Бесконтактные датчики приближения можно встретить в медицинских приборах, в составе автоматизированных промышленных линий, в бытовой технике. Один из ведущих мировых производителей продукции для автоматизации, компания Autonics, предлагает бесконтактные датчики приближения серий (индуктивные) и (емкостные).
Что общего между индуктосином фрезерного станка, сенсорным экраном смартфона, датчиком закрытия двери автомобиля и светильником с автоматическим включением? Ответ – во всех приведенных приложениях используются датчики приближения.
Датчики приближения – элементы, позволяющие обнаруживать присутствие, приближение или удаление различных объектов. Это достаточно широкий класс устройств (рисунок 1).
По типу взаимодействия с объектом датчики приближения делятся на контактные и бесконтактные.
Яркими примерами контактных датчиков являются концевые выключатели (например, датчики закрытия дверей в автомобилях).
Контактные датчики могут выполнять не только функцию включения и выключения, но и определять положение объекта, например, резистивные датчики уровня топлива. Для них выходным является аналоговый сигнал – значение сопротивления, пропорциональное уровню жидкости.
Достоинствами контактных датчиков является простота устройства и использования. Среди их недостатков можно отметить наличие механических подвижных частей и невозможность, в большинстве случаев, создать высокий уровень пыле- и влагозащищенности, что приводит к сокращению срока службы. Гораздо более длительный ресурс и максимальную защиту от негативного воздействия внешней среды имеют бесконтактные датчики.
Бесконтактные датчики делятся на две группы: датчики положения и выключатели. Основная функция бесконтактных выключателей состоит в релейном переключении состояния выхода при обнаружении объекта. В датчиках положения на выходе формируется сигнал, зависящий от расстояния до объекта.
Каждая из групп содержит сенсоры с различными технологиями обнаружения: индуктивные, емкостные и фотоэлектрические.
Рассмотрим бесконтактные индуктивные и емкостные выключатели производства компании Autonics.
Устройство и принцип действия индуктивных и емкостных датчиков приближения
Емкостные и индуктивные датчики способны обнаруживать присутствие объекта без непосредственного контакта с ним. При этом индуктивные выключатели чувствительны только к металлическим предметам, а емкостные способны детектировать любые предметы, диэлектрическая проницаемость которых отлична от воздуха (например, воду, дерево, металл, пластик и так далее). Рассмотрим принцип работы каждого датчика отдельно.
Основным элементом индуктивного датчика является катушка индуктивности (рисунок 2). Она подключена к генератору. Переменное электрическое напряжение на ее выводах вызывает переменное магнитное поле. Линии поля будут перпендикулярны направлению тока в витках катушки.
При отсутствии вблизи катушки металлических объектов линии магнитного поля замыкаются по воздуху. А амплитуда электрических колебаний будет максимальной.
Если же к катушке приближать металлический объект, то все большая часть силовых линий начнет замыкаться через него. Индуктивность катушки начнет увеличиваться. Этот процесс схож с процессом введения сердечника. При этом рост индуктивности приведет к уменьшению амплитуды и/или частоты колебаний.
Если такую систему снабдить детектором, то по изменению амплитуды сигнала можно судить о наличии металлического объекта, его приближении или удалении.
В основе работы емкостного датчика, как следует из названия, положено использование емкостных связей. Сам датчик, по сути, представляет собой одну из обкладок пространственного конденсатора. Второй обкладкой является земля. В качестве диэлектрика выступает преимущественно воздух. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха мала (ε = 1), то емкость такого конденсатора невелика. Если же к датчику начинает приближаться некоторый объект с более высоким значением ε, то суммарная емкость начнет увеличиваться (рисунок 3).
Таким образом, по величине емкости можно судить о наличии объекта, его приближении или удалении. При этом материал объекта может быть практически любым, важным является только значение его диэлектрической проницаемости.
Как правило, для измерения используются схемы с преобразованием емкости в частоту или амплитуду колебаний, которые измеряются с помощью детектора. В итоге, как и в случае с индуктивным датчиком, необходимо наличие двух обязательных элементов: генератора и детектора (рисунок 4).
Емкостные и индуктивные выключатели имеют выходной сигнал релейного типа – «включен» или «выключен» (рисунок 5). По этой причине схема датчиков имеет переключательный элемент – триггер, который для предотвращения ложных срабатываний снабжен гистерезисом.
Основные характеристики и особенности датчиков приближения
Зона чувствительности или активная зона (Sensing Distance), мм. Как было показано выше, диапазон действия датчиков приближения ограничен. Значительное изменение измеряемой емкости и индуктивности наблюдается вблизи чувствительного элемента сенсора (рисунки 2, 3).
Сенсор начинает «чувствовать» объект только на достаточно близких расстояниях, сравнимых с размерами самого датчика. Эта зона чувствительности называется активной зоной. В случае индуктивных датчиков она определяет область наибольшей плотности линий магнитного поля.
Расстояние срабатывания, мм. После попадания объекта в активную зону датчик переключается не сразу, а при достижении некоего порогового значения, которое задается внутренним триггером с гистерезисом.
Гистерезис необходим для исключения ложных срабатываний. При этом включение и выключение датчика происходят при различном уровне колебаний.
Рабочий зазор (Setting Distance), мм – расстояние, на котором гарантированно обнаруживается заданный объект.
В последнем определении использовался термин «заданный объект». Необходимо сделать дополнительные пояснения. Дело в том, что все перечисленные характеристики не являются жестко заданными. На их величину влияет целый ряд факторов: материал и размер объекта, температурный дрейф, технологические параметры самого датчика. По этой причине все приведенные характеристики измеряются при использовании конкретного объекта при нормальной температуре (обычно 20 или 25°С).
Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры индуктивных датчиков. Как было показано выше, приближающийся металлический объект выступает в роли сердечника для чувствительной катушки. Очевидно, что материал и форма сердечника оказывают значительное влияние на значение индуктивности.
По этой причине все номинальные характеристики относятся к конкретному объекту, который всегда указывается в документации на датчик. Обычно это железная квадратная пластина с заданными размерами.
Если предполагается использовать другой материал, то необходимо использовать поправочный коэффициент редукции (таблица 1).
Таблица 1. Примеры коэффициентов редукции индуктивных датчиков
Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры емкостных датчиков. Емкость результирующего конденсатора также зависит от формы и материала объекта. Максимальная чувствительность у датчика наблюдается для материалов с большой диэлектрической проницаемостью (таблица 2).
Таблица 2. Значения диэлектрической проницаемости для различных материалов
Важно понимать, что при настройке и установке датчика следует учитывать возможность намокания или замасливания объекта наблюдения. Например, для воды ε = 80, поэтому даже тончайшая водяная пленка приведет к значительному изменению емкости. В этом может убедиться любой пользователь ноутбука с тачпадом. Если тачпад намочить – ноутбук потеряет управление до полного высыхания поверхности сенсора. Такая же картина наблюдается и в случае промышленных емкостных датчиков.
Размер объекта также имеет значение. Чем больше объект – тем больше емкость.
Температурный дрейф параметров датчиков приближения. Данная зависимость характеризует изменение характеристик датчика (размеров активной зоны и рабочего зазора) при изменении температуры.
Начальная точность, %. В документации на датчик кроме номинальных значений всегда указывается начальная точность – значение для заданной температуры и влажности. Этот разброс связан с технологическими особенностями производства датчика.
Частота срабатывания (Response Frequency), Гц, характеризует частоту переключений датчика.
Наибольшей частотой срабатывания обладают датчики, питающиеся от постоянного напряжения. При этом имеет место зависимость частоты от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта (таблица 3).
Таблица 3. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика постоянного тока 24 В
| Диаметр, мм | Расстояние, мм | Частота, Гц |
| М08 | 1,5 | 1500 |
| 2 | 1000 | |
| M12 | 2 | 1500 |
| 4 | 500 | |
| M18 | 5 | 500 |
| 8 | 350 | |
| M30 | 10 | 400 |
| 15 | 200 |
Датчики, питающиеся от переменной сети, имеют меньшую частоту переключений. Однако зависимость от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта отсутствует (таблица 4).
Таблица 4. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика переменного тока 100…240 В
| Диаметр, мм | Расстояние, мм | Частота, Гц |
| М12 | 2 | 20 |
| 4 | 20 | |
| М18 | 5 | 20 |
| 8 | 20 | |
| М30 | 10 | 20 |
| 15 | 20 |
Еще одной особенностью, о которой стоит помнить при использовании бесконтактных датчиков, является возможность взаимного влияния соседних сенсоров (рисунок 6). При монтаже датчиков не допускается их слишком близкое расположение на расстояниях меньших, чем указано в документации. Это касается случаев как встречной, так и параллельной установки.
