Принцип работы индуктивного датчика (положения, частоты вращения, перемещения и приближения)

Принцип действия и основные параметры индуктивных датчиков положения

Самым распространенным типом устройств в составе существующих АСУ ТП являются индуктивные датчики положения, их количество превышает 90% от всех применяемых дискретных датчиков положения. Любой технологический процесс в практически любой отрасли промышленности (пищевая, машиностроение, нефтегазовая, энергетика) требует отслеживать положение заслонок, приводов, клапанов, деталей и заготовок, подвижных элементов конструкций агрегатов и т.д. в автоматическом режиме.

Повсеместному распространению индуктивных датчиков послужили их надежность, отличные эксплуатационные характеристики и сравнительно низкая стоимость. Основными рабочими характеристиками индуктивных датчиков положения являются: диапазон срабатывания, степень защиты, рабочая температура и частота отклика.

Принцип действия индуктивных датчиков заключается в следующем. При подаче питания на датчик возбуждается первичная обмотка от переменного напряжения резонатор и тем самым создает вблизи себя электромагнитное поле. При помещении в зону действия электромагнитного поля металлического объекта, который, по сути, становится вторичной обмоткой, начинают наводиться токи вихревого характера, так называемые токи Фуко. Такое явление ведет к ухудшению добротности первичной обмотки, что в свою очередь приводит к изменению в сторону уменьшения амплитуды сигнала резонатора, из-за чего срабатывает компаратор (триггер Шмидта), далее сигнал усиливается посредством усилителя и выдается на выход датчика.

Параметры индуктивных датчиков положения и рекомендации по их применению

Чтобы правильно подобрать индуктивный датчик под определенную задачу необходимо знать ряд основных параметров, а также за какие функции эти параметры отвечают.

Наверное, главным параметром, указанным в паспорте на датчик является номинальный диапазон срабатывания. Он обозначается как Sn. Номинальный диапазон срабатывания, хотя и является основным параметром, но практического значения особо не имеет. Так как его значение получается при ряде ограничений связанных с внешними факторами, а именно: температура окружающей среды 20 градусов Цельсия, питающее напряжение 24 В постоянного или же 230 В переменного тока. А в качестве объекта должна использоваться стальная пластина, выполненная из определенной стали, квадратной формы с шириной в 3 раза больше ширины значения Sn и толщиной 1мм. Практическое же значение имеют такие параметры, как эффективный диапазон срабатывания Sr и полезный диапазон срабатывания Su. Значение Sr варьируется в пределах плюс минус 10% от номинального диапазона срабатывания, а измеряется в температурном диапазоне от 18 до 28 градусов Цельсия и при номинальном напряжении питания. Полезный диапазон срабатывания индуктивного датчика варьируется в пределах плюс минус 10% от эффективного и измеряется при напряжении питания равного 85% – 110% от номинального и температуре от -25 до +70 градусов Цельсия. Часто в техническом описании на датчик можно встретить такой параметр, как гарантированная зона (диапазон) срабатывания. Его нижняя граница равна 0, а верхняя значению 0.81Sn. Также важными параметрами индуктивных датчиков положения, влияющими на точность и достоверность измерений, являются гистерезис и повторяемость H и R соответственно. Гистерезисом называют расстояние между самыми дальними точками срабатывания датчика на объект при приближении и удалении последнего. Нормальным считается значение гистерезиса равное 0.2Sr.

Помимо свойств присущих непосредственно самому индуктивному датчику положения на диапазон срабатывания влияют свойства материала объекта, речь идет об электропроводимости и магнитной проницаемости. Для этого было введено понятие коэффициента редукции. Эталонным материалом считается Сталь 37, ее коэффициент редукции равен 1. Для других металлов коэффициент редукции имеет значение меньше 1. Например, нержавейка имеет коэффициент редукции 0.85, а медь всего лишь 0.3. То есть, если объектом срабатывания является медь, то диапазон срабатывания уменьшается до значения равного 0.3Sn.

