Как работает индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики

принцип работы, схемы подключения, характеристики

В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.  

Сфера  применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.

Устройство

Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство индуктивного датчика

Как видите на рисунке, в его состав входят:

• магнитопровод или ярмо (1) – предназначен для передачи электромагнитного поля от генератора в зону чувствительности;
• катушка индуктивности (2) – создает переменное электромагнитное поле при протекании электрического тока по виткам;
• объект измерения (3) – металлический якорь, вводимый или перемещаемый в области чувствительности, неметаллические предметы не способные влиять на состояние электромагнитного поля, поэтому они не используются в качестве детектора;
• зазор между объектом измерения и основным магнитопроводом (4) – обеспечивает меру  взаимодействия в качестве магнитного диэлектрика, в зависимости от модели датчика и способа перемещения  может оставаться неизменным или колебаться в заданном диапазоне;
• генератор (5) — предназначен для генерации электрического напряжения заданной частоты, которое будет создавать переменное магнитное поле в заданной области.

Принцип работы

Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.

Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя

При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.

Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания

При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в  свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.

Расстояние срабатывания и объект воздействия

В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.

Рис. 4. Область и объект срабатывания

Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.  

Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:

Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала

Виды

На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного.  В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:

• замыкающий – при перемещении контролируемого объекта происходит перевод во включенное положение;
• размыкающий – в случае воздействия индуктивный датчик переводит контакты в отключенное положение;
• переключающий – одновременно объединяет оба предыдущих варианта, за одну коммутацию переводит один вывод во включенное, второй, в отключенное положение.

По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.

Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик

По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:

• напряжение питания – определяет допустимый минимум и максимум разности потенциалов, при которой индуктивный датчик нормально работает;
• минимальный ток срабатывания – наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
• расстояние срабатывания – допустимый промежуток удаления, при котором будет происходить коммутация;
• индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость электрического тока и линий магнитной индукции для конкретной модели;
• поправочный коэффициент – применяется для внесения поправки, в зависимости от дополнительных факторов;
• частота переключений – максимально возможное количество раз коммутации в течении секунды;
• габаритные размеры и способ установки.

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Рис. 7. Схема подключения двухпроводного датчика

Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 8. Схема подключения трехпроводного датчика индуктивности

В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 9. Схема подключения четырехпроводного датчика индуктивности

По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.

Пятипроводных датчиков индуктивности

Рис. 10. Схема подключения пятипроводного датчика индуктивности

В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:

• высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
• может функционировать как от бытовой сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и прочих источников питания;
• способны обеспечивать значительную мощность на выходе — порядка нескольких десятков Ватт;
• характеризуются высокой чувствительностью в зоне измерения.

Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.

Использованная литература

• Алейников А.Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. «Датчики» 2001
• Келим Ю. М. «Типовые элементы систем автоматического управления» 2002.
• В.В. Литвиненко, А.П. Майструк. «Автомобильные датчики, реле и переключатели» 2004
• Соснин Д. А. «Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей» 2001

Индуктивный датчик. Принцип работы и подключение

Датчики

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

Содержание

• Принцип работы
• Параметры
• Способ подключения
• Индуктивный датчик LJ12A3-4-Z/BX

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.

Железо	1 x Sn
Нержавеющая сталь	0,9 х Sn
Латунь — бронза	0,5 x Sn
Алюминий	0,4 x Sn
Медь	0,4 x Sn

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.

Индуктивный датчик LJ12A3-4-Z/BX

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 12×50мм, 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.

На расстоянии менее 4 мм от пластины, датчик срабатывает и подает напряжение на нагрузку через нормально разомкнутый контакт (NO).

