Czujniki zbliżeniowe: kryteria wyboru i ich zastosowanie w automatyce przemysłowej

| Technika

Wiele aplikacji w obszarze automatyki przemysłowej wymaga możliwości bezkontaktowego wykrywania obecności lub pozycji obiektu po to, aby zapewnić reakcję systemu lub bezpieczeństwo pracy. Czujnik zbliżeniowy idealnie nadaje się do tej roli, niemniej elementy te występują w wielu wersjach, w tym magnetycznych, pojemnościowych, indukcyjnych i optycznych, a dodatkowo materiał, z jakiego wykonany jest wykrywany obiekt, może wpływać na zdolność detekcyjną czujnika.

Czujniki zbliżeniowe: kryteria wyboru i ich zastosowanie w automatyce przemysłowej

Niektóre czujniki zbliżeniowe nadają się do wykrywania materiałów ferromagnetycznych, podczas gdy inne nadają się do dowolnego rodzaju metalu. Jeszcze inne mogą wykrywać wszelkiego rodzaju obiekty, w tym także obecność ludzi. Dlatego potencjalni użytkownicy czujników zbliżeniowych w aplikacjach przemysłowych muszą być świadomi możliwości i ograniczeń różnych typów i właściwości technologii detektorów zbliżeniowych i możliwości ich zastosowania w określonych sytuacjach.

W niniejszym artykule omówiono kilka popularnych typów czujników zbliżeniowych i podano szczegółowe informacje na temat typów obiektów, które mogą wykrywać oraz ich czułości. Przykładowe rozwiązania firm takich, jak Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse, Omron Electronics, MaxBotix i Carlo Gavazzi, są używane w tekście jako przykłady.

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe wykrywają obiekty metalowe, a ich zasięg detekcji jest zależny od rodzaju metalu, z jakiego wykonano obiekt. Czujniki te wykorzystują pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości, które jest wytwarzane przez cewkę będącą częścią obwodu rezonansowego. Przewodzący prąd obiekt, który znajdzie się w zasięgu linii sił tego pola magnetycznego, wymusza zaindukowanie się na powierzchni prądów wirowych, które z kolei tworzą przeciwne pole magnetyczne, które skutecznie zmniejsza indukcyjność cewki obwodu rezonansowego w czujniku.

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe działają według dwóch metod. W pierwszej, gdy obiekt zbliża się do czujnika, wartość zaindukowanych prądów wirowych rośnie, co zwiększa obciążenie obwodu oscylacyjnego, powodując spadek dobroci, a więc tłumienie drgań lub nawet zatrzymanie oscylacji. Czujnik wykrywa tę zmianę za pomocą detektora amplitudy i wysyła sygnał na wyjściu o wykryciu obiektu.

Alternatywna metoda wykorzystuje zmianę częstotliwości drgań zamiast amplitudy oscylacji. Obiekt z metalu niemagnetycznego, np. z aluminium lub miedzi, zbliżający się do czujnika powoduje wzrost częstotliwości oscylacji, podczas gdy przedmiot z metalu ferromagnetycznego, takiego jak stal, powoduje zmniejszenie częstotliwości generatora. Zmiana ta w stosunku do częstotliwości odniesienia powoduje zmianę stanu wyjścia czujnika.

Indukcyjny czujnik LDC0851HDSGT firmy Texas Instruments to przykład tego typu detektora zbliżeniowego o małym zasięgu, który wykorzystuje zmianę częstotliwości do wykrywania obecności przewodzącego obiektu w jego polu elektromagnetycznym (rys. 1).

 
Rys. 1. Czujnik zbliżeniowy LDC0851HDSGT wykorzystuje dwie cewki: czujnikową i odniesienia, które są używane do pomiaru różnicy indukcyjności spowodowanej pojawieniem się obiektu

Czujnik LDC0851 idealnie nadaje się do zastosowań związanych z bezkontaktowym wykrywaniem bliskości przedmiotów, do liczenia zdarzeń, w których wymagany zasięg wykrywania jest mniejszy niż 10 mm. Zmiana stanu wyjściowego następuje, gdy przewodzący obiekt porusza się w bliskim sąsiedztwie cewki czujnikowej. Konstrukcja różnicowa z dwoma cewkami (czujnikową i odniesienia) umożliwia określenie indukcyjności względnej, a histereza przełączania gwarantuje niezawodne przełączanie, bez podatności na wibracje mechaniczne, wahania temperatury lub wilgotność. Obie cewki czujnika są strojone za pomocą jednego kondensatora, który ustawia częstotliwość oscylacji w zakresie od 3 do 19 MHz. Wyjście przeciwsobne jest w stanie niskim, gdy indukcyjność wypadkowa układu pomiarowego jest poniżej progu odniesienia i w stanie wysokim, gdy jest powyżej.