Далее описываются другие, но не менее важные параметры индуктивных датчиков положения.

Напряжение питания датчика

Питание индуктивных датчиков может осуществляться как от источников постоянного тока, так и источников переменного тока. Для постоянного тока характерны диапазоны напряжений: 10-30В, 10-60В и 5-60В. Для переменного тока характерен диапазон: 98-253В. Также существуют индуктивные датчики имеющие универсальное питание, такие датчики можно запитать как от источника постоянного, так и от источника переменного тока.

Номинальный ток нагрузки

Параметр показывает, на какое значение тока рассчитан датчик при действии нагрузки продолжительный интервал времени. Стандартным является значение равное 200мА, но бывают спец исполнения датчиков рассчитанные и на 500мА.

Параметр показывает, с какой максимальной частотой, выраженной в герцах, датчик может осуществлять переключения. Для большинства промышленных применений хватает частоты отклика равной 1000Гц, а вот поднимать частоту выше 5кГц производителям датчиков нет особого смысла, так как такая частота будет выше, частоты выполнения стандартного цикла промышленного контроллера (ПЛК). Тем самым состояние такого датчика может быть неверно интерпретировано модулем ввода ПЛК.

При выборе датчиков также стоит обратить на степень защиты корпуса от брызг и пыли, и диапазон температуры при котором может работать индуктивный датчик. Стандартными являются степень защиты IP67, а температурный диапазон от минус 25 до плюс 70 градусов Цельсия.

ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ И ИХ ВИДЫ

Индуктивный датчик — устройство для измерения каких либо физических величин, преобразующий информацию в электрический сигнал. Основан на принципе изменения магнитного поля, генерируемого внутри, под воздействием металлического или ферромагнитного материала.

Используя различные электромеханические схемы, можно получить элементы контроля любых технических параметров — скорости, положения, перемещения, давления, частоты, уровня жидкости, много другого.

Индуктивные датчики — это бесконтактные устройства в герметическом корпусе, что позволяет их использовать во взрывопожароопасных средах, помещениях повышенной влажности, уличных условиях эксплуатации. Отсутствие движущихся частей и контактов, многократно увеличивает ресурс работы, надежность, по отношению к механическим аналогам.

Универсальность индуктивных элементов, простота монтажа и подключения, доступная стоимость дают возможность их применения во всех сферах жизни:

• промышленность и производство — автоматизация, контроль;
• техника — датчики давления, скорости, частоты, положения;
• безопасность — системы защитного отключения, блокировки, сигнализации;
• быт — приспособления контроля водоснабжения, освещения, открытия-закрытия дверей, элементы «умного дома».

УСТРОЙСТВО, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Индуктивные (или бесконтактные) датчики, несмотря на различную специфику, имеют схожее внутреннее устройство. Металлический либо пластиковый корпус залитый компаундом (электроизоляционный состав на основе эпоксидных смол, полимеров, битума), внутри располагаются генератор ЭМП, триггер (в аналоговых устройствах детектор), индикатор состояния (светодиод), усилитель сигнала.

Генератор состоит из полупроводникового элемента, производящего ток определенной частоты, который через катушку индуктивности, с ферритовым сердечником, создает переменное магнитное поле.

При вхождении в зону чувствительности датчика, токопроводящего материала (металлического сигнального флажка или другого исполнительного элемента), индуктивность системы меняется, в свою очередь, воздействую на амплитуду тока генератора. По достижении значений срабатывания, на триггере, формируется управляющий сигнал.

Усилитель увеличивает мощность импульса до необходимых значений, после чего, в зависимости от назначения прибора, он подается на коммутационный блок (размыкает — замыкает цепь) или далее, на средство измерения или АСУ.

