Индуктивный датчик приближения

Введение

Датчики приближения используются в промышленных условиях для обнаружения присутствия объектов. Существует два основных типа объектов: металлические и неметаллические. Индуктивные датчики приближения специально разработаны для обнаружения металлических объектов.

В этом посте мы подробно рассмотрим индуктивные датчики приближения и их применение.

Что такое индуктивный датчик приближения?

Индуктивные датчики относятся к семейству датчики приближения. Они используют принцип электромагнитная индукция для обнаружения и измерения объектов. На рынке представлены датчики как с цифровым, так и с аналоговым выходом.

Индуктивные датчики приближения - это датчики бесконтактного типа. Они могут обнаруживать объекты без физического контакта. Они находят свое применение для обнаружения металлических объектов в условиях промышленной автоматизации. К ним относятся предметы из железа, меди и алюминия.

Диапазон 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 объектов. По размерам эти датчики очень похожи на емкостные датчики приближения. Ниже показан ALJ8A3-1-Z/N1 индуктивный бесконтактный выключатель OMCH.co

Давайте попробуем разобраться в принципе работы индуктивных датчиков приближения, начав с метода обнаружения, электромагнитная индукция и Вихревые течения.

Принцип электромагнитной индукции

Когда постоянный ток подается на проводник (например, провод), он создает вокруг него магнитное поле. Его называют "статическим магнитным полем", поскольку оно создается постоянным током.

Если источником тока является переменное напряжение, создаваемое магнитное поле начинает "колебаться" вперед-назад.

Если поместить в это магнитное поле металлический предмет, например кусок провода, то колебания магнитного поля вызовут появление электрического тока внутри второго проводника. Этот принцип известен как "электромагнитная индукция". Именно этот принцип можно найти в электрических трансформаторах.

Это же явление можно наблюдать, когда магнитное поле статично, а проводник движется сквозь магнитное поле.

Вихревые течения

Когда металлический предмет попадает в электромагнитное поле, оно создает электрический ток внутри проводника в соответствии с принципом электромагнитной индукции. Иногда этот эффект становится нежелательным. Вихревые токи - это тип наведенных токов, которые начинают циркулировать/завихряться внутри металлического объекта.

Вихревые токи не выходят из объекта, как электрический ток. Вихревые токи также нарушают существующее магнитное поле. Именно этим явлением пользуются индуктивные датчики приближения для обнаружения объектов.

Как индуктивный датчик приближения обнаруживает металлические объекты?

Индуктивные датчики приближения используют тот же принцип вихревых токов для обнаружения металлических объектов. Они измеряют изменение вихревых токов, индуцированных в присутствующем объекте, и выдают соответствующий сигнал.

Измерение вихревых токов в близко расположенном объекте, однако, является сложной задачей. Поэтому индуктивные датчики приближения также имеют внутри себя сложные схемы для обработки сигналов и обеспечения достойного выходного сигнала.

При активации датчик создает осциллирующее магнитное поле на чувствительной поверхности. Это магнитное поле создается с помощью LC осцилляторСостоит из конденсатора и катушки.

Специальная схема поддерживает постоянную частоту колебаний. Для датчиков переменного тока эта частота составляет от 10 до 20 Гц, в то время как датчики постоянного тока работают в диапазоне от 500 Гц до 5 кГц.

Когда металлический объект попадает в генерируемое магнитное поле, поле вызывает электрический ток внутри объекта. Это также вызывает циркуляцию вихревых токов внутри объекта.

Как уже говорилось, 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, оно уменьшает амплитуду колебательного сигнала.

Отдельная схема компаратора контролирует этот осциллирующий сигнал. Когда амплитуда сигнала становится ниже или выше определенного порога, схема активирует выход. Для цифрового датчика это логический выходной сигнал HIGH или LOW. Для аналогового датчика выходным сигналом является сигнал тока или напряжения.

Постройте схему индуктивного датчика приближения

Существуют готовые датчики, которые можно приобрести у различных производителей. Мы можем использовать их в любой области промышленной автоматизации, где требуется обнаружение металла. Как и другие типы датчиков, индуктивные датчики приближения также имеют различные типы выходов: PNP и NPN.

Существуют также двухпроводные индуктивные датчики приближения.

