Индуктивные датчики устройство принцип работы. Индуктивные датчики. Устройство, типы и виды индуктивных датчиков. Промышленные измерительные системы

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.

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:

Генератор. Создаёт электромагнитное поле, которое необходимо для взаимодействия с объектом.
Триггер Шмитта. Он обеспечивает гистерезис, когда происходит переключение.
Усилитель. Занимается увеличением амплитуды сигнала, чтобы он достиг необходимого значения.
Светодиодный индикатор. Информирует о состоянии выключателя. Также с его помощью обеспечивается контроль работоспособности и указывает на оперативность настройки.
Компаунд. Необходим для защиты от попадания вовнутрь воды и твердых частиц.
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:

Активная зона. Это область перед чувствительной поверхностью индуктивного датчика, где наибольшим образом сконцентрировалось магнитное поле. Диаметр данной площади обычно равен размеру самого прибора.
Номинальное расстояние переключения. Это теоретическая величина расстояния активной зоны, которая не учитывает разброс производственных параметров индуктивного датчика, температурный режим и подаваемое напряжение питания.
Рабочий зазор. Это расстояние, которое гарантирует надежную работу прибора в определённом диапазоне напряжения и температуры.
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:

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

Погрешности

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

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.
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.
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.

PS. Платиновый провод при эксплуатации неизбежно загрязняется. Чтобы предотвратить такое загрязнение после того, как двигатель будет выключен, провод на одну секунду накаляется до температуры 1000 С. Вся пыль, которая на него налипла, моментально сгорает.

Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов (платина, несколько хуже - медь и никель), так и из полупроводников.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).

Служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивных датчиков состоит в преобразовании линейного перемещения в изменение индуктивности катушки датчика.

Устройство и принцип работы индуктивных датчиков

Индуктивный датчик функционирует следующим образом (на примере датчика частоты вращения):

Принцип действия. В основе работы индуктивных датчиков частоты вращения лежит явление электромагнитной индукции. Датчики выполнены в виде катушек с магнитными сердечниками. При прохождении под сердечником зубца ферромагнитного диска (например, зубца венца маховика коленчатого вала двигателя) магнитный проток датчика изменяется, и в катушке датчика индуцируется электродвижущая сила. Амплитуда импульсов зависит от частоты вращения коленчатого вала и зазора между сердечником и зубцом маховика

Индуктивные преобразователи имеют множество различных конструкций:

а) индуктивный преобразователь переменной длиной воздушного зазора δ.

Характеризуется нелинейной зависимостью L = f(δ).

Такие преобразователи обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01 - 5 мм.

б) индуктивный преобразователь с переменным сечением воздушного зазора. Имеет значительно меньшую чувствительностью, но линейную зависимость L = f(δ).

Эти преобразователи используют при перемещениях до 10 - 15 мм.

в) индуктивные преобразователи дифференциальные преобразователи, в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов.

Имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристики преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов.

Области применения индуктивных датчиков.

1. Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм.

2. 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.

Достоинства индуктивных датчиков:

Простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;

Возможность подключения к источникам промышленной частоты;

Относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);

Значительная чувствительность.

Недостатки индуктивных датчиков:

Точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;

Возможна работа только на переменном токе.

Примеры применения индуктивных датчиков:

1. Датчик положения коленчатого вала:

Датчик положения коленчатого вала установлен на кронштейне около шкива привода генератора (см. Фото-2).

Для генерации импульса синхронизации оборотов коленвала на шкиве отсутствуют два зуба (см.Фото-2 и Рис. 1).

Различного типа датчики сегодня широко применяются в промышленности. Без них ни один технологический процесс не обходится. Существует несколько их видов, нас же в этой статье будет интересовать индуктивный датчик. Поэтому разберемся, для чего он необходим, где применяется, его устройство и принцип работы.

По сути, датчик данного типа – это прибор, принцип работы которого основан на изменениях индуктивности катушки и сердечника. Кстати, отсюда и само название. Изменения индукции происходят из-за того, что в магнитное поле катушки проникает металлический предмет, изменяя его. А соответственно и изменяется схема подключения, в которой основную роль играет компаратор. Он при изменении индукции подает сигнал на реле или конечный транзистор (выключатель), что приводит к отключению подачи электрического тока.

Поэтому основное предназначение данного прибора – это измерять перемещение части оборудования. И при превышении пределов проходимости отключать его. При этом у датчиков есть свои пределы перемещения, которые варьируются в диапазоне от 1 микрона до 20 миллиметров. Кстати, именно поэтому этот прибор называют и индуктивным датчиком положения.