По устройству датчики подразделяют на:

• одинарные — с одним магнитопроводом, ветвью измерения. Схема реализована в бесконтактных выключателях;
• дифференциальные — с двумя магнитопроводами ш-образной формы, взаимно компенсирующим воздействие на сердечник, что повышает чувствительность и точность измерений. По сути, представляют собой систему двух одинарных датчиков, с общим якорем;
• трансформаторные — коэффициент трансформации изменяется при перемещении якоря, генерируя определенное напряжение на выходе вторичной обмотки. Принцип используется в элементах фиксации угловых, небольших линейных перемещений.

Индуктивные датчики работают как на постоянном токе (напряжение 12, 24, 42, 60 В), так и на переменном (до 220 В). Характеризуются следующими параметрами:

• максимальный ток;
• частота переключений — для большинства моделей до 1-5 кГц;
• предел срабатывания — минимальное значение физической величины вызывающее отклик;
• скорость срабатывания (в микросекундах);
• климатическое исполнение — диапазон температур при которых устройство гарантированно работает (от -40 0 С до +60 0 С).

Преимуществами индуктивных элементов, перед аналогичными устройствами других принципов действия, являются:

• надежность конструкции — отсутствие движущихся элементов, контактов, полная герметичность, прочность;
• ресурс работы до 10 лет, не требуют какого либо обслуживания;
• высокая чувствительность, скорость и частота срабатывания;
• мощность выходного сигнала до 100 Вт и выше;
• доступность, широкий выбор типов и производителей.

Недостатки:

• требовательны к «чистоте» и постоянству питающего тока;
• чувствительны к воздействию внешних магнитных полей, возможно искажение выходного сигнала.

ПРИМЕНЕНИЕ И СПЕЦИФИКА

В промышленности и технике, индуктивные элементы постепенно вытесняют механические концевые выключатели. Индуктивный бесконтактный датчик замыкает-размыкает управляемую цепь при попадании металла в зону чувствительности.

Различные кинематические схемы позволяют использовать устройство для контроля состояния дверей, створок, люков, положения деталей, ограничения хода подвижных элементов, системах защитного отключения, блокировки включения.

Индуктивный датчик положения позволяет фиксировать перемещение объекта расстоянием от нескольких микрометров до сантиметров. По устройству, в большинстве случаев, это дифференциальный трансформатор. Ток со вторичной обмотки подается на систему автоматизированного управления, которая контролирует работу всего агрегата, линии, машины. По такому же принципу устроены элементы измерения углов поворота.

Индуктивный датчик давления имеет электромеханическую конструкцию. Основой является элемент фиксирующий перемещение, якорь которого соединен с поршнем или мембраной. Сила, возникающая в результате воздействия давления жидкости или газа, уравновешивается пружиной, вынуждает занимать якорь определенное положение. Информация переводится в форму электронного сигнала, передается на КИП или АСУ.

Индуктивный датчик скорости отличается от бесконтактных выключателей наличием блока измерения частоты импульсов. Зубчатое колесо, вращаясь, периодически воздействует на зону чувствительности, генерируя импульсы определенной частоты, зависящие от скорости движения. Частота сравнивается блоком измерений, передается далее на КИП, АСУ, либо коммутирующий элемент.

По аналогичному принципу работают приборы измерения частоты, направления вращения, положения коленчатого вала.

По типу подключения, количеству выходов, промышленность выпускает датчики:

• двухпроводные — включаемые непосредственно в управляемую сеть. Бесконтактные выключатели, элементы сигнализации, защиты.
• трехпроводные — питание выделено отдельно (как правило это синий и красный выводы), нагрузка — сигнал, третий (черный) проводник;
• четырехпроводные — имеют два выхода для передачи информации;
• пятипроводные — пятый, вход, используется для управления режимами работы.

ПРОИЗВОДИТЕЛИ И БРЕНДЫ

Российский рынок средств КИП представлен сотнями отечественных и зарубежных марок. Европейские производители, традиционно позиционируются как поставщики наиболее качественной, но и более дорогой продукции.

Наиболее известные IFM Electronic, Balluff, Turck.