Схема индуктивного датчика приближения с использованием промышленного датчика

Давайте рассмотрим пример, в котором зуммер активируется, когда датчик обнаруживает металлический предмет. Для этого примера используется индуктивный датчик приближения типа PNP.

В соответствии с типичной схемой подключения, коричневый провод датчика является положительным выводом питания. Напряжение питания может варьироваться от 6 В до 36 В. Синий провод подключен к земле.

Выход датчика (черный провод) подключается к базе NPN-транзистора общего назначения. Поскольку это PNP-датчик, на выходе будет около 0 В, когда объект не обнаружен. Когда датчик обнаружит объект, на его выходном контакте появится напряжение, близкое к напряжению питания, подаваемому на коричневый провод датчика.

Индуктивные датчики могут выдавать только меньший ток. Поэтому подключение выхода непосредственно к зуммеру может повредить датчик. Использование транзистора в качестве переключателя позволяет датчику выдавать сигнал напряжения и управлять нагрузкой с большим током, например зуммером.

Когда схема включена и перед ней нет металлического предмета, индуктивный датчик приближения PNP выдает НИЗКОЕ напряжение (близкое к 0 В). Это обратное смещение транзистора, что означает, что ток через зуммер не течет. В этот момент зуммер выключен.

Когда металлический предмет попадает в зону обнаружения датчика, он выдает логический сигнал HIGH. Этот сигнал включает NPN-транзистор. Поскольку транзистор работает как переключатель, он включает зуммер.

Собранная на заказ схема индуктивного датчика приближения

Несмотря на то, что индуктивные датчики приближения доступны в продаже, может возникнуть ситуация, когда вам потребуется встроить датчик приближения в печатную плату. Это может быть связано с ограничением пространства и отсутствием датчика подходящего размера.

Сайт TCA505 ИС индуктивного датчика приближения от Infineon Technologies - это ИС специального назначения, разработанная для использования в подобных приложениях. В нее встроены все этапы обработки сигнала, и для создания автономного индуктивного датчика приближения требуется всего несколько внешних компонентов.

Electronics-lab.com приведен пример применения TCA505. Показанная здесь схема может обнаруживать металлические объекты на расстоянии 5-10 мм от печатной платы. Резонансный LC-контур этой схемы основан на открытый полупроводниковый ферритовый сердечник.

Эта схема может работать от 12 до 42 В и имеет два индикаторных светодиода, D1 и D2. D2 горит при отсутствии объекта, а D1 остается выключенным. Когда объект присутствует, D1 загорается, а D2 выключается. Чувствительность/расстояние обнаружения схемы можно регулировать с помощью потенциометра PR1.

На изображении ниже показана окончательная версия печатной платы, разработанная Electronics-lab.com.

Внутренние цепи индуктивного датчика приближения

Теперь, когда мы знаем, как работает индуктивный датчик приближения, давайте рассмотрим подробнее, что заставляет их "тикать".

Как мы уже знаем, индуктивный датчик приближения имеет сложную схему внутри своего корпуса. Схема состоит из 4 основных функциональных блоков. А именно,

• Стадия генератора
• Этап демодулятора
• Стадия триггера
• Выходной каскад

Давайте обсудим функциональную блок-схему индуктивного датчика приближения от датчика до выхода.

Стадия генератора

Осцилляторный каскад состоит из головки датчика, которая образует Контур резервуара LC. Эта часть состоит из конденсатора и индуктора, который является чувствительной катушкой, создающей магнитное поле. Оптический усилитель помогает поддерживать колебания и сохранять постоянную частоту. Сигнал на выходе осциллятора имеет вид синусоиды.

Этап демодулятора

Выход генератора подключается к демодулятору. Этот каскад принимает полученную синусоиду и выпрямляет ее с помощью полумостового выпрямителя. Конденсатор C2 дополнительно сглаживает напряжение. Затем демодулятор подает свой выход на триггерный каскад.

Стадия триггера

Триггерный каскад состоит из специального типа ИС, называемого 'спусковой крючок Шмитта'. Триггеры Шмитта обладают специальной характеристикой, называемой "гистерезис". Например, триггер Шмитта может установить свой выход в положение HIGH, когда входное напряжение выше 2,5 В. Но он снова установит свой выход в положение LOW, только когда входное напряжение упадет ниже 2,0 В.