Тип выходного каскада – одна из важнейших характеристик датчиков приближения. Датчики могут быть двух- и трехпроводными с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами (рисунок 7).
Двухпроводные датчики Autonics выпускаются для работы с постоянным и переменным напряжением. Нагрузка может быть подключена как до, так и после датчика. При этом важно, чтобы величина сопротивления нагрузки обеспечивала протекание тока питания датчика. Если сопротивление нагрузки слишком велико – необходимо шунтировать его дополнительным резистором.
Трехпроводные сенсоры Autonics предназначены для работы в цепях постоянного тока и имеют два варианта исполнения с NPN- и PNP-выходным транзистором (рисунок 7). Если требуется постоянный контакт нагрузки с общей шиной – следует использовать датчик с PNP-выходом. Если же нагрузка требует подключения к шине питания – используется датчик с выходом NPN.
Выходной ток, мА – ток, который способен обеспечить выходной каскад датчика. Важный параметр, если сенсор напрямую управляет мощным потребителем. Если его мощности не хватает – следует использовать более мощный дополнительный внешний ключ.
Собственное падение напряжения, В, характеризует падение на датчике в замкнутом состоянии.
Собственный потребляемый ток, мА, измеряется для случая разомкнутых выходных контактов, то есть, когда через нагрузку не протекает ток.
Эксплуатационные характеристики. При использовании датчиков в жестких условиях промышленного производства следует помнить о таких параметрах как сопротивление изоляции, электрическая прочность, стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам, рейтинг пыле- и влагозащищенности, рабочий диапазон температуры влажности.
Компания Autonics выпускает огромное количество бесконтактных выключателей. Рассмотрим два популярных семейства: индуктивные датчики PRDCM и емкостные датчики CR.
Обзор индуктивных датчиков PRDCM
PRDCM – серия индуктивных цилиндрических выключателей с увеличенной зоной чувствительности и светодиодом состояния (рисунок 8).
|
|
|
Датчики выпускаются в двухпроводном (таблица 6) и трехпроводном (таблица 5) исполнении. Активная зона представителей семейства достигает 25 мм, а рабочий зазор – 17,5 мм. Диапазон частот срабатываний составляет до 600 Гц.
Таблица 5. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства PRDCM
| Параметр | Наименование | |||||
| PRDCM12-4DN, PRDCM12-4DP, PRDCM12-4DN2, PRDCM12-4DP2, PRDCML12-4DN, PRDCML12-4DP, PRDCML12-4DN2, PRDCML12-4DP2 | PRDCM12-8DN, PRDCM12-8DP, PRDCM12-8DN2, PRDCM12-8DP2, PRDCML12-8DN, PRDCML12-8DP, PRDCML12-8DN2, PRDCML12-8DP2 | PRDCM18-7DN, PRDCM18-7DP, PRDCM18-7DN2, PRDCM18-7DP2, PRDCML18-7DN, PRDCML18-7DP, PRDCML18-7DN2, PRDCML18-7DP2 | PRDCM18-14DN, PRDCM18-14DP, PRDCM18-14DN2, PRDCM18-14DP2, PRDCML18-14DN, PRDCML18-14DP, PRDCML18-14DN2, PRDCML18-14DP2 | PRDCM30-15DN, PRDCM30-15DP, PRDCM30-15DN2, PRDCM30-15DP2, PRDCML30-15DN, PRDCML30-15DP, PRDCML30-15DN2, PRDCML30-15DP2 | PRDCM30-25DN, PRDCM30-25DP, PRDCM30-25DN2, PRDCM30-25DP2, PRDCML30-25DN, PRDCML30-25DP, PRDCML30-2SDN2, PRDCML30-25DP2 | |
| Зона чувствительности, мм | 4 | 8 | 7 | 14 | 15 | 25 |
| Гистерезис | Макс. 10% от расстояния срабатывания | |||||
| 12x12x1 | 25x25x1 | 20x20x1 | 40x40x1 | 45x45x1 | 75x75x1 | |
| Рабочий зазор, мм | 0…2,8 | 0…5,6 | 0…4,9 | 0…9,8 | 0…10,5 | 0…17,5 |
| Напряжение питания ном., В | 12/24 | |||||
| 0…30 | ||||||
| Ток потребления, мА | Макс. 10 | |||||
| Частота срабатывания*, Гц | 500 | 400 | 300 | 200 | 100 | 100 |
| Макс. 1,5 | ||||||
| Температурный дрейф | Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температурной окружающей среды 20°С | |||||
| Номинальный ток, мА | Макс. 200 | |||||
| Сопротивление изоляции | Мин. 50 МОм (500 В пост. тока) | |||||
| 1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты | ||||||
| Стойкость к вибрациям | ||||||
| Индикатор | ||||||
| Рабочая температура, °C | -25…70 | |||||
| Температура хранения, °C | -30…80 | |||||
| Влажность, % | 35…95 | |||||
| Встроенная защита | ||||||
| Степень защиты (IP) | IP67 (Стандарт МЭК) | |||||
| Материал | ||||||
| Масса, г | PRDCM: 26 | PRDCM: 48 | PRDCM: 142 | |||
| PRDCML: 34 | PRDCML: 66 | PRDCML: 182 | ||||
Таблица 6. Основные характеристики двухпроводных датчиков семейства PRDCM
| Параметр | Наименование | Наименование | ||||||
| PRDCMT08-2DO, PRDCMT08-2DC, PRDCMT08-2DO-I, PRDCMT08-2DC-I | PRDCMT08-4DO, PRDCMT08-4DC, PRDCMT08-4DO-I, PRDCMT08-4DC-I | PRDCMT12-4DO, PRDCMT12-4DC, PRDCMT12-4DO-I, PRDCMT12-4DC-I, PRDCMLT12-4DO, PRDCMLT12-4DC, PRDCMLT12-4DO-I, PRDCMLT12-4DC-I |
PRDCMT18-7DO, PRDCMT18-7DC, PRDCMT18-7DO-I, PRDCMT18-7DC-I, PRDCMLT18-7DO, PRDCMLT18-7DC, PRDCMLT18-7DO-I, PRDCMLT18-7DC-I |
PRDCMT18-7DO, PRDCMT18-7DC, PRDCMT18-7DO-I, PRDCMT18-7DC-I, PRDCMLT18-7DO, PRDCMLT18-7DC, PRDCMLT18-7DO-I, PRDCMLT18-7DC-I |
PRDCMT18-14DO, PRDCMT18-14DC, PRDCMT18-14DO-I, PRDCMT18-14DC-I, PRDCMLT18-14DO, PRDCMLT18-14DC, PRDCMLT18-14DO-I, PRDCMLT18-14DC-I |
PRDCMT30-15DO, PRDCMT30-15DC, PRDCMT30-15DO-I, PRDCMT30-15DC-I, PRDCMLT30-15DO, PRDCMLT30-15DC, PRDCMLT30-15DO-I, PRDCMLT30-15DC-I |
PRDCMT30-25DO, PRDCMT30-25DC, PRDCMT30-25DO-I, PRDCMT30-25DC-I, PRDCMLT30-25DO, PRDCMLT30-25DC, PRDCMLT30-25DO-I, PRDCMLT30-25DC-I |
|
| Зона чувствительности, мм | 2 | 4 | 8 | 7 | 14 | 15 | 25 | |
| Гистерезис | Макс, 10% от расстояния срабатывания | |||||||
| Стандартный объект для обнаружения (железо), мм | 8x8x1 | 12x12x1 | 25x25x1 | 20x20x1 | 40x40x1 | 45x45x1 | 75x75x1 | |
| Рабочий зазор, мм | 0…1,4 | 0…2,8 | 0…5,6 | 0…5,6 | 0…9,8 | 0…10,5 | 0…17,5 | |
| Напряжение питания ном., В | 12/24 | 12/24 | ||||||
| Предельное напряжение питания, В | 10…30 | 10…30 | ||||||
| Ток потребления, мА | Макс. 0,6 | Макс. 0,6 | ||||||
| Частота срабатывания*, Гц | 600 | 500 | 500 | 400 | 250 | 200 | 100 | |
| Падение напряжения на датчике, В | Макс. 3,5 | Макс. 3,5 | ||||||
| Температурный дрейф | Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°C | |||||||
| Номинальный ток, мА | 2…100 | 2…100 | ||||||
| Сопротивление изоляции | Мин. 50 МОм (=500 В) | Мин. 50 МОм (=500 В) | ||||||
| Электрическая прочность диэлектрика | ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты | |||||||
| Стойкость к вибрациям | Амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов | Амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов | 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза | 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза | ||||
| Индикатор | Индикатор работы (красный светодиод) | Индикатор работы (красный светодиод) | ||||||
| Рабочая температура, °C | -25…70 | -25…70 | ||||||
| Температура хранения, °C | -30…80 | -30…80 | ||||||
| Влажность, % | 35…95% | 35…95% | ||||||
| Встроенная защита | От перенапряжения, обратной полярности, сверхтоков | От перенапряжения, обратной полярности, сверхтоков | ||||||
| Материал | Корпус/гайка: никелированная латунь, шайба: никелированное железо, считывающая поверхность: термоустойчивый акрилонитрил-бутадиен-стирол | Корпус/гайка: никелированная латунь, шайба: никелированное железо, считывающая поверхность: термоустойчивый акрилонитрил-бутадиен-стирол | ||||||
| Степень защиты (IP) | IP67 (Стандарт МЭК) | IP67 (Стандарт МЭК) | ||||||
| Масса стандартной версии, г | – | PRDCMT: 26 | PRDCMT: 48 | PRDCMT: 142 | ||||
| PRDCMLT: 36 | PRDCMLT: 66 | PRDCMLT: 182 | ||||||
| Масса улучшенной версии**, г | 15,5 | 15 | 23,5 | 22 | 46,5 | 42,5 | 160 | 165 |
* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального
** – Масса обновленной единицы относится только к PRDCMT
Особенностями данной серии являются расстояние срабатывания, увеличенное до 2,5 раз по сравнению с предыдущим поколением, и наличие коннектора на корпусе, что удобно в эксплуатации и сокращает временные и материальные затраты на монтаж.