IFM Electronic — немецкая корпорация выпускающая средства измерения, автоматики с 1969 года. Товарооборот превышает миллиард евро. Реализует «всю линейку» датчиков индуктивности, системы управления, идентификации.

Balluff — один из мировых лидеров по электротехнической продукции. Компания основана в 1929 году, немецким инженером Гебхардом Баллуфом. Сегодня, это международная корпорация представленная в 30 странах планеты. Производство организовано на территории США, Бразилии, Швейцарии, Японии, Венгрии.

AECO — итальянский бренд специализирующийся на выпуске датчиков, средств КИП, автоматики. Работают уже более 50 лет.

Отечественная продукция может не уступать по качеству и стоит на 20-30% дешевле западных аналогов. Известные марки ТЕКО, Сенсор.

НПК «Теко» – завод, более 25 лет, выпускающий электроавтоматику. Помимо индуктивных приборов известен оптическими, емкостными, сенсорными устройствами.

ЗАО «Сенсор» – екатеринбургская торгово производственная компания. Производит бесконтактные выключатели для работы в северной климатической зоне (до -60 0 С ).

Нижний ценовой диапазон занимают товары Китайской Народной Республики.

© 2014-2020 г.г. Все права защищены. Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Датчики приближения Autonics: индуктивные и емкостные

Область применения бесконтактных датчиков приближения постоянно расширяется. Их можно встретить в самых различных приложениях: в медицинских приборах, автоматизированных промышленных линиях, бытовой технике. Данная статья посвящена описанию основных принципов работы емкостных и индуктивных датчиков, а также обзору серий PRDCM и CR бесконтактных датчиков от A­utonics.

Что общего между индуктосином фрезерного станка, сенсорным экраном смартфона, датчиком закрытия двери автомобиля и светильником с автоматическим включением? Ответ достаточно прост — во всех приведенных приложениях используются датчики приближения.

Датчики приближения — элементы, позволяющие обнаруживать присутствие, приближение или удаление различных объектов. Это достаточно широкий класс устройств, который может быть разделен на группы, по различным признакам (рисунок 1).

Рисунок 1 — Виды датчиков приближения

По типу взаимодействия с объектом датчики приближения делят на контактные и бесконтактные.

Яркими примерами контактных датчиков являются концевые выключатели (например, датчики закрытия дверей в автомобилях).

Контактные датчики могут выполнять не только функцию включения и выключения, но и определять положение объекта, например, резистивные датчики уровня топлива. Для них выходным является аналоговый сигнал — значение сопротивления, пропорциональное уровню жидкости.

Достоинствами контактных датчиков является простота устройства и использования. Среди их недостатков можно отметить наличие механических подвижных частей и невозможность, в большинстве случаев, создать высокий уровень пыле- и влагозащищенности. Это приводит к сокращению срока службы. Гораздо более длительный ресурс и максимальную защиту от негативного воздействия внешней среды имеют бесконтактные датчики.

Бесконтактные датчики включают две группы: датчики положения и выключатели. Основная функция бесконтактных выключателей состоит в релейном переключении состояния выхода при обнаружении объекта. В датчиках положения на выходе формируется сигнал, зависящий от расстояния до объекта.

Каждая из групп содержит сенсоры с различными технологиями обнаружения: индуктивные, емкостные и фотоэлектрические.

Данная статья посвящена бесконтактным индуктивным и емкостным выключателям компании Autonics. Первая часть статьи дает общее описание принципа их работы и устройства. Далее приводится анализ их основных характеристик и особенностей. Заключительная часть содержит обзор двух серий выключателей Autonics: индуктивных PRDCM и емкостных CR.

Устройство и принцип действия индуктивных и емкостных датчиков приближения

Емкостные и индуктивные датчики способны обнаруживать присутствие объекта без непосредственного контакта с ним. При этом индуктивные выключатели чувствительны только к металлическим предметам, а емкостные способны детектировать любые предметы, диэлектрическая проницаемость которых отлична от воздуха (например, воду, дерево, металл, пластик и т.д.). Рассмотрим принцип работы каждого датчика отдельно.

