Датчики приближения

Многие устройства из промышленной автоматики требуют бесконтактного обнаружения присутствия или положения объекта, чтобы гарантировать реакцию системы или безопасность. Датчик приближения идеально подходит для этой роли, но эти элементы есть во многих версиях, включая магнитные, емкостные, индуктивные и оптические, да и материал из которого сделан обнаруживаемый объект, может влиять на обнаруживающую способность датчика.

В качестве примеров тут рассматриваются образцы решений от таких компаний, как Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse, Omron Electronics, MaxBotix и Carlo Gavazzi.

Некоторые датчики приближения подходят для обнаружения ферромагнитных материалов, в то время как другие подходят для любого типа металла. Третьи могут обнаруживать всевозможные объекты, в том числе присутствие людей. Следовательно нужно знать о возможностях и ограничениях различных типов и свойств технологии датчиков приближения и их применимости в конкретных ситуациях.

Индуктивные датчики приближения

Индуктивные датчики приближения обнаруживают металлические предметы, их дальность зависит от типа металла, из которого сделан объект. Эти датчики используют высокочастотное магнитное поле создаваемое катушкой, которая является частью резонансного контура. Проводящий объект в диапазоне силовых линий этого магнитного поля заставляет вихревой ток индуцироваться на поверхности, что создает противоположное магнитное поле, которое эффективно снижает индуктивность катушки резонансного контура в датчике.

Вот таблица, содержащая основные характеристики индуктивных датчиков приближения:

Индуктивные датчики приближения работают двумя способами. В первом случае, когда объект приближается к датчику, величина индуцированных вихревых токов увеличивается, что увеличивает нагрузку на колебательный контур, вызывая потерю качества, тем самым гася колебания. Датчик обнаруживает это изменение с помощью детектора амплитуды и посылает выходной сигнал о том, что объект обнаружен.

Альтернативный метод использует изменение частоты колебаний вместо амплитуды. Немагнитный металлический объект, такой как алюминий или медь, приближающийся к датчику, увеличивает частоту колебаний, в то время как ферромагнитный металлический объект, такой как сталь, снижает частоту генератора. Это изменение от опорной частоты приводит к изменению состояния выхода датчика.

Индуктивный датчик Texas Instruments LDC0851HDSGT является примером датчика приближения ближнего действия, который использует сдвиг частоты для обнаружения присутствия проводящего объекта в его электромагнитном поле.

Датчик LDC0851 отлично подходит для устройств бесконтактного обнаружения приближения объектов для подсчета событий, где требуемый диапазон обнаружения составляет менее 10 мм. Изменение начального состояния происходит когда проводящий объект движется в близости от чувствительной катушки. Дифференциальная конструкция с двумя катушками (датчик и эталон) позволяет определять относительную индуктивность, а гистерезис гарантирует надежное переключение не подверженное механическим колебаниям, колебаниям температуры или влажности. Обе сенсорные катушки настроены с помощью одного конденсатора, который устанавливает частоту колебаний от 3 до 19 МГц. Двухтактный выход находится в низком состоянии, когда результирующая индуктивность измерительной схемы ниже опорного порога, и в высоком состоянии, когда она выше.

Магнитные датчики приближения

Магнитные датчики приближения используются для измерения положения и скорости движущихся металлических частей. Они могут иметь активный датчик, такой как датчик Холла, или пассивный, такой как элемент переменного магнитного сопротивления (VR). В соответствии с последним методом работает детектор от Red Lion Controls MP62TA00. Он измеряет изменение магнитного сопротивления, аналогично электрическому сопротивлению, и состоит из постоянного магнита, полюсного наконечника и чувствительной катушки, заключенных в цилиндрический корпус.

Вот таблица, представляющая основные характеристики магнитных датчиков приближения:

Объект из ферромагнитного материала, проходящий близко к полюсному наконечнику, вызывает изменение магнитного поля от постоянного магнита. Это изменение генерирует сигнальное напряжение в катушке. Величина напряжения сигнала зависит от размера объекта, его скорости и величины зазора между полюсом и ним. Чтобы цель здесь была обнаружена, она должна двигаться.

Датчики переменного магнитного сопротивления являются пассивными устройствами и им не нужен источник питания. В результате они обычно используются при измерении вращающихся механизмов.

Например MP62TA00 обычно используются для обнаружения движения зубьев звездочек или клиньев на зубчатых ремнях. Их также можно использовать для обнаружения головок винтов, шпоночных пазов или других быстро движущихся металлических деталей в оборудовании различного типа. Они также используются в качестве тахометров для измерения скорости вращения, а также попарно для измерения эксцентриситета вращающегося вала.

