Принцип действия и основные параметры индуктивных датчиков положения. Индуктивный датчик – устройство, принцип работы, параметры и классификация Устройство индукционный датчик

Индуктивные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении индуктивности путем изменения магнитного сопротивления датчика.

Большую популярность индуктивные датчики получили на производстве для измерения перемещений в интервале от 1 микрометра до 20 мм. Индуктивный датчик можно применять для замера уровней жидкости, газообразных веществ, давлений, различных сил. В этих случаях диагностируемый параметр преобразуется чувствительными компонентами в перемещение, далее эта величина поступает на индуктивный преобразователь.

Для замера давления применяются чувствительные элементы. Они играют роль датчиков приближения, предназначенные для выявления разных объектов бесконтактным методом.

Виды и устройство

Индуктивные датчики разделяются по схеме построения на 2 вида:

• Одинарные датчики.
• Дифференциальные датчики.

Первый вид модели имеет одну ветвь измерения, в отличие от дифференциального датчика, у которого две измерительные ветви.

В дифференциальной модели при изменении диагностируемого параметра изменяются индуктивности 2-х катушек. При этом изменение осуществляется на одинаковое значение с противоположным знаком.

Индуктивность катушки вычисляется по формуле: L = WΦ/I

Где W – количество витков; Ф – магнитный поток; I – сила тока, протекающего по катушке. Сила тока взаимосвязана с магнитодвижущей силой следующим отношением: I = Hl/W

Из этой формулы получаем: L = W²/Rm

Где R m = H*L/Ф – магнитное сопротивление.

Работа одинарного датчика заключается в свойстве дросселя, изменять индуктивность при увеличении или уменьшении воздушного промежутка.

Конструкция датчика включает в себя ярмо (1), витки обмотки (2), якорь (3), который фиксируется пружинами. По сопротивлению поступает переменный ток на обмотку. Сила тока в нагрузочной цепи вычисляется:

L – индуктивность датчика, r d – активное дроссельное сопротивление. Оно является постоянной величиной, поэтому изменение силы тока I может осуществляться только путем изменения составляющей индуктивности XL=I R н , зависящей от размера воздушного промежутка δ .

Каждой величине зазора соответствует некоторое значение тока, определяющего падение напряжения на резисторе R н: U вых =I*R н – является сигналом выхода датчика. Можно определить следующую зависимость U вых = f (δ) , при одном условии, что зазор очень незначительный и потоки рассеивания можно не учитывать, как и магнитное сопротивление металла R мж в сравнении с магнитным сопротивлением зазора воздуха R мв.

Окончательно получается выражение:

На практике активное сопротивление цепи несравнимо ниже индуктивного. Поэтому формула принимает вид:

Из недостатков одинарных можно отметить:

• При эксплуатации датчика на якорь воздействует сила притяжения к сердечнику. Эта сила не уравновешена никакими методами, поэтому она снижает точность функционирования датчика, и вносит некоторый процент погрешности.
• Сила нагрузочного тока зависит от амплитуды напряжения и ее частоты.
• Чтобы измерить перемещение в двух направлениях, нужно установить первоначальное значение зазора, что доставляет определенные неудобства.

Дифференциальные индуктивные датчики объединяют в себе два нереверсивных датчика и изготавливаются в виде некоторой системы, которая состоит из 2-х магнитопроводов, имеющих два отдельных источника напряжения. Для этого чаще всего применяется разделительный трансформатор (5).

Дифференциальные датчики классифицируются по форме сердечника:

• Индуктивные датчики с Ш-образной формой магнитопровода, выполненного в виде листов электротехнической стали. При частоте более 1 килогерца для сердечника используют пермаллой.
• Цилиндрические индуктивные датчики с круглым магнитопроводом.

Форму датчика выбирают в зависимости от конструкции и ее сочетания с механизмом. Использование магнитопровода Ш-образной формы является удобным для сборки катушки и снижения габаритных размеров индуктивного датчика.

