Индуктивные датчики

       ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ: ОПИСАНИЕ, ПРИНЦИП РАБОТЫ И  ОЬЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 

       Понятие датчика  

       Человек глазами воспринимает форму, размеры  и цвет окружающих предметов, ушами  слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

       Зрение......Глаза 

       Слух........Уши

       Вкус........Язык

       Обоняние....Нос 

       Осязание....Кожа

       Однако, для получения ощущения одних  только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит  только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

       Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.  

       Принцип действия, классификация, требования предъявляемые к датчикам  

       Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков.

       Электрические датчики относятся к наиболее важным элементам систем автоматики. С помощью датчиков контролируемая или регулируемая величина преобразуется в сигнал, в зависимости от изменения которого и протекает весь процесс регулирования. Наибольшее распространение в автоматике получили датчики с электрическим выходным сигналом. Объясняется это прежде всего удобством передачи электрического сигнала на расстояние, его обработки и возможностью преобразования электрической энергии в механическую работу. Кроме электрических распространение получили механические, гидравлические и пневматические датчики.

       Входным сигналом датчиков могут быть самые  различные физические величины: механическое перемещение, скорость, сила, температура, давление, расход, влажность и др.

       По  характеру формирования электрического выходного сигнала электрические датчики делятся на параметрические (пассивные) и генераторные (активные). 

       Различают три класса датчиков:

       - аналоговые датчики, т. е. датчики,  вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

       - цифровые датчики, генерирующие  последовательность импульсов или  двоичное слово;

       - бинарные (двоичные) датчики, которые  вырабатывают сигнал только двух  уровней: "включено/выключено" (иначе  говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте. 

       Требования, предъявляемые к датчикам:

       - однозначная зависимость выходной  величины от входной;

       - стабильность характеристик во  времени;

       - высокая чувствительность;

       - малые размеры и масса;

       - отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

       - работа при различных условиях  эксплуатации;

       - различные варианты монтажа.  

       1. Индуктивные датчики

       Одним из узлов, определяющих точность работы любой системы позиционирования, являются датчики индуктивности. Датчики перемещений предназначены для преобразования величины линейного перемещения или угла оборота ходового винта в унитарный код: простую последовательность одинаковых по длительности и амплитуде электрических импульсов, число которых прямо пропорционально величине углового или линейного перемещения. Основной областью применения индуктивных датчиков является измерение угловых и линейных механических перемещений. Изменение входного параметра в датчиках индуктивности преобразуется в изменение индуктивности катушки благодаря перемещению якоря, сердечника или катушки.

       Для преобразования непрерывно изменяющейся величины в дискретные электрические  импульсы широко применяются индуктивные 

       

       Рисунок 1 – Схема индуктивного датчика 

       На  подвижной части станка устанавливается тонкая рейка из магнитомягкого материала. Выступы рейки 1 модулируют магнитное сопротивление рабочего зазора при движении. Магнитопровод Ш-образного сердечника 2 имеет две обмотки, включенные навстречу друг другу и питаемые от трансформатора Тр. В диагональ индуктивного моста включен измерительный прибор. В среднем положении измерительный мост сбалансирован и стрелка прибора 3 будет стоят на нуле. Незначительный разбаланс приводит к отклонению стрелки прибора. Хорошо выполненный датчик улавливает перемещения ~2 мкм. Для дискретных схем необходим цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

       Принцип работы

       Принцип работы датчиков основан на изменении  индуктивного сопротивления катушки  со сталью. Датчики индуктивности  широко применяют благодаря их существенным достоинствам: простоте, надежности и отсутствию скользящих контактов; возможности непосредственного использования показывающих приборов за счет относительно большой величины отдаваемой электрической мощности; возможности работы на переменном токе промышленной частоты.

       Индуктивные датчики применяют только на относительно низких частотах (до 3000–5000 Гц), так как на высоких частотах резко возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

       Для устранения недостатков, свойственных рассмотренному датчику индуктивности, которые состоят в том, что для измерения перемещения якоря в обоих направлениях необходимо иметь начальный воздушный зазор, т.е. и начальную силу тока, из-за чего создается неудобство в измерении, значительные погрешности от колебаний температуры и питающего напряжения, а также для устранения электромеханического усилия притяжения якоря, зависящего от величины воздушного зазора, применяют дифференциальный индуктивный датчик.

       Общие технические характеристики индуктивных датчиков.

