Индуктивные датчики что это
Принцип работы и виды индуктивных датчиков, способы подключения
Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.
Общее описание и назначение
Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.
По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.
Одинарные
Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.
Дифференциальные
Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.
Устройство и схема
Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.
Генератор
Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.
Триггер Шмидта
Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.
Усилитель
Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.
Специальный индикатор
Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.
Компаунд
Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.
Принцип работы
Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.
В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.
Параметры
Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.
Напряжение питания
Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.
Минимальный ток переключения
Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.
Рабочие расстояния
Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.
Частота переключения
Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.
Способ подключения
Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.
Трехпроводные
Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.
Четырехпроводные
Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.
Двухпроводные
Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.
Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.
Пятипроводные
Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.
Цветовая маркировка
Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:
Погрешности
Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.
Электромагнитная
Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.
От температуры
Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.
Магнитной упругости
Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.
Деформация элементов
Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.
Кабеля
Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.
Старение
Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.
Технологии
Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.
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.
Индукционные датчики следующего поколения
Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.
К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:
Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.
Принцип работы и подключение индуктивных датчиков
Бесконтактный датчик индуктивности позиционируется как сенсор, способный реагировать на металлические предметы, оказавшиеся в его электромагнитном поле. Благодаря этому свойству индуктивных бесконтактных датчиков удается отслеживать перемещение подвижных частей оборудования и при необходимости отключать двигатель приводного механизма. Для распознавания и анализа изменений магнитного поля в их состав вводится специальный электронный узел, называемый контроллером (компаратором).
Устройство и принцип действия
Индуктивный датчик LJ12A3-4-Z/BX (D-12мм)
Индукционные датчики положения, помимо электронного компаратора, содержат в своем составе следующие обязательные компоненты:
Конструкции различных моделей датчиков металла могут иметь некоторые отличия. Они не влияют на сам индукционный датчик, принцип работы его от этого не меняется.
Внутреннее строение индуктивного датчика перемещения
В соответствии с устройством прибора суть его работы описывается следующим образом:
Каждая модель имеет собственный показатель чувствительности по перемещению — зазор смещения. Для различных образцов этот параметр варьируется в пределах от 1 микрона до 20 миллиметров.
Параметры индуктивных датчиков
Индуктивные датчики с различными характеристиками
Помимо диапазона срабатывания или чувствительности индуктивный датчик характеризуется следующими рабочими показателями:
Последний показатель у различных образцов может варьироваться в значительных пределах.
Для чувствительной или активной зоны прибора вводится еще один параметр, называемый гарантированным пределом срабатывания. Его нижняя граница равна нулю, а верхняя составляет 80 процентов от номинального значения. Этот показатель иногда называют поправочным коэффициентом рабочего зазора.
Не менее важный показатель функциональности чувствительного прибора – количество соединительных проводов в разъеме. Обычно их насчитывается два или три: два питающих и один для активации схемы. Однако возможны варианты подключения, при обустройстве которых используются четыре или пять контактных точек. Подобные образцы кроме двух питающих проводников содержат два выхода на нагрузку. При этом пятый проводник используется для выбора режима работы самого устройства.
Виды выходов и способы подключения
Для оценки действия чувствительного прибора вводится особая характеристика, оцениваемая по состоянию полярности его выходных параметров. В соответствии с общепринятым обозначением полупроводниковых элементов (транзисторов), входящих в состав электронной схемы датчика, эти выходы называются «PNP» и «NPN».
Отличие этих наименований состоит в том, что они обозначают различные полярности (полюса) источника питания чувствительных приборов. PNP транзисторы коммутируют его положительный выход, а NPN – отрицательный. Нагрузкой выходных схем чаще всего является управляющий микропроцессор.
Основные виды подключений разных индуктивных датчиков
В зависимости от схемы управления контроллером индуктивные датчики обозначаются как HO (нормально открытые) или HЗ – с нормально закрытым входом.
Вариант с NPN транзистором – наиболее распространенный способ включения датчика, поскольку согласно стандартным схемным решениям отрицательный провод делается общим для всех компонентов. В этом случае входы микропроцессоров и других контролирующих устройств активируются положительным напряжением.