Выходной каскад

Выходной каскад - это последний каскад, который управляет сигналом на выходе датчика. В основном он состоит из транзистора. Тип этого транзистора определяет тип выходного сигнала датчика.

Если транзистор имеет тип NPN, датчик называется "датчик приближения NPN". Этот конкретный датчик относится к типу PNP и имеет в выходном каскаде транзистор PNP.

Выход защищен RTD (резистивный температурный детектор), который защищает выходной каскад при коротком замыкании коричневого провода с 0 В. Диод D2 обеспечивает защиту от обратной полярности, а R5 выступает в качестве подтягивающего резистора для выхода. Диод D1 Zener защищает датчик от повышенного напряжения.

Индуктивные датчики приближения в сравнении с емкостными датчиками приближения

Индуктивные и емкостные датчики - две самые популярные технологии среди датчиков приближения.

Индуктивные датчики приближения используют принцип электромагнетизма и вихревых токов для обнаружения металлических объектов. Когда металлический объект приближается к датчику, амплитуда колебаний в цепи датчика затухает. Увеличение или уменьшение амплитуды определяет состояние выхода датчика.

Однако они не могут обнаружить диэлектрические материалы, такие как пластик, дерево или зерно. Иногда это является преимуществом, поскольку с помощью индуктивных датчиков можно обнаружить металлические предметы внутри бумажного или пластикового пакета. В основном индуктивные датчики используются в машинах для определения положения движущихся частей.

Емкостные датчики приближения используют принцип емкости для обнаружения объектов. Помещение объекта перед чувствительной поверхностью вызывает колебания в цепи датчика. Это контролируется другой подсхемой, которая управляет выходом.

Эти датчики могут обнаруживать как металлические объекты, такие как черные металлы, алюминий, так и неметаллические, например, воду, бумагу, стекло и даже порошки. Емкостные датчики используются для контроля уровня жидкости, определения наполненности/пустоты контейнеров, например бутылок, и т. д.

Индуктивные датчики имеют относительно меньшую дальность 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 DIY-проекте может потребоваться обнаружение металлических предметов. Давайте рассмотрим, как использовать индуктивный датчик приближения с Arduino и как получить от него показания. Марк Тьютор на его канале есть очень информативное видео на эту тему.

В этом учебнике используется датчик LJ12A3-4-Z/B Индуктивный датчик приближения NPN. Этот датчик может работать с источником питания 6-36 В постоянного тока. Его диапазон обнаружения составляет 4 мм, и он может обнаруживать сплавы железа/стали.

Коричневый провод датчика подключен к источнику питания 6-36 В, а синий провод - к 0 В (земля). Вывод 1 оптопары PC817 подключен к тому же источнику питания 6-36 В постоянного тока. Сигнальный выход датчика подключается к контакту 2 PC817 через резистор 1k. Этот резистор ограничивает ток через оптопару.

На выходе оптопары вывод 4 подключен к напряжению 5 В через резистор 10 к для ограничения тока. Вывод 3 подключен к земле. Эти два заземления можно связать вместе, а можно оставить раздельными. Вывод 4 также подключен к выводу 13 Arduino. Это может быть любой цифровой/аналоговый вывод Arduino.

Функциональность схемы

Когда схема включена и объект отсутствует, датчик NPN выдает логический сигнал HIGH. Это означает, что оптопара PC817 не работает.

В этот момент транзистор внутри оптопары не активирован. Поэтому напряжение на выводе 4 близко к 5 В. Arduino воспринимает это как логический сигнал HIGH.

Когда перед датчиком помещается металлический предмет, выход датчика соединяется с 0 В. Это вызывает протекание тока через светодиод (контакт 1 - контакт 2 оптопары) и включает оптопару.

При активации транзистор начинает проводить ток от вывода 4 к выводу 3. В этот момент на выводе 4 оптопары напряжение близко к 0 В. Arduino воспринимает это как логический НИЗКИЙ вход.

Объяснение 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 ){
состояние = val;
Serial.print("Значение датчика = ");
if( state == 0 )
Serial.println( "(0) Цель поражена!" );
else
Serial.println( "(1) None");
}
}

Код начинается с определения выводов и установки вывода 13 в качестве входа. Внутри функции цикла Arduino постоянно проверяет состояние пина 13. Всякий раз, когда вход пина 13 переходит из состояния HIGH в LOW или из LOW в HIGH, выполняется условие 'if'.