Второй тип магнитных датчиков использует эффект Холла для обнаружения магнитного поля. Эффект Холла связан с взаимодействием проводника, по которому течет ток, и магнитного поля, перпендикулярного плоскости проводника. Его эффект заключается в появлении напряжения, пропорционального плотности магнитного потока. Датчик Холла требует намагничивания обнаруженного объекта. Для примера рассмотрим 55100-3H-02-A от Littelfuse — датчик приближения Холла, доступный с цифровым, или программируемым аналоговым выходом напряжения.

Этот элемент доступен в трехпроводном исполнении по напряжению или в двухпроводном с токовым выходом. Каждый из этих типов может быть в версии с высокой чувствительностью (130 Gs), низкой (59 Gs) или программируемой. При использовании эталонного магнита диапазон срабатывания датчика составляет 18 мм. Выходная нагрузка до 24 В и 20 мА. Датчик работает быстро — его коммутационная способность достигает 10 кГц и может обнаруживать как динамические, так и статические магнитные поля (неподвижные объекты). Способность обнаруживать статические магнитные поля является его основным преимуществом, ведь так его можно использовать для обнаружения открытия двери или другого объекта, даже в фиксированном положении.

Оптические датчики приближения

Оптические датчики приближения (по ссылке обзор и тестирование) используют инфракрасное или видимое излучение для обнаружения. У них есть то преимущество, что наблюдаемый объект не обязательно должен быть магнитным или металлическим — он просто должен скрывать или отражать свет. Большинство оптических датчиков излучают луч в направлении объекта и контролируют отраженный свет.

Вот таблица с основными характеристиками оптических датчиков приближения:

Датчик EE-SY1200 от Omron Electronics — хороший пример оптического датчика приближения. Это сверхкомпактное решение для монтажа на печатной плате, в котором используется инфракрасное (850 нм) излучение. Детектор состоит из светодиодного излучателя и пары фототранзисторов в SMD-корпусе размером всего 1,9 х 3,2 х 1,1 мм. Рекомендуемый диапазон обнаружения составляет 1-4 мм. Благодаря небольшим размерам он может быть встроен непосредственно в устройства без использования жгутов проводов и разъемов, например, с использованием гибких подложек.

Ультразвуковые датчики приближения

Когда требуются большие расстояния, например обнаружение автомобиля перед воротами гаража, подойдут ультразвуковые датчики. Они обнаруживают всевозможные объекты на расстоянии до нескольких метров. Основой измерения является время пролета ультразвукового импульса, испускаемого передатчиком, который отражается от целевого объекта и принимается приемником.

Зная скорость распространения ультразвука расстояние можно рассчитать. В представленном примере время прохождения сигнала составляет 3 мс. Для воздуха при 21 C скорость звука составляет 343 м / с, поэтому общее расстояние до объекта составляет 60 см.

MatBotix MB1634-000 — ультразвуковой датчик приближения с дальностью до 5 м, питаемый напряжением от 2,5 до 5,5 В. Он обеспечивает на выходе аналоговый сигнал, сигнал ШИМ или может передавать цифровые данные последовательно с уровнями напряжения TTL. Имеет автокомпенсацию изменения размеров объекта и встроенный стабилизатор. Доступна дополнительная внешняя температурная компенсация.

Вот таблица с основными характеристиками ультразвуковых датчиков приближения:

Емкостные датчики приближения

Емкостные датчики приближения могут обнаруживать металлические и неметаллические объекты, а также аморфные продукты, такие как порошки, гранулы и жидкости. Хорошим примером такого устройства является CD50CNF06NO от Carlo Gavazzi. Он работает аналогично индуктивным датчикам, за исключением того что катушки индуктивного датчика были заменены емкостной детекторной пластиной. Чаще всего его используют для определения уровня жидкости в резервуарах. Металлическая пластина детектора в этом случае образует конденсатор с обнаруженным объектом, емкость которого изменяется с удалением от объекта. Он определяет частоту генератора, которая контролируется для переключения состояния выхода каждый раз, когда превышается порог.

Датчик CD50CNF06NO предназначен для контроля уровня жидкости. Он соединен тремя проводами и имеет выход с NPN-транзистором с открытым коллектором (NO). Требуется источник питания постоянного тока от 10 до 30 В. Он доступен в корпусе размером 50 х 30 х 7 мм и обеспечивает дальность обнаружения до 6 мм. В типовом случае он привинчивается или приклеивается к внешней стороне неметаллического резервуара.

Вот таблица с основными характеристиками ёмкостных датчиков приближения:

Подведём итог

Датчики приближения используют несколько технологий обнаружения, что делает их пригодными для множества устройств. В зависимости от типа они могут обнаруживать как металлические, так и неметаллические объекты, а расстояние обнаружения варьируется от миллиметров до более 5 м. Они достаточно компактны чтобы устанавливаться в ограниченном пространстве, и многие из них способны работать в сложных условиях.