Выходной каскад имеет шесть вариантов исполнения: двухпроводной нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной NPN нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной PNP нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый. Диапазон питающих напряжений для всех датчиков: 10…30 В.
Нагрузочные характеристики трехпроводных представителей несколько выше: ток – до 200 мА, собственное падение напряжения – до 1,5 В. У двухпроводных – 100 мА и 3,5 В соответственно. Однако у трехпроводных выше и собственное потребление – до 10 мА (против всего 0,6 мА у двухпроводных).
Все датчики серии имеют отличные изоляционные свойства (до 1500 В) и высокое сопротивление изоляции 50 МОм.
Состояние датчика можно определить по светодиоду: если он светится, то ток поступает в нагрузку.
Датчики устойчивы к высоким вибрациям и ударным нагрузкам. Степень защиты (IP) составляет 67. Все это делает их отличным выбором для бытовых и промышленных приложений, таких как:
- концевые датчики координатных столов в станках;
- детекторы положения карусели инструментов фрезерных станков с ЧПУ;
- датчики открытия дверей;
- датчики приближения в установках автоматической роботизированной сварки;
- датчики приближения в системах автоматической сборки;
- детекторы брака (например, в линиях по производству консервов);
- детекторы положения каруселей автоматического розлива молочных продуктов и так далее.
Код для заказа датчиков PRDCM представляет собой восьмипозиционное обозначение (таблица 7).
Таблица 7. Именование датчиков семейства PRDCM
| P | R | D | CMT | 18 | -7 | DN | -I | ||
| Тип датчика | Форма корпуса | Особенности | Тип подключения | Диаметр головки датчика, мм | Зона чувствительности, мм | Тип выхода | Тип кабеля | ||
| P – индуктивный | R – цилиндр | D – с увеличенным расстоянием срабатывания | CMT | 2-проводной, стандартный, коннектор | 12 | DN | NPN, 3-проводной, нормально разомкнутый | I – стандарт МЭК | |
| CMLT | 2-проводной, удлиненный коннектор | 18 | DN2 | NPN, 3-проводной, нормально замкнутый | |||||
| CM | 3-проводной, стандартный, коннектор | 30 | DP | PNP, 3-проводной, нормально разомкнутый | |||||
| CML | 3-проводной, удлиненный коннектор | DP2 | PNP, 3-проводной, нормально замкнутый | ||||||
| DO | 2-проводной, нормально разомкнутый | ||||||||
| DС | 2-проводной, нормально замкнутый | ||||||||
Обзор емкостных датчиков CR
CR – серия емкостных цилиндрических датчиков от Autonics (рисунок 9).
Выпускаются датчики двух типоразмеров – и с зонами чувствительности 8 и 15 мм соответственно.
Двухпроводные нормально разомкнутые версии CRxx-xAO и двухпроводные нормально замкнутые версии CRxx-xAС работают с переменным выходным напряжением 110…240 В и током 5…200 мА. Частота срабатывания – 20 Гц.
Трехпроводные версии предназначены для работы в цепях постоянного напряжения 10…30 В с выходными токами до 200 мА. Их частота срабатывания достигает 50 Гц (таблица 8).
Таблица 8. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства CR
| Параметр | Наименование | |||
| , | 85…264 | |||
| Ток потребления, мА | Макс. 15 | Макс. 2,2 | ||
| Частота срабатывания *, Гц | 50 | 20 | ||
| Температурный дрейф | Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°С | |||
| Номинальный ток, мА | Макс. 200 | |||
| Сопротивление изоляции | Мин. 50 МОм (500 В=) | |||
| Электрическая прочность диэлектрика | ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты | |||
| Стойкость к вибрациям | амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов | 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза | ||
| Индикатор | Индикатор работы (красный светодиод) | |||
| Рабочая температура, °C | -25…70 | |||
| Температура хранения, °C | -30…80 | |||
| Влажность, % | 35…95 | |||
| Встроенная защита | от перенапряжения, обратной полярности | от перенапряжения | ||
| Степень защиты (IP) | IP66 | IP65 | IP66 | IP65 |
| Масса, г | 76 | 206 | 70 | 200 |
* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального.
Состояние датчика можно определить по светодиоду. Если он светится – ток поступает в нагрузку.
Код для заказа датчиков серии CR включает 5 позиций: тип датчика, форму, диаметр головки, код зоны чувствительности, код типа выходного каскада (таблица 9).
Таблица 9. Именование датчиков семейства CR
| C | R | 30 | -15 | DN | |
| Тип датчика | Форма корпуса | Диаметр головки датчика, мм | Зона чувствительности, мм | Тип выхода | |
| С – емкостной | R – цилиндр | 18 | 8 | DN | 3-проводной, NPN, нормально разомкнутый, питание 24 В DC |
| 30 | 15 | DN2 | |||
| DP | 3-проводной, PNP, нормально разомкнутый, питание 24 В DC | ||||
| DP2 | 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC | ||||
| AO | 2-проводной, нормально разомкнутый, питание 110…240 В AC | ||||
| AС | 2-проводной, нормально замкнутый, питание 110…240 В AC | ||||
Стоит отметить и высокую степень защиты: IP66 – для CR18, IP66 – для CR30. Изоляционные свойства также на высоте. Так как емкостные датчики способны обнаруживать не только металлические объекты, то спектр приложений серии CR еще шире, чем у индуктивных датчиков. Сфера их применения:
- концевые выключатели станков;
- детекторы автоматических линий розлива молока, пива, и тому подобное;
- датчики уровня жидкости;
- детекторы обнаружения брака в текстильном производстве.
Заключение
Серия индуктивных датчиков PRDCM производства компании Autonics предназначена для обнаружения металлических объектов на расстояниях до 25 мм. Существует шесть возможных конфигураций выходного каскада сенсоров этой серии: двухпроводной нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной NPN нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной PNP-нормально замкнутый и нормально разомкнутый.
Серия емкостных датчиков CR производства компании Autonics предназначена для обнаружения различных объектов (в том числе – деревянных, металлических и пластиковых) на расстояниях до 15 мм. Датчики выпускаются с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами для работы в цепях переменного напряжения 110…240 В (суффиксы AO и AC) и постоянного напряжения 10…30 В (суффиксы DN и DP).
Индуктивные, оптические и другие виды датчиков широко используются в области промышленной электроники. И в этой статье вы узнаете, что из себя представляют датчики, какими они бывают, как применяются и где их можно приобрести. Особое внимание здесь уделится индуктивным датчикам, принципу их работы, видам и применению. Купить такие датчики непросто, поскольку они не производятся широким тиражом, но если есть заинтересованность в их покупке, приобрести индукционные датчики можно на сайте teko-com.ru .
Для начала давайте узнаем, что такое обычный датчик. Датчик - это устройство, выдающее определенный сигнал при появлении какого-то события. Иными словами, датчик реагирует на некоторые изменения и на его выходе активизируется дискретный, аналоговый или цифровой сигнал.
Виды датчиков
Датчиков существует огромное множество и здесь приведены самые часто используемые из всех видов.
Индуктивные. Активизация происходит благодаря наличию металла в зоне срабатывания. Другие наименования: индукционный, бесконтактный датчик, датчик присутствия или выключатель.
