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 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.
Индукционные датчики
Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индукционных датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.
Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается двумя способами: постоянными магнитами или катушкой, обтекаемой постоянным током.
На рис. 6.19, а показана схема датчика с обмоткой W 2 , размещенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный поток Ф создается катушкой W 1 , включенной на постоянное напряжение. При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения:
где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа витков W 2 и конструктивных параметров датчика.
На
рис. 6.19, б
показан
датчик, в котором постоянный магнитный
поток создается с помощью постоянного
магнита с полюсными наконечниками. ЭДС,
индуцируемая во вращающейся катушке,
пропорциональна скорости вращения Ω:
В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.
Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструкции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом (рис. 6.19, в). Надежность при этом повышается за счет отсутствия скользящего контакта. Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис. 6.19, б: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с вырезами (рис. 6.19, г) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. При вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость катушки.
В датчиках (рис. 6.19, б, в, г) в качестве выходного сигнала можно использовать частоту ЭДС. Принцип их действия по существу такой же, как у синхронных генераторов. Для измерения частоты вращения используются и специальные электрические машины малой мощности - тахогенераторы.
Тахогенератор постоянного тока имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнитный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропорциональная частоте вращения п: Е= кФп, где k - постоянная, определяемая конструкцией.
Частота
вращения п
обычно
выражается в 1/мин (количество оборотов
в минуту) и связана со скоростью вращения
выражением:
С помощью коллектора и щеток выходной сигнал подается на нагрузку в виде выпрямленного напряжения.
Тахогенератор переменного тока имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 град. Одна обмотка включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения п. Для повышения температурной стабильности в качестве материала полого ротора используется константан.
Тахогенераторы обладают высокой чувствительностью и мощностью выходного сигнала. Общим недостатком всех генераторных датчиков является зависимость выходного сигнала от сопротивления нагрузки.
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
Индуктивные датчики применяются для преобразования в электрический сигнал небольших линейных и угловых перемещений. Простейший индуктивный датчик (называемый однотактным) представляет собой катушку индуктивности 1 с железным сердечником 2 и подвижным якорем З, отделенным от сердечника воздушным зазором (рис. 2-4). Катушка индуктивности с сердечником, называемая статором датчика, закрепляется неподвижно, а якорь соединяется механически с подвижной частью ОУ, перемещение которой нужно преобразовывать в электрический сигнал. При перемещении якоря изменяется сопротивление магнитной цепи датчика вследствие изменения воздушного зазора δ между статором и якорем (при вертикальном движении якоря) или площади воздушного зазора S (при горизонтальном движении якоря).
Сопротивление магнитной цепи датчика складывается из сопротивления участка цепи со сталью Rст и сопротивления участка цепи с воздушным зазором Rв. Магнитное сопротивление участка цепи со сталью:
Rст = Lст/(mст/Sст),
где Lст - суммарная длина средней магнитной силовой линии в стали сердечника и якоря; Sст - площадь поперечного сечения стального сердечника; mст - магнитная проницаемость материала сердечника и якоря.
Магнитное сопротивление участка цепи с воздушным зазором:
Rст = 2δ/(μоSв), где δ - длина воздушного зазора между статором и якорем датчика; μо - проницаемость воздуха; Sв - площадь поперечного сечения воздушного зазора. Так как μо>>μо, то Rст 0 . сопротивление магнитной цепи датчика будет определяться в основном сопротивлением участка цепи с воздушным зазором:
Rм ≈ Rв = 2δ/(;μоSr)
Переменный магнитный поток Ф, возникающий при подключении источника питания к катушке датчика, равен
где I - ТОК в цепи катушки датчика; w - число витков катушки датчика,w - число витков катушки датчика.
Индуктивность катушки датчика (если пренебречь потоком рассеяния):
L = ωФ/I = [ω 2 /2δ]μS
Формула (2-1) устанавливает функциональную связь между перемещением якоря индуктивного датчика (при перемещении изменяется или d, или Sв) и индуктивностью катушки датчика.
У индуктивных датчиков с изменяющимся воздушным зазором статическая характеристика L=f(x) нелинейная (рис. 2-5, 1) и при больших зазорах (δ > 1 мм) чувствительность датчика уменьшается. Такие датчики используют при ограниченном диапазоне перемещения якоря - до 1 мм, а начальная рабочая точка выбирается в области характеристики, где она имеет наибольшую крутизну и приближается к линейной чувствительность датчиков с изменяющимся воздушным зазором высокая – до 0,2 мкм.