Czujniki zbliżeniowe magnetyczne

Czujniki zbliżeniowe magnetyczne są używane do pomiaru położenia i prędkości poruszających się elementów metalowych. Mogą mieć sensor aktywny, taki jak czujnik Halla lub pasywny, jak element zmiennej reluktancji (VR). Wg tej drugiej metody działa przykładowy czujnik firmy Red Lion Controls o symbolu MP62TA00 (rys. 2, strona lewa). Mierzy on zmianę oporności magnetycznej, analogicznie do rezystancji elektrycznej i składa się z magnesu trwałego, nabiegunnika i cewki czujnikowej zamkniętej w cylindrycznej obudowie.

 
Rys. 2. Czujnik magnetyczny typu VR (po lewej) to pasywny detektor zbliżeniowy wykrywający zmianę pola magnetycznego między elementem nabiegunnikowym a metalową obudową

Obiekt z materiału ferromagnetycznego przechodzący blisko nabiegunnika powoduje zmianę pola magnetycznego, którego źródłem jest magnes stały. Ta zmiana z kolei generuje napięcie sygnału w cewce sygnałowej. Wielkość napięcia sygnału zależy od wielkości obiektu docelowego, jego prędkości i wielkości szczeliny między biegunem a obiektem. Obiekt docelowy musi być w ruchu, aby został tutaj wykryty. MP62TA00 ma obudowę gwintowaną o długości 25,4 mm, która jest uszczelnioną żywicą epoksydową i pracuje w zakresie temperatur od –40 do +107°C.

Sensory o zmiennej reluktancji są elementami pasywnymi, więc nie potrzebują źródła zasilania. W rezultacie zwykle znajdują zastosowanie w pomiarach maszyn wirujących. Na przykład elementy, takie jak MP62TA00, są powszechnie stosowane do wykrywania ruchu zębów na kołach zębatych lub klinów na paskach rozrządu. Mogą być również używane do wykrywania łbów śrub, rowków wpustowych lub innych szybko poruszających się metalowych części w różnego typu urządzeniach (rys. 3). Są ponadto stosowane jako obrotomierze do pomiaru prędkości obrotowej, a także parami do pomiaru mimośrodowości obracającego się wału.

 
Rys. 3. Czujniki z sensorem o zmiennej reluktacji (VR) są często używane do wykrywania zębów kół zębatych, krzywek i rowków wpustowych w elementach wirujących

Drugi typ czujnika magnetycznego wykorzystuje efekt Halla do wykrywania obecności pola magnetycznego. Efekt Halla dotyczy oddziaływania przewodu, przez który płynie prąd i pola magnetycznego prostopadłego do płaszczyzny przewodnika. Jego efektem jest pojawienie się napięcia proporcjonalnego do gęstości strumienia pola magnetycznego. Czujnik Halla wymaga, aby wykrywany obiekt był namagnesowany.

55100-3H-02-A firmy Littelfuse to zbliżeniowy czujnik Halla z montażem kołnierzowym, dostępny w wersji z wyjściem cyfrowym lub programowalnym analogowym wyjściem napięciowym (rys. 4)

 
Rys. 4. Schemat blokowy czujnika zbliżeniowego z efektem Halla 55100-3H-02-A do montażu kołnierzowego z wyjściem napięciowym

Element ten ma wymiary 25,5×11×3 mm i jest dostępny w wersji trójprzewodowej napięciowej lub dwuprzewodowej z wyjściem prądowym. Każdy wymieniony typ można zamówić w wersjach o dużej czułości (130 Gs), małej (59 Gs) lub takiej, gdzie czułość jest programowana. Zakres aktywacji czujnika wynosi 18 mm przy użyciu wzorcowego magnesu. Obciążalność wyjścia sięga napięć do 24 V prądów do 20 mA. Czujnik jest szybki – jego zdolność przełączania sięga 10 kHz i może wykrywać zarówno dynamiczne, jak i statyczne pola magnetyczne (obiekty nieruchome). Zdolność wykrywania statycznych pól magnetycznych jest jego główną zaletą, ponieważ może być używany do wykrywania otwarcia drzwi lub przesunięcia obiektu będącego normalnie w stałej pozycj

Optyczne czujniki zbliżeniowe

Optyczne czujniki zbliżeniowe wykorzystują promieniowane podczerwone lub widzialne do wykrywania obiektów. Mają tę zaletę, że obserwowany obiekt nie musi być magnetyczny ani metalowy – po prostu musi zasłaniać lub odbijać światło. Większość czujników optycznych emituje wiązkę promieniowania w kierunku obiektu i monitoruje światło odbite (rys. 5).

Czujnik EE-SY1200 firmy Omron Electronics jest dobrym przykładem optycznego czujnika zbliżeniowego (rys. 5, po prawej). Jest to ultrakompaktowe rozwiązanie do montażu na płytce drukowanej, które wykorzystuje emisję w zakresie podczerwieni (850 nm). Detektor składa się z emitera LED i pary fototranzystorów w obudowie SMD o wymiarach 1,9×3,2×1,1 mm. Pracuje w zakresie temperatur od –25 do +85°C, a jego zalecany zakres wykrywania wynosi 1–4 mm. Dzięki niewielkim wymiarom może być integrowany bezpośrednio wewnątrz urządzeń, bez konieczności używania wiązek kablowych i złączy, np. z użyciem podłoży elastycznych.