Оптические. По-другому называются фотодатчик, оптический выключатель, в быту датчик освещенности.
Емкостные. Такие датчики реагируют на наличие любого предмета в зоне активности.
Давления. Если нет давления воздуха и масла - сигнал на контроллер и тогда рвет аварийную цепь.
Электрические. Обыкновенные пассивные датчики, которые срабатывают тогда, когда к ним прикасается или давит предмет.
Что же такое индуктивные датчики?
По сути, индуктивный датчик - это прибор, который измеряет перемещение части оборудования. А при превышении пределов проходимости отключает его.
В основе работы датчика значится генератор, в который встроена катушка индуктивности. Собственно, отсюда и происходит название. При появлении металлосодержащего элемента в электромагнитной зоне катушки активизируется сигнал, зона резко меняется и это влияет на работу схемы. Проще говоря, нет металла - нет сигнала.
Виды индуктивных датчиков и параметры по которым датчики отличаются друг от друга.
1. Конструкция корпуса. Корпус бывает двух видов: прямоугольный и цилиндрический. Изготавливаются из металла или пластика.
2. Диаметр датчика. Основные варианты: 12 и 18 мм. Реже применяемы: 4 мм, 8 мм, 22 мм и 30 мм.
3. Количество проводов для подключения. Разделяются на двух-, трех-, четырех- и пятипроводные.
Двухпроводные - подобны выключателям, которыми мы включаем свет. Датчик включается в цепь нагрузки. Такие датчики легко применяются в монтаже, но слабы в нагрузке.
Трехпроводные - самые применяемые. Два проводе для питания и один для нагрузки.
Четырехпроводные - используются как два выхода на нагрузку.
Пятипроводные - применяются при выборе режима работы или состояния выхода.
4. Расстояние переключения. Расстояние до металлической пластины, которое необходимо для точного срабатывания датчика. Для мелких датчиков: от 0 до 2 мм, для средних: от 4 мм до 8 мм и для крупных: до 30 мм.
5. Выходы датчиков. Бывает только три варианта выходов датчиков:
Релейный. Реле коммутирует нужное напряжение либо использует один из проводов питания. Главным плюсом такого выхода является то, что обеспечивается полная развязка от схемы питания счетчика.
Транзисторный PNP. На выходе стоит транзистор PNP, а это значит, что есть коммутация "плюсового" провода. К "минусу" нагрузка включена постоянно.
Транзисторный NPN. На выходе - транзистор NPN, коммутируется "минусовый" провод. К "плюсу" нагрузка включена постоянно.
Применение индуктивного датчика
В области промышленной автоматики индуктивные датчики широко применяются для определения положения какой-то части механизма. Сигнал с выхода переключается на вход контроллера, реле, пускателя и т.п. Главное, чтобы все соответствовало току и напряжению.
Достоинства и недостатки индуктивных датчиков
А сейчас мы узнаем, чем так хороши эти датчики, а чего в них стоит остерегаться.
Простота и надежность конструкции.
Повышенная чувствительность.
Выдержка большой выходной мощности.
Электронные датчики (измерители) – важная составляющая в автоматизации любых технологических процессов и в управлении различными машинами и механизмами. С помощью электронных устройств можно получить полную информацию о параметрах контролируемого оборудования.
Принцип работы любого электронного датчика построен на преобразовании контролируемых показателей в сигнал, который передается для дальнейшей обработки управляющим устройством. Возможно измерение любых величин – температуры, давления, электрического напряжения и силы тока, силы света и других показателей.
Популярность электронных измерителей обуславливается рядом конструкционных особенностей, в частности возможно:
- передать измеряемые параметры на практически любое расстояние;
- преобразовать показатели в цифровой код для достижения высокой чувствительности и быстродействия;
- осуществлять передачу данных с максимально высокой скоростью.
По принципу действия электронные датчики разделяют на несколько категорий в зависимости от принципа действия. Одними из самых востребованных считаются:
- емкостные;
- индуктивные;
- оптические.
Каждый из вариантов обладает определенными преимуществами, которые определяют оптимальную сферу его применения. Принцип работы любого типа измерителя может различаться в зависимости от конструкции и используемого контролирующего оборудования.
ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ
Принцип работы электронного емкостного датчика построен на изменении емкости плоского или цилиндрического конденсатора в зависимости от перемещения одной из обкладок. Также учитывается такой показатель как диэлектрическая проницаемость среды между обкладок. Одно из преимуществ подобных устройств – очень простая конструкция, которая позволяет достичь хороших показателей прочности и надежности.
Также измерители этого типа не подвержены искажениям показателей при перепадах температуры. Единственно условие для точных показателей – защита от пыли, влажности и коррозии.
Емкостные датчики широко используются в самых разнообразных отраслях. Простые в изготовлении приборы отличаются низкой себестоимостью производства, при этом обладают длительным сроком эксплуатации и высокой чувствительностью.
В зависимости от исполнения устройства делятся на одноемкостные и духъемкостные. Второй вариант более сложен в изготовлении, но отличается повышенной точностью измерений.
Область применения.
Наиболее часто емкостные датчики используют для измерения линейных и угловых перемещений, причем конструкция устройства может различаться в зависимости от метода измерения (меняется площадь электродов, либо зазор между ними). Для измерения угловых перемещений используют датчики с переменной площадью обкладок конденсатора.
Также емкостные преобразователи используют для измерения давления. Конструкция предусматривает наличие одного электрода с диафрагмой, которая под действием давления изгибается, меняя емкость конденсатора, что фиксируется измерительной схемой.
Таким образом, емкостные измерители могут использоваться в любых системах управления и регулирования. В энергетике, машиностроении, строительстве обычно используют датчики линейных и угловых перемещений. Емкостные преобразователи уровня наиболее эффективны при работе с сыпучими материалами и жидкостями, и часто используются в химической и пищевой промышленности.
Электронные емкостные датчики применяются для точного измерения влажности воздуха, толщины диэлектриков, различных деформаций, линейных и угловых ускорений, гарантируя точность показателей в самых разных условиях.
ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ
Бесконтактные индуктивные датчики работают по принципу изменения показателя индуктивности катушки с сердечником. Ключевая особенность измерителей данного типа – они реагируют только на изменение местоположения металлических предметов. Металл оказывает непосредственное влияние на электромагнитное поле катушки, что приводит к срабатыванию датчика.
Таким образом, с помощью индуктивного датчика можно эффективно отслеживать положение металлических предметов в пространстве. Это позволяет использовать индуктивные измерители в любой отрасли промышленности, где требуется наблюдение за положением различных конструктивных элементов.
Одна из интересных особенностей датчика – электромагнитное поле изменяется по-разному, в зависимости от вида металла, это несколько расширяет сферу применения устройств.
Индуктивные датчики обладают рядом преимуществ, из которых отдельного внимания заслуживает отсутствие подвижных частей, что существенно повышает надежность и прочность конструкции. Также датчики можно подключать к промышленным источникам напряжения, а принцип работы измерителя гарантирует высокую чувствительность.
Индуктивные датчики изготавливают в нескольких форм-факторах, для максимально удобной установки и эксплуатации, например двойные измерители (две катушки в одном корпусе).
Область применения.
Сфера использования индуктивных измерителей – автоматизация в любой сфере промышленности. Простой пример – устройство можно использовать в качестве альтернативы концевому выключателю, при этом будет увеличена скорость срабатывания. Датчики выполняют в пылевлагозащитном корпусе для эксплуатации в самых сложных условиях.
Устройства можно использовать для измерения самых различных величин – для этого используют преобразователи измеряемого показателя в величину перемещения, которая и фиксируется устройством.
ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Бесконтактные электронные оптические датчики – один из самых востребованных типов измерителей в отраслях промышленности, где требуется эффективное позиционирование любых объектов с максимальной точностью.
Принцип работы данного типа измерителей построен на фиксации изменения светового потока, при прохождении через него объекта. Самая простая схема устройства это излучатель (светодиод) и фотоприемник, преобразующий световое излучение в электрический сигнал.
В современных оптических измерителях используется современная электронная система кодирования, позволяющая исключить влияние посторонних источников света (защита от ложных срабатываний).
Конструктивно, оптические измерители могут выполняться как в отдельных корпусах для излучателя и приемника, так и в одном, в зависимости от принципа работы устройства и области его применения. Корпус дополнительно обеспечивает защиту от пыли и влаги (для работы при низких температурах используют специальные термокожухи).
Оптические датчики классифицируются в зависимости от схемы работы. Самый распространенный тип – барьерный, состоящий из излучателя и приемника, расположенных строго напротив друг друга. Когда постоянный световой поток прерывается объектом, устройство подает соответствующий сигнал.
