которой оно составляет от 90% до 110% реального расстояния срабатывания.
Самый важный параметр - это Sa, гарантированное рабочее расстояние. Это от 0% до 81% номинального расстояния срабатывания, и датчик гарантированно обнаружит любой обнаруживаемый объект в этой области.
Из чего сделаны индуктивные датчики?
Чувствительная поверхность индуктивного датчика может быть изготовлена из керамики или полиэфирэфиркетона (PEEK). Это зависит от приложения.
Корпус датчика изготовлен из различных материалов. Это может быть нержавеющая сталь, PPS, PBTB, никелированная латунь или латунь с тефлоновым покрытием.
Для применений, где важна гигиена, таких как пищевая промышленность, нержавеющая сталь соответствует стандартам. PPS используется для создания корпусов, в которых датчик будет подвергаться воздействию высоких температур. Чтобы противостоять истиранию и экстремальным температурам и холоду, используется PBTB.
Как подключить индуктивный датчик приближения
В основном доступны 3 типа схем подключения. 4-проводные датчики не получили широкого распространения, но наиболее популярны двух- и трехпроводные датчики.
Вот как классифицируются датчики в зависимости от их напряжения питания и типов выходов:
- 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)
- Транзисторный выход (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 приведены схемы подключения датчиков приближения к системам автоматизации.
Какой тип материала обнаруживает индуктивный датчик приближения?
Индуктивные датчики приближения могут обнаруживать присутствие только металлических целей. Они не могут обнаруживать неметаллические предметы, такие как керамика, пластик, дерево, бумага и жидкости.
Тем не менее, они могут «видеть сквозь» неметаллические предметы, чтобы обнаруживать металлические предметы. Например, индуктивные датчики приближения могут обнаруживать металлические предметы за непрозрачным пластиковым листом.
Как проверить индуктивный бесконтактный переключатель
Для проверки индуктивного датчика приближения типа PNP можно использовать следующую принципиальную схему. Когда металлический объект приближается к поверхности датчика, загорается подключенный светодиод.
Точно так же следующую схему можно использовать для проверки датчика приближения типа NPN. Для обеих схем сопротивление последовательного резистора со светодиодом должно быть около 2 кОм для защиты светодиода.
Какие материалы уменьшат диапазон индуктивного бесконтактного переключателя?
Индуктивные датчики лучше всего работают со сталью (Fe360). Используя это как ссылку, специальный «поправочный коэффициент» определяется для других типов материалов. Чем ниже коэффициент коррекции, тем меньше становится расстояние обнаружения.
Например, если конкретный датчик приближения может обнаруживать стальной объект на расстоянии 10 мм, он сможет обнаружить латунный объект только тогда, когда он находится примерно на 10 мм * 0.25 - 10 мм * 0.45 (2.5 мм - 4.5 мм) близко к чувствительной поверхности. .
Насколько точны индуктивные датчики приближения?
На этапе производства конструкции индуктивных датчиков проходят тщательную и точную калибровку. Это включает в себя настройку резисторов датчика под лазерным контролем, которые определяют расстояние срабатывания и характеристики.
Даже в этом случае, когда датчик приближения используется в полевых условиях, иногда металлическая пыль или другие частицы могут со временем накапливаться на поверхности датчика. Это со временем снижает чувствительность датчика.
Современные датчики оснащены встроенными микропроцессорами, которые могут обнаруживать эти частицы и соответствующим образом регулировать чувствительность датчика. Следовательно, эти датчики называются «нечувствительными к чипам».
Советы, которые следует учитывать при покупке индуктивного датчика приближения
Прежде чем выбрать индуктивный датчик приближения в качестве опции, может быть полезно ответить на следующие вопросы:
- Какие типы объектов мне нужно обнаруживать?
- Какое относительное расстояние срабатывания требуется?
- Какую форму и размер объекта я хочу обнаружить?
В зависимости от этих факторов, если
- Диапазон менее 80 мм
- Нужно только обнаруживать металлические (черные) предметы
- Датчик должен быть устойчивым к суровым условиям окружающей среды.
- Датчик должен работать с высокоскоростными движущимися частями.
an индуктивный датчик приближения может быть лучшим выбором. Они также относительно дешевле, чем другие технологии, такие как емкостные или ультразвуковые датчики.
Будут ли индукционные датчики приближения работать с алюминием?
Обычным индуктивным датчикам приближения относительно сложно обнаруживать объекты из алюминия. Однако алюминиевую фольгу можно обнаружить с помощью индуктивных датчиков из-за явления, называемого «скин-эффектом», которым обладает алюминий.
Если есть строгие требования к обнаружению алюминиевых объектов, существуют «цельнометаллические» или цветные металлы, которые могут обнаруживать все типы металлов, включая алюминий и медь.
Заключение
В этой статье мы подробно рассмотрели индуктивные датчики приближения, их конструкцию, принцип действия и области применения. Эти датчики являются отличными металлоискателями и находят свое применение во многих промышленных и непромышленных средах.
Существуют и другие типы датчиков приближения, такие как емкостные, ультразвуковые, магнитные и фотоэлектрические, которые могут быть более подходящими для конкретного случая. Следовать этой руководство от ДиректИндустри чтобы узнать больше о выборе подходящего датчика приближения для вашего приложения.
