Индуктивные датчики бесконтактные

Датчики

Содержание

Обзор
Геометрия и материал корпуса
Материалы срабатывания
Тип выхода
Количество проводов для подключения
Отличие N-P-N выхода от P-N-P
Цветовая маркировка выводов
Маркировка индуктивных датчиков приближения
Пример использования
Часто задаваемые вопросы

Обзор

Индуктивные датчики приближения широко используются как в любительских проектах, так и в промышленной отрасли. Принцип их действия заключается в обнаружении металлических объектов вблизи чувствительного элемента. К другим материалам они не чувствительны. У разных датчиков расстояние обнаружения может отличаться. Это обусловлено конструктивным исполнением конкретного датчика и типом металла, который необходимо детектировать. Каждый производитель, как правило, указывает эти параметры в технической документации.
На сегодняшний день рынок радиолюбительских товаров может похвастаться изобилием индуктивных датчиков приближения, отличающихся между собой по какому-либо критерию. Несмотря на это, все они имеют схожее построение и принцип работы. На рисунке №1 показана обобщенная структура датчика приближения с индуктивным чувствительным элементом.

Рисунок №1 - структурная схема индуктивного датчика приближени

Как видно из вышеприведенного рисунка, с помощью высокочастотного генератора в обмотке чувствительного элемента наводится электромагнитное поле. При поднесении к датчику металлического предмета происходит изменение параметров этого поля, что в последствии фиксируется триггерной схемой. Выход триггера управляет ключевым элементом, который может коммутировать небольшую нагрузку в виде реле и т.п. Также на большинстве датчиков установлен индикатор сработки в виде светодиода. Такой подход позволяет оценить исправность датчика и выполнить его калибровку во время монтажа. Ниже, на рисунке №2, приведен один из вариантов схемного исполнения индуктивного датчика приближения.

Рисунок №2 - один из вариантов схемного исполнения датчика приближения

Следует обратить внимание на то, что производители не рекомендуют подключать к выходу датчика лампы накаливания, даже если последний рассчитан на необходимую мощность. Причина этому - низкое сопротивление нити в первый момент запуска, что может вывести индуктивный датчик из строя. На рисунке №3 показана типовая конструкция датчика приближения без корпуса.

Рисунок №3 - устройство индуктивного датчика приближения

Итак, выше была изложена обобщенная информация, которая в целом дает представление о всех видах индуктивных датчиков. Но как правильно выбрать датчик для своего проекта? Для этого нужно понимать по каким критериям они могут отличаться друг от друга.

Геометрия и материал корпуса

По типу конструкции индуктивные датчики приближения могут быть цилиндрические, квадратные, круглые, прямоугольные, U-образные (щелевого типа), кольцевые и т.п. По этому параметру, на мой взгляд, производители полностью закрывают интересы потребителя. На рисунке №4 приведены несколько датчиков разных форм.

Рисунок №4 - разновидности индуктивных датчиков приближения

Чувствительный элемент в цилиндрических датчиках расположен в их торцевой части, которая может быть выполнена из как из пластика, так и из металла. Такие датчики могут иметь разный диаметр (от 3мм и выше), а также гладкое или резьбовое исполнение.

Датчикикольцевого типа имеют форму кольца, внутри которого сконцентрировано переменное магнитное поле. Сработка происходит при прохождении металлического объекта непосредственно через кольцо.

Щелевые датчики, как правило, оснащены U-образным армированным корпусом из высокопрочного пластика. Расположенные друг напротив друга обмотки формируют в между собой переменное магнитное поле, которое позволяет фиксировать металл между двумя U-образными стержнями.

Датчики в квадратных или прямоугольных корпусах имеют монтажные отверстия, с помощью которых можно установить датчик в необходимом для контроля направлении.

При выборе датчика следует обратить внимание на материал, из которого он выполнен. Здесь может быть 3 основных варианта:

цельнометаллический - используется в жестких условиях (повышенная температура, давление и.т.п.). При этом имеет меньшую чувствительность из за экранизации катушки материалом корпуса;
пластиковый - имеет большую чувствительность, но меньшую прочность;
комбинированный (металл + пластик) - как правило такие датчики имеют металлический корпус и пластиковое покрытие чувствительного элемента.

Избирательность

По критерию избирательности существуют датчики, которые могут срабатывать как на все металлы, так и на определённые, например только на медь или только на железо. У некоторых индуктивных датчиков есть возможность определения расстояния до металлического объекта.

Тип выхода

Индуктивные датчики приближения могут иметь разные схемные решения выходных каскадов, что иногда является определяющим моментом в выборе. Существуют следующие типы выходов:

типовой транзисторный N-P-N выход (пример - рисунок №2);
типовой транзисторный P-N-P выход;
релейный выход - используется преимущественно в крупногабаритных датчиках. Особенность релейного выхода заключается в гальванической развязке между схемой питания датчика и коммутирующими контактами, что позволяет запитывать нагрузки любым напряжением.