Основным элементом индуктивного датчика является катушка индуктивности (рисунок 2). Она подключена к генератору. Переменное электрическое напряжение на ее выводах вызывает переменное магнитное поле. Линии поля будут перпендикулярны направлению тока в витках катушки.

Рисунок 2 — Принцип работы индуктивного датчика приближения

При отсутствии вблизи катушки металлических объектов линии магнитного поля замыкаются по воздуху. А амплитуда электрических колебаний будет максимальной.

Если же к катушке приближать металлический объект, то все большая часть силовых линий начнет замыкаться через него. Индуктивность катушки начнет увеличиваться. Этот процесс схож с процессом введения сердечника. При этом рост индуктивности приведет к уменьшению амплитуды и/или частоты колебаний.

Если такую систему снабдить детектором, то по изменению амплитуды сигнала можно судить о наличии металлического объекта, его приближении или удалении.

В основе работы емкостного датчика, как следует из названия, положено использование емкостных связей. Сам датчик, по сути, представляет собой одну из обкладок пространственного конденсатора. Второй обкладкой является земля. В качестве диэлектрика выступает преимущественно воздух. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха мала (ε=1), то емкость такого конденсатора не велика. Если же к датчику начинает приближаться некоторый объект с более высоким значением ε, то суммарная емкость начнет увеличиваться (рисунок 3).

Рисунок 3 — Принцип работы емкостного датчика приближения

Таким образом, по величине емкости можно судить о наличии объекта, его приближении или удалении. При этом материал объекта может быть практически любым, важным является только значение его диэлектрической проницаемости.

Как правило, для измерения используются схемы с преобразованием емкости в частоту или амплитуду колебаний, которые измеряются с помощью детектора. В итоге, как и в случае с индуктивным датчиком необходимо наличие двух обязательных элементов: генератора и детектора (рисунок 4).

Рисунок 4 — Структурные схемы датчиков приближения

Емкостные и индуктивные выключатели имеют выходной сигнал релейного типа (включен или выключен) (рисунок 5). По этой причине, схема датчиков имеет переключательный элемент — триггер, который для предотвращения ложных срабатываний снабжен гистерезисом.

Рисунок 5 — Формирование выходных сигналов выключателей

Рассмотрим основные характеристики бесконтактных выключателей.

Основные характеристики и особенности датчиков приближения

Дадим краткую характеристику основным параметрам датчиков приближения.

Зона чувствительности или активная зона (Sensing Distance) (мм). Как было показано выше, диапазон действия датчиков приближения ограничен. Значительное изменение измеряемой емкости и индуктивности наблюдается вблизи чувствительного элемента сенсора (рисунок 2, 3).

Сенсор начинает «чувствовать» объект только на достаточно близких расстояниях, сравнимых с размерами самого датчика. Эта зона чувствительности называется активной зоной. В случае индуктивных датчиков она определяет область наибольшей плотности линий магнитного поля.

Расстояние срабатывания (мм). После попадания объекта в активную зону датчик переключается не сразу, а при достижении некоего поргового значения, которое задается внутренним триггером с гистерезисом.

Гистерезис. Он необходим для исключения ложных срабатываний. При этом включение и выключение датчика происходит при различном уровне колебаний.

Рабочий зазор (Setting Distance), (мм) — расстояние, на котором гарантированно обнаруживается заданный объект.

В последнем определении использовался термин «заданный объект». Необходимо сделать дополнительные пояснения. Дело в том, что все перечисленные характеристики не являются жестко заданными. На их величину влияет целый ряд факторов: материал и размер объекта, температурный дрейф, технологические параметры самого датчика. По этой причине все приведенные характеристики измеряются при использовании конкретного объекта при нормальной температуре (обычно 20 или 25 °С).

Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры индуктивных датчиков. Как было показано выше, приближающийся металлический объект выступает в роли сердечника для чувствительной катушки. Очевидно, что материал и форма сердечника оказывает значительное влияние на значение индуктивности.

По этой причине все номинальные характеристики относятся к конкретному объекту, который всегда указывается в документации на датчик. Обычно это железная квадратная пластина с заданными размерами.

Если предполагается использовать другой материал, то необходимо использовать поправочный коэффициент редукции (таблица 1).

Таблица 1 — Примеры коэффициентов редукции индуктвных датчиков

Индуктивные датчики. Разновидности, принцип работы

Индуктивный датчик приближения. Внешний вид

В промышленной электронике индуктивные, оптические и другие датчики применяются очень широко.

Долго и постоянно имею с ними дело, и вот решил написать статью, поделиться знаниями.

Статья будет обзорной (если хотите, научно-популярной). Приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.

Виды датчиков

Итак, что вообще такое датчик. Датчик – это устройство, которое выдаёт определённый сигнал при наступлении какого-либо определённого события. Иначе говоря, датчик при определённом условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал.

Точнее можем посмотреть в Википедии:Датчик (сенсор, от англ. sensor) — понятие в системах управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

Там же и много другой информации, но у меня своё, инженерно-электронно-прикладное, видение вопроса.

Датчиков бывает великое множество. Перечислю лишь те разновидности датчиков, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.

Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия – датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут “proximity sensor”. Фактически это – датчик металла.

Оптические. Другие названия – фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются “датчик освещённости”

Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.

Давления. Давления воздуха или масла нет – сигнал на контроллер или рвёт аварийную цепь. Это если дискретный. Может быть датчик с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.

Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него наезжает или давит объект.

Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.

Пока хватит, перейдём к теме статьи.

Принцип работы индуктивного датчика

Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.

В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.

Поле индукционного датчика. Металлическая пластина меняет резонансную частоту колебательного контура

И схема, содержащая компаратор, выдаёт сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла – нет сигнала.

Схема индуктивного npn датчика. Приведена функциональная схема, на которой: генератор с колебательным контуром, пороговое устройство (компаратор), выходной транзистор NPN, защитные стабилитрон и диоды

Большинство картинок в статье – не мои, в конце можно будет скачать источники.

Применение индуктивного датчика

Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма. Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, пускателя, и так далее. Единственное условие – соответствие по току и напряжению.

Работа индуктивного датчика. Флажок движется вправо, и когда достигает зоны чувствительности датчика, датчик срабатывает.

Кстати, производители датчиков предупреждают, что не рекомендуется подключать непосредственно на выход датчика лампочку накаливания. О причинах я уже писал – ток при включении лампы значительно превышает номинальный.

Характеристики индуктивных датчиков

Чем отличаются датчики.

Почти всё, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим и ёмкостным датчикам.

Конструкция, вид корпуса

Тут два основных варианта – цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса – металл (различные сплавы) или пластик.

Диаметр цилиндрического датчика

Основные размеры – 12 и 18 мм. Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.

Чтобы закрепить датчик 18 мм, нужны 2 ключа на 22 или 24 мм.

Расстояние переключения (рабочий зазор)

Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надёжное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние – от 0 до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм – до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков – до 20…30 мм.

Количество проводов для подключения

Подбираемся к схемотехнике.

2-проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки.

2-проводный датчик. Схема включения

Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением – не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Можно вообще не думать, как их подключать. Главное – обеспечить ток.

3-проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один – для нагрузки. Подробнее расскажу отдельно.

4- и 5-проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод – выбор режима работы или состояния выхода.

Виды выходов датчиков по полярности

У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента:

Релейный. Тут всё понятно. Реле коммутирует необходимое напряжение либо один из проводов питания. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка от схемы питания датчика, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением. Используется в основном в крупногабаритных датчиках.

Транзисторный PNP. Это – PNP датчик. На выходе – транзистор PNP, то есть коммутируется “плюсовой” провод. К “минусу” нагрузка подключена постоянно.