• Диапазон срабатывания: от 0,6 до 60 мм
• Рабочая температура: от -25 … 70 °С
• Класс защиты: IP 67, IP 68, IP 69K
• Защита от короткого замыкания
• Три диапазона срабатывания
• Материал корпуса индукционных датчиков: пластик, нержавеющая сталь, никелированная медь

       Особенности работы индуктивных датчиков

1. Свойства объекта

       Оптимальные размеры объекта (пластины) – не менее величины диаметра датчика.

       При использовании отличных от стали  материалов почти всегда получаются меньшие расстояния срабатывания (Sn): хром и никель = 0.9Sn; латунь = 0.5Sn; алюминий и медь = 0.4Sn.

       Для металлической фольги и измерительных  пластин в специальном исполнении требуются контрольные измерения.

       Объектом  могут служить отдельные фрагменты  оборудования – зубья шестерен, кулачки, ползуны и прочее.

            Гистерезис

       Для всех коммутирующих датчиков необходим  гистерезис для устранения дребезга выходов. У индуктивных выключателей гистерезис получается от разности рабочих  расстояний до объекта при приближении и удалении измерительной пластины и составляет ок. 10% от номинального расстояния срабатывания.

            Частота переключения

       Время включения должно быть в два раза меньше времени выключения.

       Датчики при монтаже не заподлицо обеспечивают наибольшее расстояние срабатывания. При этом в окружающем металле требуется наличие минимальной выемки. При этом: боковой промежуток = диаметру датчика, глубина = удвоенному номинальному расстоянию срабатывания.

       Смонтированные  близко друг к другу датчики взаимно влияют друг на друга, поэтому необходимо соблюдать минимальные расстояния.

       Не  рекомендуется применять выключатели  с незащищенным кабелем в агрессивной  среде и СОЖ, некоторые виды которых  вызывают отвердевание поливинилхлоридной оболочки кабеля. Датчики индуктивности с подвижным сердечником содержат две одинаковые катушки, расположенные на одной оси. Внутри катушек перемещается сердечник цилиндрической формы, связанный с измерителем. Если сердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивные сопротивления катушек одинаковы. При перемещении сердечника в ту или другую сторону изменяется индуктивность катушек. При этом индуктивность той катушки, в сторону которой переместился сердечник, растет, а другой – уменьшается. Соответственно изменяется сила токов, проходящих через катушки.

       Работа  всех рассмотренных датчиков основана на изменении индуктивности. Существуют датчики, работа которых основана на изменении коэффициента взаимной индукции двух катушек. Такие датчики называются трансформаторными, или индукционными, и содержат две катушки: одна питается напряжением переменного тока, другая является выходной, и с нее снимается напряжение, пропорциональное перемещению якоря или сердечника.

       Трансформаторные  датчики выполняют с переменным зазором между якорем и сердечником, для измерения малых перемещений; с переменной площадью зазора, используемые для измерения средних перемещений, и с подвижным сердечником, используемые для измерения перемещений с широким диапазоном. Последние имеют преимущество перед другими трансформаторными датчиками, так как сердечник может быть отделен от катушек герметической трубкой. Такой датчик называют плунжерным.

       В некоторых случаях выходная катушка  состоит из двух катушек W_2l и W_2U, включаемых одна навстречу другой. У некоторых датчиков, наоборот, вторая катушка может поворачиваться или перемещаться относительно сердечника. Такие трансформаторные датчики с подвижной рамкой называют ферродинамическими.

       Особенностями трансформаторных датчиков является возможность  больших перемещений якоря и отсутствие электрической связи между измерительной цепью и цепью электрического питания. Между ними существует только магнитная связь, что во многих случаях является преимуществом.

       Индуктивные датчики серии PS/PM

       Индуктивные бесконтактные датчики надежны и просты в эксплуатации. Могут работать при воздействии шумов, света, диэлектрической пыли и жидкостей, например, машинного масла. Имеют четко очерченную активную зону. При попадании в активную зону датчика любого металлического предмета, происходит изменение логического состояния выходного коммутирующего элемента датчика, в качестве которого может использоваться PNP или NPN транзистор или тиристор (при работе датчика на переменном токе). Все модели имеют светодиодный индикатор состояния, что обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки и ремонта оборудования.

       Конструктивно все модели делятся на два типа: цилиндрические (PM) и прямоугольные (PS).