Для функционирования дифференциального датчика применяют питание от трансформатора (5), который имеет вывод от средней точки. Между этим выводом и общим проводом катушек подключают прибор (4). При этом воздушный промежуток находится в пределах от 0,2 до 0,5 мм.

При расположении якоря в средней позиции при равных промежутках индуктивные сопротивления обмоток (3 и 3′) равны. Значит, значения токов катушек также одинаковы, и общий полученный ток в устройстве равен нулю.

При малом отклонении якоря в любую сторону изменяется значение воздушных промежутков и индуктивностей. Поэтому прибор определяет ток разности I 1 -I 2 , который определен функцией перемещения якоря от средней позиции. Разность токов чаще всего определяется магнитоэлектрическим устройством (4), выполненным по типу микроамперметра со (В) на входе.

Полярность тока не зависит от изменения общего сопротивления катушек. При применении фазочувствительных схем выпрямления можно определить направление перемещения якоря от средней позиции.

Параметры

• Одним из параметров индуктивных датчиков является диапазон срабатывания . По этому параметру выбирают датчики, однако он не настолько важен. В инструкции по датчику даны номинальные параметры питания при эксплуатации устройства при температуре +20 градусов. Постоянное напряжение для датчика – 24 В, а переменное 230 В. Обычно датчик работает в совершенно других условиях.

На практике при подборе датчика важны два показателя интервала срабатывания:

— Полезный.
— Эффективный.

Показания первого вычисляются как + 10% от 2-го при температуре 25-70 градусов. Показания 2-го отличаются от номинала на 10%. Интервал температуры при этом увеличивается с 18 до 28 градусов. Если при втором параметре применяется номинальное напряжение, то при первом есть разброс 85-110%.

• Другим параметром является гарантированный предел срабатывания . Он колеблется от нуля до 81% от номинала.
• Также следует учитывать параметры: повторяемость и гистерезис , который равен расстоянию между конечными позициями работы датчика. Его оптимальная величина равна 20% от эффективного интервала срабатывания.
• Нагрузочный ток . Изготовители иногда производят датчики специального исполнения на 500 миллиампер.
• Частота отклика . Этот параметр определяет наибольшую величину возможности переключения в герцах. Основные промышленные датчики имеют частоту отклика 1000 герц.

Методы подключения на схемах

Имеется несколько видов индуктивных датчиков с различным числом проводов для подключения. Рассмотрим основные виды подключений разных индуктивных датчиков.

• Двухпроводные индуктивные датчики подключаются непосредственно в нагрузочную цепь. Это наиболее простой способ, однако в нем есть особенности. Для такого способа для нагрузки требуется номинальное сопротивление. Если это сопротивление будет больше или меньше, то устройство функционирует некорректно. При включении датчика на постоянный ток нельзя забывать о полярности выводов.
• Трехпроводные индуктивные датчики наиболее популярны. В них имеется два проводника для подключения питания, а один для нагрузки.
• Четырехпроводные и пятипроводные индуктивные датчики. У них два провода на питание, другие два на нагрузку, пятый проводник для выбора режима эксплуатации.

Цветовая маркировка

Маркировка проводников цветом является очень удобной для осуществления обслуживания и монтажа датчиков. Их выходные проводники промаркированы определенным цветом:

• Минус – синий.
• Плюс – красный.
• Выход – черный цвет.
• Второй проводник выхода – белый цвет.

Погрешности

Погрешность преобразования диагностируемого параметра влияет на способность выдачи информации индуктивным датчиком. Суммарная погрешность состоит из множества различных погрешностей.