Транзисторный NPN. На выходе – транзистор NPN, то есть коммутируется “минусовой”, или нулевой провод. К “плюсу” нагрузка подключена постоянно.

Можно чётко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод и коммутируется. Другой провод подключен к нагрузке постоянно.

Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.

Виды датчиков по состоянию выхода (НЗ и НО)

Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров – электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).

Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание) либо выключен. Соответственно, говорят – нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт либо нормально открытый (НО) контакт. В иностранной аппаратуре, соответственно – NС и NО.

То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков – то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода:

Контакты датчиков также могут быть с задержкой включения или выключения. Про такие контакты также сказано в статье про приставки выдержки времени ПВЛ. А почему датчики, отвечающие за безопасность, должны быть обязательно с НЗ контактами – см. статью про Цепи безопасности в промышленном оборудовании.

Кстати, если Вам вообще интересно то, о чем я пишу, подписывайтесь на получение новых статей и вступайте в группу в ВК!

Положительная и отрицательная логика работы

Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле).

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ или ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ логика: вход контроллера активизируется (логическая “1”) при подключении к ЗЕМЛЕ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В=. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика: вход активизируется при подключении к +24 В=. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с ЗЕМЛЕЙ. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.

Существуют варианты различных устройств и подключения к ним датчиков, спрашивайте в комментариях, вместе подумаем.

Продолжение статьи – здесь. Во второй части даны реальные схемы и рассмотрено практическое применение различных типов датчиков с транзисторным выходом.

Бесконтактные датчики приближения

Принцип работы

Ультразвуковые датчики приближения

Принцип работы ультразвуковых датчиков основан на измерении времени между посылкой ультразвукового импульса и регистрацией отражённого импульса.

Диапазон измерений – от нескольких миллиметров до нескольких метров. Точность измерения – 1 мм.

Измеряет расстояние до любых предметов: твёрдых, жидких, порошкообразных, гранулированных, прозрачных, цветных, грязных и чистых, гладких и шероховатых, сухих и мокрых.

Нечувствительны к звуку, шуму, пыли, вибрации, температуре, воде.

Применения: измерение размера, высоты, уровня, качества, контура, прогиба, диаметра, дистанции.

Ограничения: спроектированы для работы только в атмосферном воздухе, не могут измерять расстояние до объектов с высокой температурой.

Функции

• Датчики рассеянного луча (Diffuse) Датчик регистрирует ультразвуковой сигнал, отражённый от самого предмета.
• Датчики отражённого луча (Reflex) Датчик регистрирует ультразвуковой сигнал, отражённый от специального металлического отражателя. Если между датчиком и отражателем появляется предмет, то сигнал не проходит и датчик это регистрирует.
• Датчики прерывания луча (Thru-beam) Датчик состоит из двух частей и регистрирует предметы, находящиеся на пути распространения узкосфокусированного ультразвукового луча от передатчика к приёмнику.
• Синхронизация Несколько близко расположенных друг к другу ультразвуковых датчиков могут быть синхронизированы между собой так, чтобы отражённые сигналы регистрировались только теми датчиками, которые их сгенерировали, а не соседними.

Фотоэлектрические (оптические) датчики приближения

Различают фотоэлектрические датчики со световым и лазерным лучом. Световые датчики могут только детектировать наличие объекта, цвет и контрастность, а лазерные датчики могут с высокой точностью измерить расстояние до объекта. Принцип измерения расстояния лазерными датчиками основан на измерении времени между посылкой лазерного импульса и регистрацией отражённого импульса.

Ультразвук распространяется внутри конуса с вершиной в точке излучения, а свет распространяется в виде луча, поэтому оптические датчики могут обнаруживать более мелкие объекты. Оптические датчики обладают более высоким быстродействием, чем ультразвуковые. Фотоэлектрические Thru-beam датчики действуют на большем расстоянии, чем ультразвуковые, а датчики рассеянного света – наоборот.