Второй востребованный тип – диффузный оптический измеритель, в котором излучатель и фотоприемник располагаются в одном корпусе. Принцип действия основан на отражение луча от объекта. Отраженный световой поток улавливается фотоприемником, после чего происходит срабатывание электроники.
Третий вариант – рефлекторный оптический датчик. Как и в диффузном измерителе, излучатель и приемник конструктивно выполнены в одном корпусе, но световой поток отражается от специального рефлектора.
Использование.
Оптические датчики широко применяются в системах автоматизированного управления и служат для обнаружения предметов и их пересчета. Относительно простая конструкция обуславливает надежность и высокую точность измерения. Кодированный световой сигнал обеспечивает защиту от внешних факторов, а электроника позволяет определять не только наличие объектов, но и определять их свойства (габариты, прозрачность и т.д.).
Широкое распространение оптические устройства получили в охранных системах, где используются в качестве эффективных датчиков движения. Вне зависимости от типа, электронные датчики это лучший вариант для современных систем управления и автоматического оборудования.
Высокая точность и скорость измерения обеспечивают надлежащее функционирование оборудования с минимальными отклонениями. При этом большинство электронных измерителей бесконтактные, что в несколько раз повышает надежность устройств и гарантирует длительный срок эксплуатации даже в сложных производственных условиях.
© 2012-2019 г. Все права защищены.
Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
что такое Датчик индуктивный? Индуктивные датчики широко используются для измерения положения и скорости, особенно в неблагоприятных условиях эксплуатации.Однако терминология и методы работы индуктивных датчиков могут вводить многих инженеров в заблуждение. В этой статье Марк Ховард из компании Zettlex объясняет принципы работы и описывает типы существующих датчиков, а также перечисляет их преимущества и недостатки.
Индуктивные датчики положения и скорости бывают самых разнообразных форм, размеров и конструкций. Можно сказать, что все индуктивные датчики работают по принципу работы трансформатора и физическое явление, основанное на переменных электрических токах. Это явление впервые наблюдал Майкл Фарадей в 1830-х годах, когда обнаружил, что первый токопроводящий проводник может «индуцировать» ток во втором проводнике. Открытия Фарадея позволили создать электродвигатели, динамометры и, конечно же, индуктивные датчики положения и скорости. В число таких датчиков входят простые бесконтактные реле, датчики переменной индуктивности и сопротивления, синхронизаторы, резольверы, ротационные датчики перемещения и линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (RVDT и LVDT).
Различные типы индуктивных датчиков
В простом бесконтактном датчике (иногда называемом бесконтактным реле) при подключении устройства к источнику электропитания в его катушке (цепи, контуре или обмотке) протекает переменный ток. При приближении к катушке проводящего или магнитопроницаемого материала, например стального диска, импеданс катушки изменяется. Превышение порогового значения служит сигналом о наличии объекта. Бесконтактные датчики обычно используются для определения наличия металла, а их выходной сигнал часто используется для управления переключателем. Эти датчики широко используются во многих областях промышленности, где проблематично использовать электрические контакты обычных переключателей, например там, где много грязи или воды. Даже в обычной автомойке используется множество индуктивных бесконтактных датчиков.
Индуктивные датчики переменной индуктивности и сопротивления обычно генерируют электрический сигнал, пропорциональный смещению проводящего или магнитопроницаемого объекта (обычно стального стержня) относительно катушки. Как и в случае с бесконтактными датчиками, импеданс катушки изменяется пропорционально смещению объекта относительно катушки, в которой протекает переменный ток. Такие устройства обычно используются для измерения смещения поршней в цилиндрах, например в пневматических или гидравлических системах. Можно сделать так, чтобы поршень проходил по внешнему диаметру катушки.
Сельсины измеряют индуктивную связь между катушками, когда те движутся относительно друг друга. Сельсины, которые обычно вращаются, необходимо напрямую подключать как к движущейся, так и к неподвижной деталям (обычно называемым ротором и статором). Они обеспечивают чрезвычайно высокую точность измерений и используются в промышленной метрологии, радиолокационных антеннах и телескопах. Сельсины, как известно, сегодня дорогие и используются все реже, так как на смену им приходят (бесщеточные) резольверы. Последние представляют собой еще один вид индуктивных датчиков, но подключаются только к обмоткам статора.
LVDT, RVDT и резольверы измеряют изменение индуктивной связи между катушками, которые обычно называют первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка передает энергию во вторичные, но количество энергии в каждой из вторичных обмоток изменяется пропорционально относительному смещению магнитопроницаемого материала. В LVDT через отверстие обмоток обычно проходит металлический стержень. Как правило, ротор или полюсная деталь вращаются в RVDT или резольвере относительно обмоток, расположенных вокруг ротора. Обычно LVDT и RVDT используются в гидравлических сервоприводах элеронов аэрокосмических аппаратов, а также элементах управления двигателем и топливной системой. Резольверы, в свою очередь, применяются для коммутации бесщеточных электродвигателей.
Существенным преимуществом индуктивных датчиков является то, что связанные схемы обработки сигналов не нужно располагать в непосредственной близости от чувствительных катушек. Это позволяет размещать чувствительные катушки в неблагоприятных условиях эксплуатации, где другие методы измерения (например, магнитные или оптические) невозможны, поскольку для них относительно чувствительная кремниевая электроника должна находиться в точке измерения.
Применение
Индуктивные датчики известны своей надежностью при работе в сложных условиях. Следовательно, часто именно их сразу выбирают тогда, когда необходимо обеспечить безопасность или высокую надежность работы. Такие требования широко распространены в военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности.
Причина солидной репутации датчиков связана с фундаментальными законами физики и принципами работы, которые, как правило, не зависят от:
- подвижных электрических контактов;
- температуры;
- влажности, воды и наличия конденсата;
- посторонних предметов, например грязи, жира, твердых частиц и песка.
Преимущества и недостатки
Особенности конструкции основных элементов управления (катушек обмотки и металлических деталей) обеспечивают чрезвычайную надежность большинства индуктивных датчиков. Учитывая их солидную репутацию, возникает очевидный вопрос: «Почему индуктивные датчики не используются чаще?» Причина в том, что их физическая прочность является одновременно их преимуществом и недостатком. Индуктивные датчики отличаются точностью, надежностью и стабильностью, но при этом являются большими, громоздкими и тяжелыми. Большой расход материала и необходимость тщательной намотки катушек обуславливают дороговизну производства датчиков, особенно высокоточных приборов, требующий прецизионной намотки. Помимо простых бесконтактных датчиков, более сложные индуктивные датчики стоят слишком дорого для использования в широко распространенных коммерческих или промышленных сферах применения.
Другая причина их относительно редкого использования заключается в сложности составления инженерами-конструкторами технических условий. Это связано с тем, что схемы генерации переменного тока и обработки сигналов для каждого датчика необходимо рассчитывать и приобретать отдельно. Для этого обычно требуются глубокие навыки и знания в области аналоговой электроники. Поскольку молодые инженеры стремятся сосредоточиться на цифровой электронике, они рассматривают изучение таких дисциплин как приобретение ненужной квалификации, которую следует избегать.
Индуктивные датчики следующего поколения
Тем не менее, в последние годы на рынке появилось новое поколение индуктивных датчиков , которые пользуются все большей популярностью не только в традиционных сферах, но и в промышленном, автомобильном, медицинском, коммунальном, научном и нефтегазовом секторах. В этих индуктивных датчиках нового поколения используются те же фундаментальные законы физики, что и традиционных устройствах, но в них применяются печатные платы и современная цифровая электроника, а не громоздкие трансформаторные конструкции и аналоговая электроника. Такой элегантный подход также позволяет использовать эти технологии в 2D и 3D-датчиках, линейных устройствах с укороченным (< 1 мм) шагом перемещения, устройствах измерения криволинейной геометрии и высокопрецизионных энкодерах угла поворота.
Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления R М магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.
Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1мкм до 20мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю. В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.
Возможные области применения датчиков чрезвычайно разнообразны, можно выделить лишь отдельные сферы:
промышленная техника измерения и регулирования,
робототехника,
автомобилестроение,
бытовая техника,
медицинская техника.
Достоинства :
Простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;
Возможность подключения к источникам промышленной частоты;
Относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);
Значительная чувствительность.
Недостатки :
- точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;
Возможна работа только на переменном токе.
Типы преобразователей и их конструктивные особенности
По схеме построения датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.
|
Тип датчика |
Переменный зазор |
Переменная площадь зазора |
Соленоидные |
|
|
Индуктивные |
Одинарные | |||
|
Дифференциальные |
|
|
|
|
|
Взаимоиндуктивные |
Одинарные |
|
|
|
|
Дифференциальные |
|
|
|
|
В дифференциальном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком.