Маркировка при подключении
На принципиальных схемах индуктивные датчики принято обозначать в виде ромба или квадрата с двумя вертикальными линиями внутри. Нередко в них также указывается тип выхода (нормально открытый или закрытый), соответствующий одной из разновидностей полупроводниковых транзисторов. В большинстве вариантов схем указывается нормально закрытая группа или оба типа в одном корпусе.
Цветовая маркировка выводов
Перед установкой датчика необходимо сверить данные с инструкцией
На практике применяется стандартная система маркировки выводов датчиков индуктивности, которой придерживаются все без исключения производители чувствительных приборов. Тем не менее, перед их монтажом рекомендуется внимательно следить за полярностью подключения и обязательно сверяться с прилагаемой к изделиям инструкцией.
На корпусах всех датчиков имеется рисунок с цветной маркировкой проводов, если это позволяют его размеры.
Стандартный порядок обозначения:
Для уточнения последнего маркировочного обозначения его следует сверить с данными инструкции, прилагаемой к конкретному прибору.
Погрешности датчиков
Бесконтактный индуктивный датчик
Погрешность снятия показаний контрольной системой существенно влияет на работу бесконтактного индуктивного датчика. Ее общая величина набирается из отдельных ошибок измерений по различным показателям: электромагнитным, температурным, аппаратным, магнитной упругости и многим другим.
Электромагнитная погрешность определяется как случайно проявляющаяся величина. Она появляется из-за паразитной ЭДС, наведенной в катушке внешними магнитными полями. В производственных условиях этот компонент создается силовым оборудованием с рабочей частотой 50 Герц. Температурная погрешность – один из важнейших показателей, поскольку работать большинство датчиков могут лишь в определенном диапазоне температур. Она обязательно учитывается при проектировании устройств этого класса.
Погрешность магнитной упругости вводится как показатель нестабильности деформаций сердечника, возникающей в процессе сборки прибора, а также как тот же фактор, но проявляющийся при его работе. Нестабильности внутренних напряжений в магнитопроводе приводит к ошибкам в обработке выходного сигнала. Погрешность, возникающая в самом чувствительном устройстве, проявляется из-за влияния полевой структуры на коэффициент деформации металлических элементов датчика. Кроме того, на ее суммарное значение существенно влияют люфты и зазоры в подвижных частях конструкции.
Погрешность соединительного кабеля набирается из отклонений величины сопротивления его проводных жил в зависимости от температурного фактора, а также как наводки посторонних электромагнитных полей и ЭДС. Тензометрическая погрешность как случайная величина зависит от качества изготовления намоточных элементов датчика (его катушки, в частности). В различных условиях эксплуатации возможно изменение сопротивления обмотки по постоянному току, приводящее к «плаванию» выходного сигнала. Погрешность старения проявляется вследствие износа подвижных элементов датчика, а также изменения электромагнитных свойств магнитопровода.
Проверить реальную величину этого параметра удается только с помощью сверхточных измерительных приборов. При этом обязательно принимаются во внимание кинематические особенности самого датчика. При проектировании и изготовлении чувствительных элементов такая возможность заранее учитывается в его конструкции.
Для индуктивных и емкостных датчиков характерны режимы работы со многими факторами влияния, определяемыми конкретными условиями эксплуатации. Именно поэтому выбор подходящих для данной марки прибора чувствительности и набора выходных параметров является определяющим при его использовании в качестве конечного выключателя.
Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики
В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.
Назначение
Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.
Сфера применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.
Устройство
Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):
Рис. 1. Устройство индуктивного датчика
Как видите на рисунке, в его состав входят:
Принцип работы
Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.
При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.
Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания
При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.
Расстояние срабатывания и объект воздействия
В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.
Рис. 4. Область и объект срабатывания
Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.
Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:
Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала
На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного. В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:
По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.
Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик
По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.
Характеристики (параметры)
При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:
Примеры подключения на схемах
Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.
Двухпроводных датчиков индуктивности
Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.
Трехпроводных датчиков индуктивности
В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.
Четырехпроводных датчиков индуктивности
По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.
Пятипроводных датчиков индуктивности
В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.
Преимущества и недостатки
В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:
Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.