Функции

• Датчики рассеянного света Датчик регистрирует световой сигнал, отражённый (рассеянный) от самого предмета. Датчик с функцией подавления фона может обнаруживать объекты, находящиеся в определённой зоне чувствительности.
• Датчики отражённого света Свет, излучаемый диодом, фокусируется линзой и через поляризационный фильтр посылается на отражатель. Часть отражённого света проходит через другой поляризационный фильтр и попадает в приёмник. Фильтры настроены так, что приёмник реагирует только на тот свет, который отразился от отражателя, а не от какого-нибудь другого предмета. Если между излучателем и отражателем появляется предмет, то сигнал не проходит и датчик это регистрирует.
• Датчики прерывания луча Датчик состоит из двух частей и регистрирует предметы, находящиеся на пути распространения светового луча от излучателя к приёмнику.
• Оптоволоконные проводники Оптоволоконные проводники присоединяются к излучателю и приёмнику, так что световой сигнал распространяется теперь между кончиками этих световодов, которые можно вынести в труднодоступные и взрывоопасные места (так как нет электрической связи – только оптическая)
• Лазерный датчик рассеянного луча Лазерный датчик может с высокой точностью измерять расстояние до объекта, находящегося в зоне чувствительности.
• Датчик цвета Датчик может различать три цвета и несколько градаций каждого цвета.
• Датчик контраста Различает контрастные объекты

Как выбрать

Общее для всех датчиков приближения

• Степень защиты корпуса
• Класс взрывозащиты
• Температура окружающей среды
• Напряжение питания
• Номинальный рабочий ток
• Выходной сигнал
  • PNP/NPN
  • Релейный (NO / NC)
  • Аналоговый
    • 0..20 мА
    • 4..20 мА
    • 0..10 В
  • Частотный выход
  • IO-Link
  • AS-i
• Подключение:
  • Коннектор М8
  • Коннектор М12
  • Кабель.

Ультразвуковые датчики

• Принцип работы:
  • Рассеянного луча (Diffuse)
  • Отражённого луча (Reflex)
  • Прерывания луча (Thru-beam)
• Зона чувствительности
• Погрешность измерения
• Точность повторения измерений
• Настраиваемая зона нечувствительности (гистерезис)
• Стандартный размер предмета
• Частота переключения
• Задержка срабатывания
• Задержка готовности после подачи питания
• Температурная компенсация
• Функция синхронизации нескольких датчиков
• Конструкция
  • Со встроенным сенсором
    • С фиксированным положением головки сенсора
    • С крутящейся головкой сенсора
  • С выносным сенсором (на какое расстояние)
• Настройка:
  • С помощью потенциометров
  • С помощью программатора
• Специальные функции:
  • Контроль листов в стопке (бумаги, картона или пластика).

Фотоэлектрические (оптические) датчики

• Принцип работы:
  • Рассеянного луча
  • Отражённого луча
  • Прерывания луча
  • Датчик контраста
  • Датчик цвета
  • Лазерный датчик
• Зона чувствительности
• Точность измерения (для лазерных датчиков)
• Световой выход
• Вход деблокировки (для тестирования работоспособности).

Индуктивные датчики приближения

• Рабочая дистанция
• Схема подключения:
  • 2-х проводная
  • 3-х проводная
  • 4-х проводная
• Время отклика
• Частота переключения
• Задержка готовности после подачи питания
• Точность повторения измерений
• Температурный дрейф
• Размеры свободной зоны (в границах которой не должны находиться посторонние металлические предметы)
• Зона гистерезиса (например, объект обнаруживается при приближении на расстояние менее 3 мм, а теряется из вида при удалении на расстояние более 5 мм)
• Коэффициент редукции (если есть).

Емкостные датчики приближения

• Рабочая дистанция
• Схема подключения:
  • 2-х проводная
  • 3-х проводная
  • 4-х проводная
• Точность повторения измерений.