Достоинства и недостатки

Начнем с достоинств:

Простота конструкции, достаточно высокая его надежность. Полное отсутствие скользящих контактов, которые быстро выходят из строя.
Можно использовать для подключения в электрические сети с промышленной частотой.
Высокая чувствительность.
Может выдерживать большую выходную мощность.

Недостатки:

Напряжение и точность работы датчика взаимосвязаны, поэтому нестабильное напряжение в сети становится причиной разброса пределов реагирования.

Параметры индуктивного датчика

Один из параметров уже описывался выше – это диапазон срабатывания. Хотя, как утверждают специалисты, он не является важным, но именно по нему и делают выбор. Все дело в том, что в паспорте изделия указываются номинальные параметры напряжения при работе прибора в температурном режиме +20С. Постоянное напряжение составляет 24 вольт, переменное – 230 вольт. Как вы понимаете, в таких условиях индукционный датчик обычно не работает, а если и работает, то редко. При этом в качестве объекта, который будет изменять индуктивность катушки прибора, должна выступать стальная пластина, ее ширина должна быть равна трем диапазонам срабатывания и толщиною 1 мм.

На практике же за основу выбора берут два показателя диапазона срабатывания:

Эффективный.
Полезный.

Показания первого отличаются от номинального параметра в пределах ±10%. При этом температурный диапазон расширяется от +18С до +28С. Второй определяется, как ±10% от первого при температурном режиме от 25 до 70С. И если при первом параметре используется номинальное напряжение в сети, то при втором присутствует разброс от 85% до 110% от номинала.

Есть еще один параметр, который связан с зоной срабатывания. Это гарантированный предел. Его нижняя часть равна «0», а верхняя 81% от номинального диапазона.

Необходимо учитывать и такие параметры, как гистерезис и повторяемость. Что такое гистерезис в этом случае? По сути, это расстояние между дальними позициями срабатывания датчика. Оптимальное его значение – это 20% от эффективного диапазона срабатывания.

Не последнее значение имеет и материал, из которого изготавливается объект слежения (перемещения). Оптимальный вариант – сталь 37, ее коэффициент редукции равен «1». Все остальные металлы имеют меньший коэффициент. К примеру, нержавейка – 0,85, медь – 0,3. Как понять, на что влияет коэффициент редукции? Для примера возьмем медную пластину. То есть, получается так, что диапазон срабатывания будет равно 0,3, умноженному на полезный диапазон срабатывания. Достаточно низкий показатель.

Перечислим и другие не столь важные параметры6

Постоянное напряжение имеет диапазоны: 10-30, 10-60, 5-60 вольт. Переменное 98-253 вольт.

Внимание! Производители сегодня предлагают так называемые универсальные индукционные датчики, которые могут работать и от сети переменного тока, и от сети постоянного.

Ток нагрузки (номинальный) – 200 мА. Сегодня производители иногда производят датчики с токовой нагрузкой 500 мА. Это так называемое специсполнение.
Частота отклика. Суть этого параметра заключается в том, что он показывает максимальное значение возможности переключаться. Измеряется данный параметр в герцах. Так для основных промышленных датчиков этот показатель равен 1000 Гц.

Способ подключения

Существует несколько разновидностей индуктивных датчиков, которые имеют разное количество проводов подключения.

Двухпроводные. Включаются прямо в цепь токовой нагрузки. Самый простой вариант, но очень капризный. Для него нужен номинальное сопротивление нагрузке. Если он снижается или увеличивается, прибор начинает работать некорректно. При подключении к сети постоянного тока, необходимо соблюдать полярность.
Трехпроводной. Это самые распространенные индукционные датчики, в которых два провода подключаются к напряжению, один к нагрузке.
Четырех-, пятипроводные. В них два провода подключаются к нагрузке. Пятый провод – это возможность выбора режима работы.

Цветовая маркировка выводов

Все, что связано с электрическими сетями, особенно проводниками, обязательно обозначается цветовой маркировкой. Делается это для удобства проведения монтажа и обслуживания. Индуктивный датчик этого также не избежал. В нем выходы обозначены определенными стандартными цветами:

Минус – синий цвет.
Плюс – красный.
Выход – черный.
Бывает и второй выход, он белого цвета, который может быть и входом в систему управления. Об этом производитель обязательно информирует в инструкции.

И последнее – это конструктивные особенности, которые касаются корпуса датчика. Он может иметь цилиндрическую или прямоугольную форму. Изготавливается из металлических сплавов или пластика. Чаще всего в промышленности используются цилиндрические приборы диаметром 12 или 18 мм. Хотя есть в этой размерной линейке и другие параметры: 4, 8, 22 и 30 мм.