Как известно, индуктивность катушки:
,
где W
–
число витков; Ф
– пронизывающий ее магнитный поток;
–
проходящий по катушке ток. Ток связан
с МДС
соотношением:
.
Откуда получаем:
,
где
–
магнитное сопротивление преобразователя.
Рассмотрим, например, одинарный индуктивный датчик. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены воздушного зазора.
Состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами.
На обмотку 2 через сопротивление нагрузки R н подается напряжение питания переменного тока.
Ток в цепи нагрузки определяется как:
где r д - активное сопротивление дросселя;
L - индуктивность датчика.
Т.к. активное сопротивление цепи величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей
которая зависит от величены воздушного зазора .
Т.о. , каждому значению соответствует определенное значение I , создающего падение напряжения на сопротивлении R н:
U вых =IR н -
представляет собой выходной сигнал датчика.
Можно вывести аналитическую зависимость U вых =f(, при условии что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа R мж по сравнению с магнитным сопротвлением воздушного зазора R мв .
Приведем конечное выражение:
В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:
Т.о. зависимость U вых =f( имеет линейный характер (в первом приближении).
Реальная характеристика имеет вид :
Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением R мж R мв .
При малых магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.
Отклонение при больших объясняются тем, что при больших R L становится соизмеримой с величиной активного сопротивления - R н +r д .
В целом рассмотренный датчик имеет ряд существенных недостатков:
Не меняется фаза тока при изменении направления перемещения;
При необходимости измерять в обоих направлениях перемещение нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I 0 ,что неудобно;
Ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения;
В процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и значит вносит погрешность в работу датчика.
Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)
ДИД представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для ДИД необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется разделительный трансформатор 5.
По форме магнитопровода могут быть ДИД с магнитопроводом Ш- образной формы, набранные из мостов электротехнической стали (при частотах выше 1000Гц применяются железо- никелевые сплавы- пермолой), и цилиндрические- со сплошным магнитопроводом круглого сечения. Выбор формы датчика зависит от конструктивного сочетания его с контролируемым устройством. Применение Ш- образного магнитопровода обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика.
Для питания ДИД используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между ним и общим концом обеих катушек включается прибор 4. Воздушный зазор 0,2-0,5 мм.
При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры с обеих? одинаковы, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3 одинаковы следовательно величины токов в катушках равныI 1 =I 2 и результирующий ток в приборе равен 0.
При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величены Х меняются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный токI 1 -I 2 ,он является функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью магнитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.
Характеристика датчика имеет вид:
Полярность выходного тока остается неизменной независимо от знака изменения полного сопротивления катушек(для схемы Рис.1). При изменении направления отклонения якоря от среднего положения меняется на противоположную (на 180°) фаза тока на выходе датчика. При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить индикацию направления перемещения якоря от среднего положения.
Характеристика ДИД с ФЧВ имеет вид:
Погрешность преобразования индуктивного датчика
Информативная способность индуктивного датчика в значительной мере определяется его погрешностью преобразования измеряемого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из большого числа составляющих погрешностей. Можно выделить следующие погрешности индуктивного датчика:
1) Погрешность от нелинейности характеристики. Мультипликативная составляющая общей погрешности. Из-за принципа индуктивного преобразования измеряемой величины, лежащего в основе работы индуктивных датчиков, является существенной и в большинстве случаев определяет диапазон измерения датчика. Обязательно подлежит оценке при разработке датчика.
2) Температурная погрешность. Случайная составляющая. Ввиду большого числа зависимых от температуры параметров составных частей датчика составляющая погрешность может достичь больших величин и является существенной. Подлежит оценке при разработке датчика.
3) Погрешность от
влияния внешних электромагнитных полей.
Случайная составляющая общей погрешности.
Возникает из-за индуцирования ЭДС в
обмотке датчика внешними полями и из-за
изменения магнитных характеристик
магнитопровода под действием внешних
полей. В производственных помещениях
с силовыми электроустановками
обнаруживаются магнитные поля с
индукцией
Тл и частотой в основном 50 Гц. Поскольку
магнитопроводы индуктивных датчиков
работают при индукциях 0,1 – 1 Тл, то доля
от внешних полей составит 0,05–0,005% даже
в случае отсутствия экранирования.
Введение экрана и применение
дифференциального датчика снижают эту
долю примерно на два порядка. Таким
образом, погрешность от влияния внешних
полей должна приниматься в рассмотрение
только при проектировании датчиков
малой чувствительности и с невозможностью
достаточной экранировки. В большинстве
случаев эта составляющая погрешности
не является существенной.
4) Погрешность от
магнитоупругого эффекта. Возникает
из-за нестабильности деформаций
магнитопровода при сборке датчика
(аддитивная составляющая) и из-за
изменения деформаций в процессе
эксплуатации датчика (случайная
составляющая). Расчеты с учетом наличия
зазоров в магнитопроводе показывают,
что влияние нестабильности механических
напряжений в магнитопроводе вызывает
нестабильность выходного сигнала
датчика порядка
,
и в большинстве случаев эта составляющая
может специально не учитываться.
5) Погрешность от тензометрического эффекта обмотки. Случайная составляющая. При намотке катушки датчика в проводе создаются механические напряжения. Изменение этих механических напряжений в процессе эксплуатации датчика ведет к изменению сопротивления катушки постоянному току и, следовательно, к изменению выходного сигнала датчика. Обычно для правильно спроектированных датчиков , т. е. эту составляющую не следует специально учитывать.
6) Погрешность от
соединительного кабеля. Возникает из-за
нестабильности электрического
сопротивления кабеля под действием
температуры или деформаций и из-за
наводок ЭДС в кабеле под действием
внешних полей. Является случайной
составляющей погрешности. При
нестабильности собственного сопротивления
кабеля погрешность выходного сигнала
датчика
.
Длина соединительных кабелей составляет
1–3 м и редко больше. При выполнении
кабеля из медного провода сечением
сопротивление кабеля менее 0,9 Ом,
нестабильность сопротивления
.
Поскольку полное сопротивление датчика
обычно больше 100 Ом, погрешность выходного
сигнала датчика может составить величину
.
Следовательно, для датчиков, имеющих
малое сопротивление в рабочем режиме,
погрешность следует оценивать. В
остальных случаях она не является
существенной.
7) Конструктивные погрешности. Возникают под действием следующих причин: влияние измерительного усилия на деформации деталей датчика (аддитивная), влияние перепада измерительного усилия на нестабильность деформаций (мультипликативная), влияние направляющих измерительного стержня на передачу измерительного импульса (мультипликативная), нестабильность передачи измерительного импульса вследствие зазоров и люфтов подвижных частей (случайная). Конструктивные погрешности в первую очередь определяются недостатками в конструкции механических элементов датчика и не являются специфическими для индуктивных датчиков. Оценка этих погрешностей производится по известным способам оценки погрешностей кинематических передач измерительных устройств.
8) Технологические погрешности. Возникают вследствие технологических отклонений взаимного положения деталей датчика (аддитивная), разброса параметров деталей и обмоток при изготовлении (аддитивная), влияния технологических зазоров и натягов в соединении деталей и в направляющих (случайная).
Технологические погрешности изготовления механических элементов конструкции датчика также не являются специфическими для индуктивного датчика, их оценка производится обычными для механических измерительных устройств способами. Погрешности изготовления магнитопровода и катушек датчика ведут к разбросу параметров датчиков и к затруднениям, возникающим при обеспечении взаимозаменяемости последних.
9) Погрешность от старения датчика. Эта составляющая погрешности вызывается, во-первых, износом подвижных элементов конструкции датчика и, во-вторых, изменением во времени электромагнитных характеристик магнитопровода датчика. Погрешность следует рассматривать как случайную. При оценке погрешности от износа во внимание принимается кинематический расчет механизма датчика в каждом конкретном случае. На стадии конструирования датчика в этом случае целесообразно задавать срок службы датчика в нормальных для него условиях эксплуатации, за время которого дополнительная погрешность от износа не превысит заданной величины.
Электромагнитные свойства материалов изменяются во времени.
В большинстве случаев выраженные процессы изменения электромагнитных характеристик заканчиваются в течение первых 200 часов после термообработки и размагничивания магнитопровода. В дальнейшем они остаются практически постоянными и не играют существенной роли в общей погрешности датчика.
Проведенное выше рассмотрение составляющих погрешности индуктивного датчика дает возможность оценить их роль в формировании общей погрешности датчика. В большинстве случаев определяющими являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность преобразователя.
Расчет индуктивных датчиков перемещений
Целью расчета индуктивного измерительного преобразователя является определение его конструктивных параметров по заданным метрологическим характеристикам или расчет метрологических характеристик данной конструкции индуктивного измерительного преобразователя.
Эти расчеты связаны с теорией электромагнитных цепей. Основными метрологическими характеристиками индуктивного измерительного преобразователя являются:
1) диапазон измерения
с допустимой погрешностью
;
2) чувствительность
преобразования (относительная)
;
3) погрешность
преобразования (относительная)
.
В качестве конструктивных параметров индуктивного преобразователя, определяющих его метрологические характеристики, необходимо учитывать геометрические размеры магнитопровода и его материал, геометрические размеры и число витков катушки преобразователя.
С точки зрения расчета индуктивные измерительные преобразователи можно разделить на три вида: преобразователи с переменной длиной немагнитных зазоров в магнитопроводе, преобразователи с переменной площадью немагнитных зазоров в магнитопроводе и соленоидные преобразователи.
Выходной величиной
индуктивного измерительного преобразователя
является его полное сопротивление,
модуль которого определяется зависимостью
,
где
– добротность преобразователя.
Индуктивность
преобразователя
в первую очередь зависит от конструктивных
параметров преобразователя и
электромагнитных характеристик его
элементов (в рабочем диапазоне частот).
Величины
и
существенно зависят ещё и от режима
работы преобразователя и, в частности,
от частоты
.
В связи с этим модуль полного сопротивления
преобразователя
будет определенной величиной только
для фиксированного режима работы
преобразователя.
С другой стороны,
характерной особенностью добротности
является слабая зависимость этой
величины (в рабочем диапазоне режимов
преобразователя) от режима работы
преобразователя и входной величины.
Приведенные
рассуждения показывают целесообразность
применения для характеристики индуктивного
измерительного преобразователя двух
достаточно стабильных величин
и
.
При этом с небольшой
погрешностью результата в практических
случаях можно принять
и вместо зависимости
рассматривать зависимость
,
приняв последнюю в качестве функции
преобразования индуктивного измерительного
преобразователя.
Применяемые методы
расчета индуктивных преобразователей
базируются на теории магнитных цепей
с зазорами. Исходными являются следующие
расчетные соотношения: магнитный поток
в магнитопроводе
,
где
–
намагничивающая сила обмотки
преобразователя,
–
магнитное комплексное сопротивление
магнитопроводов и зазоров;
индуктивность
преобразователя
,
где
–
число витков обмотки преобразователя.
Решение задачи
сводится к определению магнитного
сопротивления магнитной цепи. Последнее
складывается из магнитного сопротивления
ферромагнитных и немагнитных участков
цепи
,
где
,
–
полное активное магнитное сопротивление
и полное реактивное магнитное
сопротивление.
Для нахождения
и
предлагаются следующие соотношения:
; 
,
где
,
– удельное активное и реактивное
магнитные сопротивления,
,
–
длина и площадь сечения однородных
участков магнитопровода.
Удельное активное
сопротивление
учитывает магнитные свойства вещества
магнитопровода и определяется из
соотношения
.
Удельное реактивное
магнитное сопротивление
учитывает потери в магнитопроводе, в
первую очередь от вихревых токов, в
значительной мере определяется не
только материалом магнитопровода, но
и его конструкцией. При слабо выраженном
поверхностном эффекте в магнитопроводе
преобразователя допустимо при расчете
принимать
.
С учетом сказанного при практических
расчетах часто принимают
,
где
,
–
длина и площадь сечения немагнитных
зазоров.
Схемы включения индуктивных датчиков
Схема включения индуктивного датчика перемещений осуществляет его согласование с электрическим вторичным измерительным преобразователем и преобразует изменение полного сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения. Электрические вторичные измерительные преобразователи индуктивных измерительных устройств являются общими для самых разнообразных электрических устройств, предназначенных для измерения различных неэлектрических величин.
В любую схему включения индуктивный датчик размера может входить либо непосредственно, либо в составе резонансного контура параллельного или последовательного. Применение включения датчика в резонансный контур позволяет в ряде случаев повысить чувствительность измерения и улучшить линейность характеристики датчика. С этой точки зрения все схемы включения - индуктивных датчиков можно разделить на безрезонансные, в которых индуктивный датчик включен в схему непосредственно, и резонансные, в которых индуктивный датчик входит в схему в составе колебательного контура.
Независимо от предыдущего деления применяют следующие типы схем включения индуктивных датчиков:
последовательную (схема генератора тока);
схему делителя напряжения;
мостовую;
частотную;
трансформаторную.
Применяемый тип схемы зависит от того, какой датчик применяется - индуктивный или взаимоиндуктивный. Кроме того, вид схемы одного и того же типа изменяется при включении простого и дифференциального датчика.
Последовательные схемы включения
В
Рисунок
4.8.1.1
арианты
последовательных схем показаны на
рисунке 4.8.1.1. Индуктивный датчик
питается переменным напряжением
.
Величина тока
в датчике при постоянной величине
питающего напряжения будет зависеть
от его сопротивления:
,
где
– круговая частота питания схемы,
– добротность датчика,
– сопротивление потерь датчика,
– частота питающего датчик тока.
Чувствительность преобразования последовательной схемы
.
Изменение тока (выходной сигнал) при изменении полного сопротивления датчика
,
где
– коэффициент преобразования схемы
включения.
Схема чувствительна
к изменению напряжения питания
и частоты питающего тока Используя
простую последовательную схему включения
индуктивного датчика, нельзя получить
высокую чувствительность и точность
измерений.
Последовательная
схема может быть безрезонансной
и резонансной
(см. 4.8.1.1 в). В
резонансной
схеме ток в цепи будет определяться
сопротивлением резонансного контура,
состоящего из индуктивности датчика
и конденсатора
.
При изменении
это сопротивление меняется, вызывая
изменение тока.
Если частота питающего
напряжения
совпадает с
собственной частотой колебательного
контура
,
то сопротивление последовательного
колебательного контура
минимально,
а параллельного – максимально. При
изменении индуктивности датчика
равенство частот
будет нарушено, и сопротивление
последовательного контура будет увеличиваться, а параллельного – уменьшаться. Соответствующим образом будет изменяться и ток в цепи. Чувствительность резонансной последовательной схемы в несколько раз выше чувствительности безрезонансной последовательной схемы.
В
ариант
последовательной схемы для включения
дифференциального датчика показан
на рисунке 4.8.1.2. Каждая половина датчика
и
питается переменным током с напряжением
.
При изменении
измеряемого размера одна индуктивность
уменьшается, а другая увеличивается на
одну и ту же величину. Соответствующим
образом изменяются токи в цепях обмоток
датчиков. Эти токи
и
выпрямляются диодами
и
и во встречной полярности протекают
через измеритель токаА.
Измеритель тока
будет показывать разницу токов в цепях
обмоток
и
.
При равенстве полных сопротивлений
токи в их цепях будут равны, и амперметрА покажет
нуль. При изменении измеряемого
размера равенство сопротивлений
нарушится, и показания амперметра будут
отличаться от нуля.
Направление тока
через амперметр будет зависеть от того,
в цепи какой катушки
или
ток в данный момент больше.
Такие схемы включения дифференциальных индуктивных датчиков, которые реагируют не только на величину смещения измерительного стержня из нулевого положения, но и на направление смещения, называют фазочувствительными.
Схемы делителей напряжения
При включении по
схеме делителя напряжения датчик
включается в цепь последовательно
с некоторым постоянным сопротивлением
,
которое в общем виде может быть
комплексным. Добавочным сопротивлением
может служить, например, резистор,
индуктивность или емкость (см. рис.
4.8.2.1). При питании цепи переменным
напряжением, напряжение на датчике,
измеряемое вольтметромV
того или иного
типа, будет зависеть от полного
сопротивления датчика. Если соблюдается
условие
,
то
,
откуда следует, что напряжение на датчике прямо пропорционально величине его индуктивности.
Чувствительность по напряжению схемы
.
Выходной сигнал схемы включения при изменении полного сопротивления датчика
С другой стороны,
выходное напряжение схемы делителя
напряжения зависит также от величины
напряжения питания
и частоты питающего тока
.
Нетрудно убедиться, что
и
;
следовательно, стабильность источника
питания по частоте и напряжению
определяет погрешность преобразования
измерительного сигнала схемой
делителя напряжения.
Включение
дифференциального датчика в схему
делителя напряжения показано на
рисунке 4.8.2.2. Обмотки датчика
и
образуют делитель напряжения, питаемый
переменным током.
При изменении
индуктивностей обмоток будет изменяться
их полное сопротивление и падение
напряжения на обмотках. Это падение
напряжения выпрямляется диодами
и
.
Конденсаторы
и
служат для
сглаживания пульсаций выпрямленного
напряжения, а резисторы
,
,
являются сопротивлениями нагрузки
для выпрямителей.
Показывающий
вольтметр V
подключен к
одноименным полюсам выпрямителей. В
этом случае он будет показывать
разницу напряжений на обмотках датчика
и
.
Когда индуктивности обмоток равны,
равны и их полные сопротивления и падения
напряжения на них. Вольтметр при этом
покажет нуль. Регулировка нулевых
показаний вольтметра при настройке
может осуществляться переменным
резистором
.
Мостовые схемы
Весьма широкое распространение для включения индуктивных датчиков нашла мостовая схема включения в различных вариантах (см. рис. 4.8.3.1). Общий вид мостовых схем включения недифференциального индуктивного датчика показан на рисунке. Если соблюдается условие
г
де
– фазовый угол соответствующего
комплексного сопротивления, то
выходное напряжение
равно нулю, и мост в этом случае
сбалансирован или уравновешен. Условие
равновесия мостовой схемы формулируется
следующим образом: «для равновесия
мостовой схемы необходимо, чтобы
произведения модулей комплексных
сопротивлений накрест лежащих плеч
моста, а также суммы их углов фазовых
сдвигов были равны между собой». При
изменении индуктивности датчика условие
равновесия моста нарушается, и
выходное напряжение моста пропорционально
изменению индуктивности.
Плечи мостовой схемы
в общем случае являются комплексными
сопротивлениями и в конкретных схемах
включения могут быть реализованы
включением резисторов, индуктивностей
или емкостей. Пример реализации мостовой
схемы приведен на рисунке 4.8.3.1 б).
Одним плечом
моста является индуктивность датчика
,
второе плечо – компенсационная
индуктивность
,
третье и четвертое
– образованы резисторами
,
и
.
Для резисторов
фазовый угол
.
Для индуктивностей
.
В связи с этим удается обеспечить
условие равновесия мостовой схемы.
Балансировка мостовой схемы для
определенного значения
при настройке осуществляется резистором
или изменением
компенсационной индуктивности
.
М
остовые
схемы с компенсационной индуктивностью
не всегда удобны при практическом
исполнении. В этом отношении проще схемы
на резистивно-емкостных элементах (см.
рис. 4.8.3.1 в). Конденсатор
введен в схему
для того, чтобы можно было обеспечить
равенство сумм фазовых углов накрест
лежащих плеч моста. Регулировкой
резистора
устанавливается
требуемый угол фазового сдвига плеча,
составленного резисторами
,
,
частично
и конденсатором
и накрест лежащего
по отношению к плечу с
.
Регулировкой резистора
добиваются
выполнения условия равенства
произведений модулей сопротивлений
накрест лежащих плеч. Таким образом оба
регулировочных элемента
и
одновременно
используются для балансировки мостовой
схемы.
Мостовая схема
используется и для включения
дифференциальных датчиков. В схеме
на рисунке 4.8.3.2 а) два плеча моста
образованы индуктивностями обмоток
дифференциального датчика, а два других
резисторами
,
и
.
Поскольку катушки
датчика имеют одинаковую конструкцию
и одинаковые параметры, то для них углы
фазовых сдвигов близки, и второе условие
равновесия мостовой схемы обеспечивается
автоматически.
Для балансировки
мостовой схемы при неравных значениях
индуктивностей
и
в процессе настройки служит резистор
,
которым добиваются
выполнения первого условия равновесия
мостовой схемы.
Вмостовой схеме, приведенной на рисунке
4.8.3.2 б), плечами
моста являются индуктивности датчика
и
,
а также обмотки
трансформатора
и резистор
.
В этой схеме
указатель подключен к измерительной
диагонали моста через трансформатор
.
Такое включение
позволяет наилучшим образом согласовать
между собой выходное сопротивление
мостовой схемы и сопротивление измерителя
для получения наибольшей чувствительности.
Резистор
служит для балансировки мостовой схемы
при настройке.
На рисунке 4.8.3.2 в), в приведена схема, аналогичная показанной на рисунке 4.8.3.2 а), а, но в данном случае изменено назначение диагоналей моста.
Все рассмотренные мостовые схемы работают в режиме неуравновешенного моста, при котором изменение индуктивности датчика размера ведет к пропорциональному изменению выходного напряжения на измерительной диагонали моста.
Выходное напряжение мостовой неуравновешенной схемы
,
где
– относительное изменение полного
сопротивления одного плеча (обмотки
датчика) мостовой схемы;
– коэффициент преобразования мостовой
схемы (плечевой коэффициент).
Величина
определяется соотношением углов фазовых
сдвигов комплексных сопротивлений
смежных плеч.
Фазовые соотношения смежных плеч моста:
а – синфазные, б – квадратурные, в – противофазные.
С этой точки зрения мостовые схемы разделяются на
Для включения
индуктивных датчиков размера на практике
применяются только синфазные и
квадратурные мостовые схемы, и,
следовательно,
.
Выражение записано
для модуля выходного напряжения без
учета фазового сдвига. Из этого выражения
нетрудно видеть, что стабильность
выходного напряжения
зависит от стабильности напряжения
питания
и частоты питания
(в последнем случае при изменении частоты
изменяется
).
При этом
,
.
Поскольку в общем виде первое условие равновесия мостовой схемы переменного тока можно записать
,
то функция
преобразования уравновешенной мостовой
схемы (при одном уравновешивающем плече
)
будет иметь вид
и
.
При включении в
мостовую схему дифференциального
индуктивного датчика в выражения и
следует подставлять величину
,
где
– относительное изменение полного
сопротивления обмотки половины
дифференциального датчика при входном
измеряемом перемещении
.
Частотная схема включения
Д
ля
преобразования индуктивности датчика
в частоту переменного тока применяют
генераторные схемы (см. рис. 4.8.4). Основой
генераторной схемы является колебательный
контур, составленный индуктивностью
датчика
и постоянной емкостью
.
Контур включен в схему электронного генератора Г, который генерирует переменное напряжение с частотой, равной собственной частоте колебательного контура.
При изменении индуктивности датчика изменяется частота на выходе генератора, измеряемая частотомером. Частота генератора зависит в основном от индуктивности датчика и не зависит от его сопротивления потерь (это верно только в первом приближении). Поскольку сопротивление потерь датчика обычно в большой степени зависит от различных внешних факторов, то избавление от его влияния на результаты измерения повышает точность измерений.
Генераторная схема
может применяться для включения, как
недифференциальных датчиков, так и
дифференциальных.
В последнем
случае имеется два колебательных
контура, составленных каждой обмоткой
датчика и конденсаторами
и
,
и два генератора
Г1 и
Г2. Частоты
с обоих генераторов
и
поступают на смеситель, который выделяет
разностную частоту. Эта разностная
частота, в свою очередь, измеряется
частотомером. Подбором емкостей
и
генераторы
настраиваются так, чтобы в одном из
крайних положений измерительного
стержня датчика выполнялось условие
и
.
Тогда показания частотомера будут
пропорциональны величине смещения
измерительного стержня из крайнего
положения.
Чувствительность преобразования частотной схемы включения
и относительная чувствительность
.
Сравнение чувствительности преобразования частотной схемы с чувствительностью других описанных схем показывает, что ее относительная чувствительность в 2 раза ниже, как это следует из формулы.
Трансформаторная схема включения
В
заимоиндуктивные
датчики включаются по трансформаторной
схеме. Трансформаторная схема
включения недифференциального
взаимоиндуктивного датчика показана
па рисунке 4.8.5.
Одна обмотка
датчика питается переменным напряжением
постоянной величины
.
За счет магнитной
связи между обмотками во второй обмотке
наводится ЭДС, которая измеряется
соответствующим вольтметром.
Изменение измеряемого размера приводит к изменению связи между обмотками и к изменению ЭДС на вторичной обмотке. Таким образом, ЭДС на выходе вторичной обмотки будет зависеть от измеряемого размера.
Напряжение на
вторичной обмотке
,
где
– взаимная
индуктивность первичной и вторичной
обмоток;
– индуктивность
первичной обмотки.
Если принять, что взаимная индуктивность М остается постоянной, то выходной сигнал схемы включения
,
где
;
.
Последнее выражение справедливо при отсутствии нагрузки в цепи вторичной обмотки. Для цепи питания в этом случае нагрузкой является в основном полное сопротивление первичной обмотки.
Дифференциальная трансформаторная схема отличается наличием двух вторичных обмоток у датчика. Измерительный вольтметр в этом случае измеряет разность напряжений на обмотках.
Трансформаторная схема включения индуктивных датчиков весьма проста и практически не требует каких-либо дополнительных элементов. Однако конструкция датчика при этом усложняется, появляется потребность в нескольких обмотках и соответствующем количестве соединительных проводов.