Просмотров:

RS Компоненты | Промышленные, электронные продукты и решения

Компоненты РС | Промышленные, электронные продукты и решения

• Поддержка
• Откройте для себя
• для вдохновения
• Найдите местное отделение

Разделы нашей продукции:

• Аккумуляторы и зарядные устройства
• Соединители
• Дисплеи и оптоэлектроника
• Контроль электростатического разряда, чистые помещения и прототипирование печатных плат
• Пассивные компоненты
• Блоки питания и трансформаторы
• Raspberry Pi, Arduino, ROCK и инструменты разработки
• Полупроводники

• Механизм автоматизации и управления
• Кабели и провода
• Корпуса и серверные стойки
• Предохранители и автоматические выключатели
• HVAC, вентиляторы и управление температурным режимом
• Осветительные приборы
• Реле и формирование сигналов
• Переключатели

• Доступ, хранение и обработка материалов
• Клеи, герметики и ленты
• Подшипники и уплотнения
• Инженерные материалы и промышленное оборудование
• Застежки и крепления
• Ручной инструмент
• Механическая передача энергии
• Сантехника и трубопровод
• Пневматика и гидравлика
• Электроинструменты, Пайка и сварка

• Компьютеры и периферия
• Уборка и техническое обслуживание помещений
• Офисные принадлежности
• Средства индивидуальной защиты и рабочая одежда
• Безопасность и скобяные изделия
• Безопасность сайта
• Испытания и измерения

Как работают индуктивные датчики

Резюме

декабрь 2012 г.

Марк Ховард, Zettlex

Индуктивные датчики широко используются для измерения положения или скорости, особенно в суровых условиях. Однако для многих инженеров терминология и методы индуктивных датчиков могут сбивать с толку. Индуктивные датчики положения и скорости бывают самых разных форм, размеров и конструкций. Можно сказать, что все индуктивные датчики работают по принципу трансформатора, и все они используют физическое явление, основанное на переменном электрическом токе. Это впервые наблюдал Майкл Фарадей в 1830-х годах, когда он обнаружил, что первый проводник с током может «индуцировать» ток во втором проводнике. Открытия Фарадея привели к созданию электродвигателей, динамо-машин и, конечно же, индуктивных датчиков положения и скорости. К таким датчикам относятся простые бесконтактные переключатели, датчики с переменной индуктивностью, датчики с переменным сопротивлением, синхронизаторы, резольверы, поворотные и линейно регулируемые дифференциальные трансформаторы (RVDT и LVDT).

Различные типы В простом датчике приближения (иногда называемом бесконтактным или бесконтактным переключателем) на устройство подается электроэнергия, которая вызывает протекание переменного тока в катушке (иногда называемой петлей, катушкой или обмоткой). Когда проводящая или магнитопроницаемая цель, такая как стальной диск, приближается к катушке, это изменяет импеданс катушки. Когда порог пройден, это действует как сигнал о том, что цель присутствует. Датчики приближения обычно используются для обнаружения простого присутствия или отсутствия металлической цели, а электрический выход часто имитирует переключатель. Эти датчики широко используются во многих промышленных приложениях, где электрические контакты в традиционном выключателе в противном случае оказались бы проблематичными, особенно при наличии большого количества грязи или воды. Вы увидите множество индуктивных датчиков приближения, когда в следующий раз будете мыть машину на автомойке. Датчики с переменной индуктивностью и переменным магнитным сопротивлением обычно производят электрический сигнал, пропорциональный смещению проводящего или магнитопроницаемого объекта (обычно стального стержня) относительно катушки.