Количество проводов для подключения

Здесь может быть несколько вариантов:

2-х проводное подключение. С датчика выходят два провода, а сам он представляет собой аналог выключателя. Нагрузка подключается в разрыв одного из проводов. К недостаткам подобных датчиков относят нестабильную работу с нагрузками, имеющими слишком высокое или малое сопротивление. Следует заметить, что индуктивные датчики приближения могут иметь нормально замкнутый (НЗ) или нормально открытый (НО) контакт, как показано на рисунке №5.

Рисунок №5 - двухпроводное подключение

3-х проводное подключение. Подразумевает наличие трёх проводов, два из которых отведены для питания датчика, а один для нагрузки. Такое исполнение является наиболее распространённым (рисунок №6).

Рисунок №6 - трехпроводное подключение

4-х и 5-ти проводное подключение. Такая модификация может применяться при использовании совместно двух выходов (например НЗ и НО) в составе одного датчика. Наличие пятого провода предполагает установку с помощью него режима работы или состояния на выходе. На рисунке №7 показана схема 4-х выводного подключения.

Рисунок №7 - четырехпроводная схема включения

Отличие N-P-N выхода от P-N-P

Как говорилось ранее, индуктивные датчики приближения с транзисторным выходом могут иметь разную проводимость (N-P-N или P-N-P). Различие этих датчиков заключается в коммутации разных полюсов через нагрузку. Датчик с P-N-P выходом коммутирует положительный полюс питания, а N-P-N - отрицательный. Более наглядно это отражено рисунке №8.

Рисунок №8 - индуктивные датчики с разными типами выходов
В случае использования индуктивного датчика приближения с NPN структурой, имеем следующее. При отсутствии металла в чувствительной зоне, на выход подается высокий уровень через внутренний диод и резистор 10 кОм. Появление металла приводит к открытию NPN-транзистора с последующей коммутацией низкого уровня на выход датчика.
Если используется датчик PNP-типа, то всё происходит с точностью наоборот. По умолчанию на его выходе будет низкий уровень напряжения. После обнаружения металла, откроется PNP-транзистор и соединит его выход с плюсом питания.

Цветовая маркировка выводов

Как правило, все производители стараются придерживаться единого стандарта по цветовой палитре выводов. Однако перед использованием того или иного датчика рекомендуется ознакомится с документацией, которая к нему прилагается. Ниже приведена маркировка, которая наиболее часто встречается в этой отрасли:

Коричневый - положительный полюс питания (+);
Синий - отрицательный полюс питания (-);
Чёрный - выход;
Белый - в зависимости от модификации датчика может быть как вторым выходом, так и управляющим входом.

Маркировка индуктивных датчиков приближения

Маркировка индуктивного датчика приближения представляет собой цифро-буквенный шифр, который включает в себя основные параметры датчика. Каждый производитель придерживается своей маркировки, поэтому перед выбором следует заглянуть на официальный сайт и ознакомится с соответствующей информацией. В качестве примера ниже приведена расшифровка индуктивного датчика фирмы ТЕКО - ISB A0B-31N-0,8.

IS - выключатель конечный индуктивный;
B - способ установки (встраиваемый, общего применения);
A - исполнение корпуса (цилиндрический резьбовой);
0 - тип подключения (с помощью кабеля);
В - материал корпуса (латунь);
3 - трехпроводной (10-30 В);
1 - нормально разомкнутый (NO);
N - npn («общий +»);
0,8 - Зазор (номинальный), мм.

Где приобрести другие датчики для Ардуино?Купить датчики Arduino можно в нашем магазине 3DIY!

Пример использования индуктивных датчиков приближения в проектах с Arduino.

Наиболее частое применение индуктивных датчиков приближения заключается в использовании последних в качестве конечных выключателей. Такими датчиками удобнее всего обнаружить приближающийся объект или его отсутствие. Однако существуют и более ответственные задачи. Ниже приведено несколько реальных примеров использования индуктивных преобразователей в промышленной автоматике:

Сортировка металлических объектов по форме и размеру;
Проверка корректной ориентации гаек в процессе автоматизированной сборки;
Обнаружение центра симметричных перемещающихся и вращающихся деталей машин. Контроллер обрабатывает сигналы двух датчиков приближения;
Измерение абсолютного угла поворота с помощью индуктивного датчика;
Измерение перекоса детали;
Измерение биений и деформаций валов тихоходных турбин, генераторов, двигателей, редукторов, колесных пар подвижных составов;
Измерение расстояния с использованием наклонной металлической поверхности для увеличения эффективного диапазона измерений;
Измерение толщины бумаги. Такое решение может применяться для различия ситуации захвата более одного листа бумаги (или, например, жести). Применяется в типографских принтерах, сканерах, станках с автоподачей листового материала и т.д. Разрешение задается соотношением длин плеч копира.

Этот список можно продолжать без конца, так как он может быть ограничен только фантазией проектировщика.