У индуктивных датчиков с изменяющейся площадью воздушного зазора статическая характеристика L=f(Sв) линейная, диапазон перемещения якоря шире - до 8 мм, но чувствительность меньше - до 0,3 мкм (рис. 2-5, 2). Изменение индуктивности катушки датчика L приводит к изменению ее индуктивного сопротивления: ХL = ωL, где ω - круговая частота питающего напряжения. Следовательно, происходит и изменение полного сопротивления катушки: Z = √Rа*2+XL*2, где Ra - активное сопротивление катушки датчика.
Ток I, протекающий в катушке датчика под действием приложенного переменного напряжения U, также изменяется при перемещении якоря и может служить выходным сигналом датчика (выходной характеристикой). Условно принцип работы индуктивных датчиков можно представить в виде цепи преобразований происходящих при перемещении якоря датчика (для датчиков с изменяющимся воздушным зазором):
x → δ → Rm → Ф↓ → L↓ → Xl↓ → Z↓ → I
Однотактные индуктивные датчики имеют высокую чувствительность и надежность, практически неограниченный срок службы, большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт), что позволяет в ряде случаев не применять усилитель. К недостаткам индуктивных датчиков следует отнести нереверсивность характеристики, небольшой диапазон перемещений якоря, наличие тока холостого хода и электромагнитной силы притяжения между якорем и статором, влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки полностью или частично отсутствуют у дифференциальных индуктивных датчиков.
Дифференциальный индуктивный датчик
Он содержит два статора с катушками индуктивности L1 и L2 и один общий якорь. При перемещении якоря индуктивность одной катушки увеличивается, другой - уменьшается. Катушки индуктивности включаются или в дифференциальную измерительную схему, или как смежные плечи в мостовую измерительную схему.
Дифференциальные индуктивные датчики по сравнению с однотактными имеют более высокую точность преобразования и чувствительность. Статическая характеристика этих датчиков линейная и реверсивная.
Трансформаторные датчики
Они являются разновидностью индуктивных датчиков. Трансформаторный датчик можно рассматривать как трансформатор, у которого коэффициент трансформации изменяется за счет изменения коэффициента взаимоиндуктивности М между его обмотками. Такие датчики применяются для преобразования в электрический сигнал (напряжение переменного тока) небольших линейных и угловых перемещений.
На рис. 2-6 представлен дифференциальный трансформаторный датчик с угловым перемещением якоря. Первичная обмотка датчика ω1 расположена на центральном стержне сердечника 1 и подключена к источнику переменного тока. Вторичные обмотки ω2а и ω2б расположены на крайних стержнях и соединяются последовательно и встречно. Ток, протекающий по ω1 создает переменный магнитный поток Ф1, разветвляющийся на два потока: Ф1а и Ф1б. При симметричном положении якоря 2 по отношению к статору датчика (сердечник 1 с обмотками ω1, ω2а и ω2б) магнитные потоки равны: Ф1а=Ф1б=Ф1/2, и ЭДС, индуцирующиеся во вторичных обмотках, будут также равны: Е2а=Е2б.
Так как фазы этих ЭДС противоположны (за счет встречного включения обмоток ω2а и ω2б), то напряжение на выходе датчика будет равно нулю: Uвых = Е2а - Е2б=О. При повороте якоря, который механически связан с подвижной частью объекта управления, изменяются площади поперечного сечения воздушных зазоров и между якорем и крайними стержнями сердечника. В результате этого изменятся сопротивления RM1 и RM2 магнитных цепей потоков Ф1а и Ф1б, да и сами потоки: один из них увеличивается на ΔФ, а другой уменьшится на ΔФ. Индуцирующие во вторичных обмотках ЭДС Е2а и Е2б также изменятся пропорционально изменению потоков ФIа и Ф2б. На выходе датчика появится напряжение Uвых, амплитуда которого равна разности амплитуд ЭДС Е2а и Е2б: Uвых = Е2а-Е2б, а фаза выходного напряжения будет определяться фазой большей из ЭДС.
Таким образом, характеристика такого датчика будет реверсивной и линейной (в рабочей зоне). Чувствительность дифференциального трансформаторного датчика в два раза выше, чем у однотактного, рабочая зона в два раза больше, и при симметричном положении якоря выходное напряжение равно нулю. Точность преобразования у дифференциальных трансформаторных датчиков выше, так как ввиду симметричности конструкции и схемы датчика частично взаимно компенсируются погрешности от изменения окружающей температуры и частоты источника питания.