Как и в случае датчика приближения, импеданс катушки изменяется пропорционально смещению цели относительно катушки, на которую подается переменный ток. Такие устройства обычно используются для измерения смещения поршней в цилиндрах, например, в пневматических или гидравлических системах. Поршень может проходить по внешнему диаметру катушки. Синхронизаторы измеряют индуктивную связь между катушками, когда они движутся относительно друг друга. Обычно они вращающиеся и требуют электрических соединений как с движущимися, так и с неподвижными частями (обычно называемыми ротором и статором). Они могут обеспечить чрезвычайно высокую точность и используются в промышленной метрологии, радиолокационных антеннах и телескопах. Синхронизаторы, как известно, дороги и в настоящее время все реже встречаются, поскольку в основном их заменяют (бесщеточные) резольверы. Это еще одна форма индуктивного детектора, но электрические соединения выполняются только с обмотками на статоре. LVDT, RVDT и резольверы измеряют изменение индуктивной связи между катушками, обычно называемыми первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка передает энергию во вторичные обмотки, но соотношение энергии, передаваемой в каждую из вторичных обмоток, изменяется пропорционально относительному смещению магнитопроницаемой мишени. В LVDT это обычно металлический стержень, проходящий через отверстие обмоток. В RVDT или резольвере обычно используется профилированный ротор или полюсный наконечник, который вращается относительно обмоток, расположенных по периферии ротора. Типичные области применения LVDT и RVDT включают гидравлические сервоприводы в аэрокосмических системах управления элеронами, двигателями и топливными системами. Типичные области применения резольверов включают коммутацию бесщеточных электродвигателей. Существенным преимуществом индуктивных датчиков является то, что соответствующие схемы обработки сигналов не обязательно должны располагаться в непосредственной близости от чувствительных катушек. Это позволяет размещать сенсорные катушки в суровых условиях, что в противном случае могло бы помешать другим методам измерения, таким как магнитные или оптические, поскольку они требуют относительно тонкой электроники на основе кремния, расположенной в точке измерения. Приложения Индуктивные датчики имеют большой опыт надежной работы в сложных условиях. Следовательно, они часто являются автоматическим выбором для приложений, связанных с безопасностью, критических с точки зрения безопасности или высокой надежности. Такие приложения распространены в военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности. Причина такой солидной репутации связана с базовой физикой и принципами работы, которые обычно не зависят от:

• подвижные электрические контакты
• температура
• влажность, вода и конденсат
• посторонние вещества, такие как грязь, жир, песок и песок.

Сильные и слабые стороны Из-за характера основных рабочих элементов — намотанных катушек и металлических частей — большинство индуктивных датчиков чрезвычайно надежны. Учитывая их солидную репутацию, возникает очевидный вопрос: «Почему индуктивные датчики используются не так часто?» Причина в том, что их физическая надежность является одновременно и сильным, и слабым местом. Индуктивные датчики, как правило, точны, надежны и прочны, но также являются большими, громоздкими и тяжелыми. Большой объем материала и потребность в тщательно намотанных катушках делают их производство дорогим, особенно устройства высокой точности, требующие точной намотки. Помимо простых датчиков приближения, более сложные индуктивные датчики непомерно дороги для многих основных, коммерческих или промышленных приложений. Еще одна причина относительного дефицита индуктивных датчиков заключается в том, что инженеру-конструктору может быть сложно их указать. Это связано с тем, что для каждого датчика часто требуется отдельная спецификация и покупка соответствующих схем генерации переменного тока и обработки сигналов. Это часто требует значительных навыков и знаний в области аналоговой электроники. Поскольку молодые инженеры, как правило, сосредотачиваются на цифровой электронике, они будут рассматривать такие дисциплины как нежелательную «черную магию», которой следует избегать. Устройства следующего поколения Однако в последние годы на рынок вышло новое поколение индуктивных датчиков, которые пользуются растущей репутацией не только на традиционных рынках, но и в промышленном, автомобильном, медицинском, коммунальном, научном, нефтегазовом секторах. Это новое поколение индуктивных датчиков использует ту же основную физику, что и традиционные устройства, но использует печатные платы и современную цифровую электронику, а не громоздкие трансформаторные конструкции и аналоговую электронику. Элегантный подход также открывает ряд приложений для индуктивных датчиков, включая датчики 2D и 3D, линейные устройства с коротким ходом (<1 мм), устройства с криволинейной геометрией и высокоточные угловые энкодеры. Использование печатных схем позволяет печатать датчики на тонких гибких подложках, что также устраняет необходимость в традиционных кабелях и разъемах. Гибкость этого подхода — как физически, так и из-за возможности легко предоставлять индивидуальные проекты для OEM-производителей — является основным преимуществом этого нового подхода. Как и в случае с традиционными индуктивными методами, этот подход обеспечивает надежные и точные измерения в суровых условиях. Есть также несколько важных преимуществ:

• Снижение стоимости
• Повышенная точность
• Уменьшенный вес
• Упрощенное машиностроение, например, удаление подшипников, уплотнений и втулок.