Если состояние пина НИЗКОЕ (что означает наличие объекта), на последовательный монитор выводится "(0) Target Hit!". Если состояние пина ВЫСОКОЕ, Arduino выводит на последовательный монитор сообщение "(1) None".

Эту схему можно легко изменить для работы с PNP-датчиком, подключив черный провод PNP-датчика к контакту 1 оптопары, а контакт 2 соединив с землей через резистор 1k.

Индуктивный датчик приближения Цена

Цена индуктивных датчиков приближения в первую очередь зависит от их размера, дальности обнаружения и типа выходного сигнала. Типичный датчик с рабочим напряжением 10-30 В и дальностью обнаружения 8 мм может стоить от $30 до $100+.

Датчики с уже подключенными проводами обычно стоят дороже, поскольку они герметичны и более устойчивы к пыли и воде.

Индуктивные датчики приближения переменного тока с контактами SPST стоят около $80 и, как правило, имеют Защита от проникновения (IP) рейтинг 67 или выше.

Символ индуктивного датчика приближения

Символ индуктивного датчика приближения выглядит следующим образом, согласно определению Международная электротехническая комиссия (МЭК). Он состоит из 4 основных символов, обозначающих характер сенсора.

Для всех индуктивных датчиков приближения левый верхний и нижний символы идентичны. В зависимости от типа выхода (PNP/NPN/SPST) правый верхний символ может меняться.

Правый нижний символ указывает на нормально открытое (NO) или нормально закрытое (NC) состояние датчика. Это указывает на то, является ли выходной сигнал ВЫСОКИМ или НИЗКИМ, когда объект отсутствует.

Engineershub.co Объясняет все комбинации подключения (двухпроводные и трехпроводные) индуктивных датчиков приближения и приводит иллюстрации для двух символов.

Где используются индуктивные датчики приближения?

Индуктивные датчики приближения находят применение в основном в промышленной среде и тяжелом оборудовании. Одной из самых популярных областей применения является позиционное зондирование, где датчики используются для обнаружения движения машин, таких как вилочные погрузчики и гидравлические приводы.

Бесконтактное определение скорости вращения колеса - еще одна область применения индуктивных датчиков. Колесо с прорезями/зубьями используется для подсчета количества импульсов, которые датчик считывает в секунду, чтобы определить скорость вращения колеса. Это распространенное применение в автомобилях и конвейерных лентах.

Диапазон индуктивных датчиков 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 можно выделить некоторые параметры, которые используются для определения характеристик датчика. Sn номинальное расстояние срабатывания. Это расстояние, на которое рассчитан датчик. Этот диапазон не учитывает никаких отклонений.

Старший реальное расстояние срабатывания. Это расстояние определяется при номинальном напряжении и номинальной температуре окружающей среды. Су полезная дистанция зондирования. Su определяет область, в которой она находится между 90% и 110% реального расстояния зондирования.

Наиболее важным параметром является Сагарантированное рабочее расстояние. Это расстояние составляет от 0% до 81% от 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 области применения.

Корпус датчика изготавливается из различных материалов. Это может быть нержавеющая сталь, PPS, PBTB, никелированная или покрытая тефлоном латунь.

Для применений, где гигиена играет ключевую роль, например, в пищевой промышленности, нержавеющая сталь соответствует стандартам. PPS используется для создания корпусов, в которых датчик будет подвергаться воздействию высоких температур. Для защиты от истирания, экстремальных жары и холода используется PBTB.

Как подключить индуктивный датчик приближения

Существует в основном 3 типа схем подключения. Четырехпроводные датчики не получили широкого распространения, в то время как наиболее популярными являются двух- и трехпроводные датчики.