• Электромагнитная погрешность является случайной величиной. Она появляется вследствие индуцирования ЭДС в катушке датчика наружными магнитными полями. На производстве возле силовых электрических устройств существуют магнитные поля чаще всего частотой 50 герц.
• Погрешность от температуры также является случайным значением, так как работа большого количества элементов датчика зависит от температуры и является значительной величиной, учитываемой при проектировании датчиков.
• Погрешность магнитной упругости . Она появляется от нестабильности деформаций сердечника при сборке прибора, а также из-за изменения деформаций при работе. Влияние нестабильности напряжений в магнитопроводе образует нестабильность сигнала на выходе.
• Погрешности устройства появляются по причине влияния измеряющей силы на деформации элементов датчика, а также влияния скачка усилия измерения на нестабильность деформации. Также на погрешность влияют люфты и зазоры в подвижных частях конструкции датчика.

• Погрешность кабеля образуется от непостоянной величины сопротивления, деформации кабеля и его температуры, наводок электродвижущей силы в кабеле от внешних полей.

• Тензометрическая погрешность случайная величина и зависит от качества намотки витков провода. При намотке возникают механические напряжения, изменение которых при функционировании датчика приводит к изменению сопротивления обмотки постоянному току, а значит, изменению сигнала на выходе. Чаще всего в качественных датчиках эту погрешность не учитывают.
• Погрешность старения датчика появляется от износа движущихся частей устройства датчика, а также постоянного изменения электромагнитных свойств магнитопровода. Такую погрешность считают также случайным значением. При определении погрешности износа учитывается кинематика устройства датчика. При проектировании датчика рекомендуется определять его срок эксплуатации в нормальном режиме, за период которого погрешность от износа не превзойдет заданного значения.
• Погрешность технологии появляется при отклонениях от техпроцесса изготовления датчика, разброса параметров катушек и элементов при сборке, от влияния натягов и зазоров при сопряжении деталей. Оценка погрешности технологии производится простыми механическими измерителями.

Электромагнитные параметры материалов и их свойства со временем меняются. Чаще всего процессы изменения свойств материалов происходят в первые 200 часов после термообработки сердечника магнитопровода. Далее эти свойства остаются теми же, и не влияют на полную погрешность датчика.

Достоинства

• Большая чувствительность.
• Повышенная мощность выхода, до нескольких десятков Вт.
• Возможность подключения к промышленным источникам частоты.
• Прочное и простое устройство.
• Нет трущихся контактов.

Недостатки

• Способны функционировать только на переменном напряжении.
• Стабильность питания и частота влияют на точность работы датчика.

Сфера использования

• Медицинские аппараты.
• Бытовая техника.
• Автомобильная промышленность.
• Робототехническое оборудование.
• Промышленная техника регулирования и измерения.

При работе с различными технологиями при желании автоматизировать ряд действий обращаются к различным датчикам. В изделиях из металлов важную роль играет индуктивный датчик. Что он собой представляет и зачем необходим?

Что такое индуктивный датчик?

Что это и где он нашел применение? Индуктивный датчик — это бесконтактный прибор, который используется, чтобы контролировать положение объектов, сделанных из металлов. К другим материалам он чувствительности не проявляет. Применяются бесконтактные индуктивные датчики, чтобы решать задачи АСУТП. Могут быть использованы с нормально замкнутым или разомкнутым контактом. Принцип действия базируется на редактировании параметров магнитного поля, которое создаётся катушкой индуктивности, что внутри датчика. Но все тонкости настолько многочисленны, что необходимо их обсудить отдельно.

Принцип действия

Всё базируется на изменении амплитуды колебаний используемого в индуктивном датчике генератора, когда в активную зону вносится предмет определённого размера из металлического, магнитного и ферро-магнитного материала. Так что использование может быть реализовано только с этими типами. Когда подаётся питание на конечный выключатель, расположенный в его области чувствительности, то образуется магнитное поле. Оно наводит в материале вихревые токи, влияние которых меняет амплитуду колебаний генератора. В конечном результате таких преобразований получается аналоговый выходной сигнал. Его величина меняется и зависит от расстояния между контролируемым предметом и датчиком. Триггер Шмитта превращает аналоговый сигнал в логический. Индуктивный датчик перемещения играет важную роль для механизмов, которые отслеживают изменение местоположения металлических деталей. Встретить подобные устройства вы можете в автомобильных конвейерах. Индуктивный датчик положения поможет определить, расположен ли предмет так, как должен. Если ответ отрицательный, то будут предприняты действия, предусмотренные программой, чтобы всё было так, как необходимо для полноценной и правильной работы конвейера.

Построение индуктивного датчика

Из чего состоит данный механизм? Бесконтактные индуктивные датчики имеют такие основные узлы:

1. Генератор. Создаёт электромагнитное поле, которое необходимо для взаимодействия с объектом.
2. Триггер Шмитта. Он обеспечивает гистерезис, когда происходит переключение.
3. Усилитель. Занимается увеличением амплитуды сигнала, чтобы он достиг необходимого значения.
4. Светодиодный индикатор. Информирует о состоянии выключателя. Также с его помощью обеспечивается контроль работоспособности и указывает на оперативность настройки.
5. Компаунд. Необходим для защиты от попадания вовнутрь воды и твердых частиц.
6. Корпус. С его помощью обеспечивается монтаж датчика и его защита от различных механических воздействий. Изготавливается из полиамида или латуни и комплектуется крепежными изделиями.

Определения

Когда необходимо использовать индуктивный датчик, следует разбираться и в терминологическом минимуме, который нужен для приятной и комфортной работы. Итак, что следует понимать:

1. Активная зона. Это область перед чувствительной поверхностью индуктивного датчика, где наибольшим образом сконцентрировалось магнитное поле. Диаметр данной площади обычно равен размеру самого прибора.
2. Номинальное расстояние переключения. Это теоретическая величина расстояния активной зоны, которая не учитывает разброс производственных параметров индуктивного датчика, температурный режим и подаваемое напряжение питания.
3. Рабочий зазор. Это расстояние, которое гарантирует надежную работу прибора в определённом диапазоне напряжения и температуры.
4. Поправочный коэффициент. Это показатель, который корректирует значение рабочего зазора, в зависимости от вида металла, из которого был создан объект воздействия.

Достоинства

Почему индуктивные датчики пользуются значительной популярностью? Этому способствует целый ряд параметров, которыми они обладают:

1. Прочность и простота конструкции, а также отсутствие скользящих контактов.
2. Индуктивный датчик может быть подключен к источникам промышленной частоты.
3. Имеют довольно большую выходную мощность, которая может составлять десятки Ватт.
4. Обладают значительной чувствительностью.

Погрешности

Но при всех плюсах индуктивные датчики имеют и минусы. Самый главный из них - это погрешность. Выделяют такие недостатки:

1. Погрешность, которая зависит от нелинейной характеристики. В приборе используется принцип индуктивного преобразования величины, что базируется на работе датчиков, которые имеют свой диапазон, из-за чего и возникает данная проблема.
2. Температурная погрешность. Является случайной составляющей. Поскольку работа прибора зависит от температуры используемых датчиков, то погрешность может достигать значительных значений. Поэтому высокую важность имеет среда работы механизма. Работа индуктивного датчика обычно осуществляется при показателе в 25 градусов в хорошо вентилируемом помещении. Значительное изменение температуры в большее или меньшее значение является нежелательным.
3. Погрешность из-за влияния других электромагнитных полей. Является случайной составляющей. Возникает из-за того, что на индуктивный датчик действуют внешние электромагнитные поля, которые могут сильно влиять на работу прибора. Чтобы избежать таких случаев, в промышленности электроустановки почти всегда используют частоту в 50 Гц.

Для минимизации вероятности возникновения погрешности необходимо качественно прорабатывать все нюансы.

Индуктивный датчик (inductive sensor) – это датчик бесконтактного типа, предназначенный для контроля положения объектов из металла.

Принцип работы

Работа индуктивного датчика основана на взаимодействии магнитного поля катушки, расположенной внутри датчика, и металла, из которого состоит объект.

При приближении металлического объекта (5) к катушке (3), магнитное поле (4) изменяется, что в свою очередь заставляет компаратор (2) сформировать сигнал, который впоследствии поступит на усилитель (1) и далее в цепь управления.

Параметры

Напряжение питания – диапазон напряжения, при котором датчик работает корректно.

Максимальный ток переключения - количество непрерывного тока, которое пропускаясь через датчик, не вызывает повреждение датчика.

Минимальный ток переключения - минимальное значение тока, которое должно протекать через датчик, чтобы гарантировать работу.

Рабочее расстояние (Sn) – максимальное расстояние от поверхности датчика, до квадратного куска железа толщиной 1 мм в осевом направлении. Расстояние будет уменьшаться для других материалов, зависимость Sn от материала представлена в таблице.

Частота переключения - максимальное количество переключений датчика в секунду.

Способ подключения

Способ подключения зависит от типа индуктивного датчика.

Трехпроводные – два вывода отвечают за питание датчика, а третий подключается к нагрузке. В зависимости от структуры (NPN или PNP) нагрузка подключается к положительному (NPN) или отрицательному (PNP) полюсу источника постоянного напряжения.

Четырехпроводные – два вывода питания, два вывода подключаются к нагрузке.

Существуют также двух и пятипроводные датчики, но используются они реже из-за особенностей подключения.

Рассмотрим стандартный датчик, который наиболее часто используется в ЧПУ-станках или 3d-принтерах в качестве концевого выключателя. Датчик имеет 3 вывода и NPN структуру. Размеры датчика 12x50мм, расстояние обнаружения 4мм. Напряжение питания 6-36 В.

На реальном примере продемонстрируем работу датчика. В качестве нагрузки подключаем светодиод с токоограничивающим резистором , а затем подносим металлическую пластину к датчику.

Для обеспечения нормальной работы двигателя используется множество механизмов и контроллеров, предназначенных для выполнения разных функций. Одним из таких девайсов является индуктивный датчик. Что это за контроллер, каков его принцип работы, какие бывают виды устройств? Об этом мы поговорим ниже.

[ Скрыть ]

Характеристика индуктивных преобразователей

Индуктивный датчик или представляет собой бесконтактное устройство, предназначенное для контроля положения того или иного объекта, выполненного из металла. Это важно, поскольку девайс может проявлять чувствительность только к металлу.

Функции и принцип действия

Принцип действия девайса основан на изменении амплитуды колебаний генераторного устройства, встроенного в контроллер, при внесении в активную зону определенного металлического объекта. Соответственно, применение девайса возможно только с такими типами объектов. При подаче напряжения на конечный выключатель, который находится в зоне чувствительности, появляется магнитное поле. Это поле способствует образованию вихревых токов, влияние которых отражается на изменении амплитуды колебаний генераторного устройства.

В итоге такие преобразования способствуют появлению аналогового выходного импульса, значение которого может быть разным в зависимости от расстояния между контроллером и объектом. Индуктивный датчик перемещения играет очень важную роль для узлов, которые используются для отслеживания изменения места расположения металлических объектов. Благодаря контроллеру определяется, правильно ли расположен тот или иной объект или нет. В том случае, если предмет находится не там, где нужно, система управления должна будет предпринять все необходимые действия для того, чтобы обеспечить нормальную работу устройства.

Что касается устройства контроллера, то девайс состоит из следующих элементов:

1. Генераторный узел, предназначенный для образования электромагнитного поля, которое, в свою очередь, используется для создания зоны активности с объектом.
2. Усилительное устройство. Используется для повышения значения амплитуды импульса, чтобы сигнал мог достигнуть нужного параметра.
3. Триггер Шмитта. Этот элемент предназначен для обеспечения гистертезиса при переключении девайса.
4. Диодный элемент, который свидетельствует о состоянии контроллера. Также светодиод позволяет обеспечить наиболее оптимальный контроль функционирования девайса и указать на оперативность настройки.
5. Следующий элемент — компаунд. Его предназначение заключается в обеспечении защиты девайса от попадания влаги внутрь корпуса, а также грязи и пыли, что может привести к его поломке.
6. Сам корпус. Корпус контроллера предназначен для обеспечения установки девайса, а также его защиты от всевозможных механических повреждений. Как правило, корпус выполняется из латуни либо полиамида, а также он оснащается всеми необходимыми фиксаторами для крепления (автор видео — канал Lty D).