Для более тесного знакомства с индуктивным датчиком приближения, реализуем на его основе небольшой проект, суть которого в следующем. Допустим у нас есть типичная ветрогенераторная установка, структура которой показана на рисунке №9

Рисунок №9 - структура ветрогенераторной установки
Как видно из рисунка, главной нагрузкой для ветрогенератора является банк аккумуляторных батарей. Но что делать в ситуации, когда АКБ полностью заряжен, а ветер никак не утихает. В таком случае ротор ветрогенератора ничем не нагружен и начинает разгоняться до сумасшедших оборотов. Всё это чревато механическим повреждением лопастей и прочими печальными событиями. Чтобы исключить этот сценарий, в систему вводится дополнительная нагрузка, например ТЭН для подогрева воды. Задача контроллера - считывать обороты ветрогенератора и подключать ТЭН при выходе этого показателя за верхнюю границу безопасности.

Исходя из вышеизложенного, следует, что индуктивный датчик приближения наилучшим образом подходит для подсчета скорости вращения, а плата Arduino будет принимать решение о коммутации основной или дополнительной нагрузки. На рисунке №10 показан вариант размещения индуктивного датчика с целью фиксации оборотов.

Рисунок №10 - положение индуктивного датчика для фиксации оборотов

Получается, что в момент прохождения металлического выступа над чувствительной поверхностью датчика, последний срабатывает и выдает команду микроконтроллеру на готовность отсчета времени. Как только металл пропадает из области видимости, Arduino начинает отсчёт. При следующем срабатывании датчика вычисляется время, за которое вал генератора сделал один полный оборот.

Если обороты соответствуют норме, то Arduino коммутирует генератор с аккумуляторной батареей, в противном случае, подключает дополнительную нагрузку в виде нагревательного ТЭНа. На рисунке №11 показана полная схема проекта.

Рисунок №11 - схема простого контроллера ветрогенераторной установки
В исходном состоянии аккумуляторная батарея через нормально замкнутый контакт реле подключена к генератору. Выход индуктивного датчика приближения соединен с выводом D2 Arduino, который впоследствии будет настроен на обработку внешних прерываний. Это позволит оперативно контролировать обороты вала генератора. При достижении максимальных оборотов, заданных в скетче, Arduino выдаст команду на переключение реле и тем самым подключит нагревательный ТЭН. После стабилизации оборотов схема вернется в исходное состояние. Для исключения частого срабатывания реле на пороговых значениях, в программу будет введен некоторый гистерезис. Ниже приведён полный код проекта с подробными комментариями.

 #define SPEED_HEATER_ON 1000 // Обороты, при которых будет включаться ТЭН #define SPEED_HEATER_OFF 900 // Обороты, при которых ТЭН будет отключаться #define PIN_RELAY 4 // Пин, к которому подключено реле volatile unsigned long lastTurnTime; // Время последнего оборота volatile int RPM; // Обороты в секунду // ФУНКЦИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК void setup() { Serial.begin(9600); // Инициализация связи с монитором порта attachInterrupt(0, getRPM, FALLING); // Прерывание на выводе №2 Arduino pinMode(PIN_RELAY, OUTPUT); digitalWrite(PIN_RELAY, LOW); // Изначально реле выключено } // ОСНОВНОЙ ЦИКЛ ПРОГРАММЫ void loop() { while(1) { Serial.println(RPM); // Выводим в монитор порта кол-во оборотов // Включаем ТЭН при превышении оборотов if(RPM >= SPEED_HEATER_ON) digitalWrite(PIN_RELAY, HIGH); // Выключаем ТЭН при стабилизации оборотов if(RPM <= SPEED_HEATER_OFF) digitalWrite(PIN_RELAY, LOW); } } // ОБРАБОТЧИК ВНЕШНЕГО ПРЕРЫВАНИЯ void getRPM() { // Вычисляем скорость вращения (об./мин.) RPM = 60/((float)(micros() - lastTurnTime) / 1000000); // Запомнить время последнего оборота lastTurnTime = micros(); }

Если Вам потребуется распечатать корпус для проекта на 3Д-принтере, то купить комплектующие для 3D-принтера можно у нас в магазине.

F.A.Q. Часто задаваемые вопросы.

Вопрос: Может ли индуктивный датчик приближения работать если на него попадает масло?
Ответ: Да, может. Масло не оказывает никакого влияния на датчик. Но длительное воздействие масла на изоляцию проводов может им навредить.

Вопрос: Что такое положительная и отрицательная логика работы индуктивного датчика приближения?
Ответ: Положительная или отрицательная логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

Вопрос: Как проверить индуктивный датчик?
Ответ: Для проверки датчика, необходимо подать на него питание и активировать его посредствам приближения металла. Как правило на каждом датчике присутствует световой индикатор, который будет загораться при вышеупомянутых действиях. Также следует помнить, что даже наличие индикации не гарантирует исправное состояние датчика. Чтобы полностью быть уверенным в его исправности, следует подключить нагрузку и измерить на ней напряжение.

Вопрос: Можно ли подключить к выходу NPN электромагнитное реле?
Ответ: Датчик должен обеспечивать нужный ток и напряжение для катушки реле, и логику работы (НО/НЗ). Кроме того, обычно параллельно катушке включают диод в обратном включении.

Вопрос: Какой основной недостаток индуктивных датчиков приближения?
Ответ: К основному недостатку можно отнести большой разброс пределов реагирования датчика при его нестабильном питании. Он достаточно требователен к качеству напряжения сети.