Вот как классифицируются датчики в зависимости от напряжения питания и типа выхода:

• Питание переменного или постоянного тока
  • Определяет, работают ли датчики с питанием 220 В переменного тока или 24 В постоянного тока
• Тип выхода
  • Транзисторный выход (3-проводной)
    • Транзисторные выходные датчики могут быть как NPN, так и PNP. Для обоих этих типов существуют варианты выходов NO (нормально открытый) и NC (нормально закрытый). Некоторые датчики могут даже поддерживать оба варианта. (NO+NC).
  • Релейный выход (2-проводной или 3-проводной)

Двухпроводные и трехпроводные датчики переменного тока всегда имеют релейный тип выхода. Датчики постоянного тока могут иметь релейный или транзисторный тип выхода. Датчики с релейным выходом также имеют варианты NO, NC и NO+NC.

Вот OMCH.coАссортимент емкостных датчиков приближения и варианты их подключения:

Ниже приведены электрические схемы, используемые для подключения датчиков приближения к системам автоматизации.

Какой тип материала обнаруживает индуктивный датчик приближения?

Индуктивные датчики приближения могут определять наличие только металлических объектов. Они не могут обнаружить неметаллические объекты, такие как керамика, пластик, дерево, бумага и жидкости.

Однако они могут "видеть" сквозь неметаллические предметы, чтобы обнаружить металлические объекты. Например, индуктивные датчики приближения могут обнаруживать металлические предметы за непрозрачной пластиковой пленкой.

Как проверить индуктивный бесконтактный выключатель

Для проверки индуктивного датчика приближения типа PNP можно использовать следующую схему. Когда металлический предмет приближается к поверхности датчика, загорается подключенный светодиод.

Аналогично, следующая схема может быть использована для тестирования датчика приближения типа NPN. В обеих схемах последовательный резистор со светодиодом должен быть около 2 к, чтобы защитить светодиод.

Какие материалы уменьшают радиус действия индуктивного бесконтактного датчика?

Индуктивные датчики лучше всего работают со сталью (Fe360). Используя это значение в качестве эталона, для других типов материалов определяется специальный "поправочный коэффициент". Чем меньше поправочный коэффициент, тем меньше расстояние обнаружения.

Например, если конкретный датчик приближения может обнаружить стальной объект на расстоянии 10 мм, он сможет обнаружить латунный объект только тогда, когда он приблизится к чувствительной поверхности на расстояние от 10 мм*0,25 до 10 мм*0,45 (2,5 - 4,5 мм).

Насколько точны индуктивные датчики приближения?

На этапе производства индуктивные датчики подвергаются тщательному процессу прецизионной калибровки. При этом происходит лазерная настройка резисторов датчика, определяющих расстояние срабатывания и производительность.

Тем не менее, когда датчик приближения используется в полевых условиях, на его поверхности со временем может скапливаться металлическая пыль или другие частицы. Это со временем снижает чувствительность датчика.

Современные датчики оснащены встроенными микропроцессорами, которые могут обнаруживать эти частицы и соответствующим образом регулировать чувствительность датчика. Такие датчики называют "иммунными к чипам".

Советы по покупке индуктивного датчика приближения

Прежде чем выбрать индуктивный датчик приближения в качестве опции, будет полезно ответить на эти вопросы:

• Какие типы объектов необходимо обнаружить?
• Какое относительное расстояние срабатывания необходимо?
• Какова форма и размер объекта, который я хочу обнаружить?

В зависимости от этих факторов, если

• Диапазон составляет менее 80 мм
• Необходимо обнаруживать только металлические (черные) объекты
• Датчик должен быть устойчив к неблагоприятным условиям окружающей среды
• Датчик должен работать с высокоскоростными движущимися частями

. индуктивный датчик приближения может быть лучшим выбором. Они также относительно дешевле других технологий, таких как емкостные или ультразвуковые датчики.

Будут ли индуктивные датчики приближения работать на алюминии?

Обычные индуктивные датчики приближения с трудом обнаруживают объекты из алюминия. Однако алюминиевая фольга может быть обнаружена индуктивными датчиками благодаря явлению, называемому "скин-эффектом", которым обладает алюминий.

Если требуется обнаружить алюминиевые предметы, существуют "цельнометаллические" или "цветные" приборы, способные обнаружить все типы металлов, включая алюминий и медь.

Заключение

В этой статье мы подробно рассмотрели индуктивные датчики приближения, их устройство, принцип работы и области применения. Эти датчики являются отличными металлодетекторами и находят 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. Следите за это руководство от DirectIndustry чтобы узнать больше о выборе подходящего датчика приближения для вашей задачи.