Типы контроллеров

Системы с индуктивным датчиком могут использовать разные устройства, которые отличаются между собой по следующим параметрам:

1. Конструкция девайса, а также тип корпуса, который может быть прямоугольным либо цилиндрическим. Что касается материала, из которого выполняется сам корпус, то он может быть либо металлическим, либо пластмассовым.
2. Если речь идет о цилиндрических деталях, то они могут иметь разные размеры корпуса. Как правило, диаметры корпуса составляют 12 и 18 мм, но можно найти и другие девайсы- 4, 8, 22 мм и т.д.
3. Следующий параметр — рабочий люфт девайса, составляющий расстояние до стальной пластины контроллера. Для небольших по размерам контроллеров этот показатель составляет от 0 до 2 мм, для контроллеров, диаметр которых составляет 12 и 18 мм, рабочий зазор должен быть 4 и 8 мм соответственно.
4. Число проводов для подключения к бортовой сети. Двухпроводные устройства более удобны в плане установки, однако они чувствительно относятся к нагрузке — при слишком высоком или низком сопротивлении их работа может быть нарушена. Трехпроводные детали на сегодняшний день считаются самыми распространенными, в данном случае два контакта используется для питания, а еще один — для нагрузки. Есть также пяти- и четырехпроводные регуляторы, в которых пятый контакт используется для выбора режима функционирования.
5. Еще один параметр, по которым устройства могут отличаться, заключается в различии полярности. Релейные датчики позволяют коммутировать нужное значение напряжения или один из контактов питания. В транзисторных датчиках типа PNP на выходе устанавливается специальный транзисторный элемент, позволяющий коммутировать плюсовой выход. Что касается минуса, то в данном случае он подключен постоянно. Также есть транзисторные устройства NPN, в данном случае постоянно запитан плюс, а мину коммутируется транзисторным элементом.

Фотогалерея «Схемы подключения»

Достоинства и недостатки

Индуктивный датчик вращающихся оборотов (к примеру, ДПКВ) или другого типа, как и любое устройство, может иметь свои достоинства и недостатки. Предлагаем с ними ознакомиться.

Начнем с преимуществ:

1. Во-первых, такие регуляторы характеризуются достаточно простой конструкцией, что позволяет обеспечить высокую надежность их работы. Конструктивно в элементе отсутствуют скользящие контакты, благодаря чему обеспечивается надежная работа датчика, так как контакты не изнашиваются и не выходят из строя.
2. При необходимости такой регулятор можно своими руками подключить к электрической сети с промышленной частотой.
3. Повышенная чувствительность регулятора, что позволяет обеспечить его наиболее эффективную и бесперебойную работу.
4. При необходимости такие приборы могут работать в условиях высоких выходных мощностей.

Что касается недостатков:

1. Нелинейные значения могут привести к появлению погрешностей, что связано с использованием принципа индуктивного преобразования.
2. Правильная работа детали возможна при определенной температуре. Если температура не будет соответствовать нормированному диапазону, это может привести к появлению больших погрешностей.
3. Появлению погрешностей могут способствовать и образование электромагнитного поля вне датчика.

Цена вопроса

Стоимость товара зависит от многих характеристик, в частности, области применения. В среднем цены на индуктивные регуляторы начинаются от 500 рублей и выше.

Видео «Как подключить индукционный регулятор?»

Наглядная инструкция на примере подключения регулятора в мотоцикле Юпитер приведена в ролике ниже (автор — Вадим Карамов).

← Вернуться