 
Rys. 5. Optyczny czujnik zbliżeniowy lokalizuje przedmiot emitując wiązkę światła i wykrywając jej odbicie od obiektu

Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe

Gdy niezbędne jest zapewnienie większej odległości, jak na przykład wykrywanie samochodów przed bramą garażu, z pomocą przychodzą czujniki ultradźwiękowe. Wykrywają one wszelkiego rodzaju obiekty z odległości do kilku metrów. Podstawą pomiaru jest czas przelotu impulsu ultradźwiękowego emitowanego z nadajnika, który odbija się od obiektu docelowego i odbierany jest przez odbiornik (rys. 6).

 
Rys. 6. Ocena odległości obiektu za pomocą ultradźwięków polega na pomiarze czasu od wygenerowanego impulsu ultradźwiękowego w nadajniku (po lewej) do momentu nadejścia echa odbitego od przedmiotu (po prawej). Ten czas jest dwukrotnie dłuższy od czasu przelotu dźwięku

Czas od wysłania impulsu do odebrania echa reprezentuje czas przelotu od czujnika do obiektu docelowego i z powrotem. Znając prędkość propagacji i ten czas, można obliczyć odległość. W przedstawionym przykładzie czas przelotu sygnału wynosi 3,1 ms. W przypadku powietrza w temperaturze 21ºC prędkość dźwięku wynosi 343 m/s, więc całkowita odległość do obiektu to 60 cm.

 
Rys. 7. MB1634-000 to ultradźwiękowy czujnik odległości firmy MaxBotix zawierający przetworniki nadawczo-odbiorcze zapewniające zasięg 5 m

MB1634-000 firmy MatBotix to ultradźwiękowy czujnik zbliżeniowy o zakresie pomiarowym 5 m zasilany napięciem od 2,5–5,5 V. Na wyjściu dostarcza sygnału analogowego, sygnału PWM lub może wysyłać dane cyfrowe szeregowo przy poziomie napięć TTL. Ma autokompensację zmian wielkości obiektu i wbudowany stabilizator. Opcjonalnie dostępna jest zewnętrzna kompensacja temperatury. Czujnik jest produkowany w obudowie o wymiarach 22,2×38×14,7 mm (rys. 7).

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe mogą wykrywać obiekty metalowe i niemetaliczne oraz produkty bezpostaciowe, jak proszki, granulaty, ciecze. Dobrym przykładem takiego produktu jest CD50CNF06NO firmy Carlo Gavazzi (rys. 8). Działa on podobnie do czujników indukcyjnych, z tym wyjątkiem, że cewki sensora indukcyjnego zostały zastąpione pojemnościową płytką detektora. Najczęściej jest używany do wykrywania poziomu cieczy w zbiornikach magazynowych.

Metalowa płytka detektora tworzy w tym przypadku z obiektem wykrywanym kondensator, którego pojemność zmienia się wraz z odległością od przedmiotu. Determinuje ona częstotliwość oscylatora, która jest monitorowana w celu przełączania stanu wyjściowego za każdym razem, gdy przekroczona zostanie wartość progowa.

 
Rys. 8. W typowym pojemnościowym czujniku zbliżeniowym (po lewej) metalowa płytka czujnikowa tworzy z zewnętrznym obiektem docelowym kondensator. Wartość tej pojemności określa częstotliwość oscylatora. Po prawej pokazano czujnik CD50CNF06NO tego typu fi rmy Carlo Gavazzi przeznaczony do monitorowania poziomu cieczy

Czujnik CD50CNF06NO jest przeznaczony do monitorowania poziomu cieczy. Jest podłączany za pomocą trzech przewodów i ma wyjście z tranzystorem NPN typu otwarty kolektor (NO). Wymaga zasilania napięciem stałym od 10 do 30 VDC. Jest dostępny w obudowie o wymiarach 50×30×7 mm i zapewnia zasięg wykrywania do 6 mm. W typowej aplikacji jest przykręcany lub przyklejany na zewnątrz niemetalowego zbiornika.

Podsumowanie

Czujniki zbliżeniowe wykorzystują wiele technologii detekcji, dzięki czemu nadają się do różnych aplikacji. W zależności od typu mogą wykrywać zarówno obiekty metalowe, jak i niemetaliczne, a odległość wykrywania waha się od milimetrów do ponad 5 m. Są to elementy wystarczająco kompaktowe, aby mogły być zainstalowane w ciasnych miejscach, a wiele z nich jest zdolnych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych. Szeroka gama technologii umożliwia spełnienie niezliczonych wymagań aplikacyjnych dotyczących wykrywania bezdotykowego przedmiotów.

 

Rolf Horn

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie