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

Принцип работы индуктивных датчиков перемещения

Предлагаем Вам ознакомиться с физическими основами работы индуктивных датчиков перемещения производства компании RDP Electronics Ltd (United Kingdom), с их основными параметрами, преимуществами и сферами применения.

Сам термин LVDT (Linear Variable Differential Transformer) – означает линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи.

Рассмотрим принцип работы датчиков на LVDT технологии.

Первичная возбуждающая обмотка
Вторичная обмотка 1
Вторичная обмотка 2
Результирующий сигнал от суммы вторичных обмоток

В принципе имеется две схемы работы — с выходным напряжением и выходным током.

Схема работы с выходным током (4-20мА)

Схема работы с выходным напряжением

Рассмотрим более детально сам процесс измерения перемещения.

Датчик перемещения, работающий по технологии LVDT, состоит из трех обмоток трансформатора — одной первичной и двух вторичных. Степень передачи тока между первичной и двумя вторичными обмотками определяется положением подвижного магнитного сердечника, штока. Вторичные обмотки трансформатора соединены в противофазе.

При нахождении штока в середине трансформатора, напряжение на двух вторичных обмотках равны по амплитуде, а т. к. они соединены противофазно, суммарное напряжение на выходе равно нулю — перемещения нет.

Если шток перемещается от серединного положения в какую либо сторону — происходит увеличение напряжения в одной из вторичных обмоток и уменьшение в другой. В результате суммарное напряжение будет не нулевым — датчик будет фиксировать смещение штока.

Соотношение выходной фазы сигнала по сравнению с фазой возбуждающего сигнала дает возможность электронике понять, в какой части обмотки находится в данный момент шток.

Основная особенность принципа работы индуктивных датчиков перемещения состоит в том, что прямой электрический контакт между чувствительным элементом и трансформатором отсутствует (связь осуществляется через магнитное поле), что дает пользователям абсолютные данные по перемещению, теоретически бесконечную точность разрешения и очень долгий срок службы датчика.

Особенности схемы работы с выходным током — т. к. цепь генератор/демодулятор встроена в сам датчик перемещения и питается от выходного тока 4-20 мА, то нет необходимости во внешнем оборудовании для формирования сигнала.

Особенности схемы работы с выходным напряжением — цепь генератор/демодулятор, встроенная в датчик перемещения обеспечивает возбуждение и преобразует сигнал обратной связи в напряжение постоянного тока. При этом так же не требуется внешнее оборудование для формирования сигнала.

Особенности измерения выходного сигнала.
1) Если выходное напряжение измеряется не фазочувствительным (среднеквадратичным) вольтметром, то отклонение штока в любую сторону от центрального положения в трансформаторе датчика будет соответствовать увеличению выходного напряжения.

Заметим, что кривая не касается горизонтальной оси. Это происходит из-за остаточного выходного напряжения.

2) Если используется фазочувствительная демодуляция, то по выходному сигналу можно судить, в какой части трансформатора находится шток в данный момент.

Для формирования сигнала всегда используется фазочувствительная демодуляция, т.к. это исключает влияние на выходной сигнал остаточного выходного напряжения и позволяет пользователю знать положение штока в трансформаторе.

Диапазон линейности индуктивного датчика перемещения.
Если мы рассмотрим выходную кривую вне механического диапазона типичного LVDT датчика, то можно заметить, что на краях диапазона кривая изгибается. Это значит, что механический диапазон существенно шире линейного участка работы.

При калибровке датчика, важно, что электрическая нулевая точка используется в качестве ссылки, и что датчик используется в пределах ± FS (полного диапазона) вокруг электрического нулевом положения.

Если проводить калибровку не беря за основу точку ноля вольт, одно из положений полного диапазона будет за пределами линейного диапазона и, следовательно, может привести к ошибке линейности.

Типы индуктивных датчиков перемещения

Тип 1 – несвязанные преобразователи, которые имеют якорь, который отделен от тела корпуса. Части датчика должны быть установлены таким образом, что якорь не прикасался к внутренней трубке корпуса. Сделав это, можно получить абсолютное отсутствие трения при движении чувствительного элемента датчика.

Тип 2 – монолитные преобразователи, которые имеют тефлоновый подшипник, который направляет якорь (шток) по внутренней трубке.

Тип 3 – монолитные преобразователи с возвратной пружиной, которая толкает якорь (шток) наружу.

Внутреннее строение типичного индуктивного датчика перемещения LVDT

Преимущества индуктивных датчиков перемещения LVDT

1. Преимущества над линейными потенциометрами (POTS).

Не имеют контакта корпуса и внутренних деталей с чувствительным элементом, что означает, что нет никакого износа при движении штока. POTS датчики имеют контакт с чувствительным элементом и могут быстро изнашиваются, особенно под воздействием вибрации.
Можно легко обеспечить защиту от влаги и пыли на требуемом уровне, даже стандартные версии LVDT датчиков обычно имеют гораздо лучший уровень защиты от внешний воздействий, чем POTS.
Вибрация не вызывает влияния на пропадание сигнала, в отличие от POTS, где скользящий бегунок может прервать контакт с проводником при вибрации.

2. Преимущества над магнитострикционными датчиками.

Не восприимчивы к ударам и вибрации.
Менее восприимчивы к паразитным магнитным полям окружающей среды.
Система формирования сигнала может быть удалена от чувствительного элемента на некоторое расстояние, что позволяет использовать датчики при работе с высокой температурой и высоким уровнем радиации.
Магнитострикционные датчики не имеют короткого штока ±100мм или менее, а это как раз наиболее востребованный диапазон технического применения датчиков перемещения.

3. Преимущества над кодерами (датчиками положения).

Имеют лучший аналоговый частотный отклик.
Имеют более прочный корпус.
Сразу после включения «знают» положение штока, в отличии от кодеров, которым надо указывать постоянную ссылку на известное положение.

4. Преимущества над переменными векторными резистивными преобразователями (VRVT)

LVDT датчики как правило более дешевы.
Имеют меньший диаметр корпуса.
Более прочные и не изнашиваются.
Могут использоваться значительно дольше.

5. Преимущества над линейными емкостными датчиками

LVDT датчики как правило более дешевы.
Менее восприимчивы к внешним условиям эксплуатации.
Значительно более прочные.

Особенности индуктивных датчиков перемещения LVDT

Максимальная рабочая температура 600°C.
Минимальная рабочая температура –220°C (для справки, температура жидкого азота -196°C, температура жидкого гелия -269°С).
Могут работать при уровне радиации 100,000 рад.
Могут работать при давлении 200Бар.
Могут работать под водой, при этом вода может попадать внутрь датчика не причиняя ему вреда. Существует специальная серия подводных датчиков, которые могут без тех. осмотра работать под водов в течении 10-ти лет, работать под водой на глубине до 2,2км. Кабельные разъемы могут подсоединяться так же под водой.

Основные сферы применения LVDT датчиков

Промышленные измерительные системы

Регулирующие вентили — везде, где существуют регулирующие вентили индуктивные датчики перемещения могут быть использованы для контроля положения штока вентиля. Особенно, где есть ответственные участки работы, например, в клапанах пара для турбин на электростанциях.
Контроль положения шлюзов – погружные датчики перемещения подходят для измерения положения шлюзов в водохозяйственных и канализационных системах.
Измерение зазора между валками.
Для поддержания равномерной толщины проката зазор между валками часто измеряется на обоих концах.
Контроль перемещения штоков вентилей на подводных нефте/газо проводах.
Контроль работы гидравлических активаторов — измерение перемещения объекта, который передвигает активатор. Благодаря очен высокой износостойкости, данные LVDT датчики перемещения могут выдерживать миллионы циклов перемещения.
Контроль положения/перемещения режущих инструментов, отрезающих рулонные материалы.
Измеряет положение/смещение роликов, которые используется для выпрямления полосового проката перед штамповкой.
Могут быть использованы для динамического измерения размеров (диаметров) рулонов продукта, например, инициировать сигнал к системе управления, когда рулон достигает максимального/минимального размера при наматывании/сматывании материала.

Станки

Могут быть использованы в испытательных приспособлениях для измерения круглости, плоскостности и т.д. частей машин для анализа качества их изготовления.
Могут быть использованы для оценки и контроля взаимного расположения компонентов деталей в сборке, когда требуется юстировка/подгонка размеров взаимного расположения деталей.

Авиация/космонавтика

Могут быть использованы для оценки реакции привода на действие активатора. Например, преобразователь измеряет положение отклонения закрылков крыла самолета при техническом обслуживании. Тут очень важно измерить скорость срабатывания активатора после подачи на него управляющего сигнала, а так же скорость изменения положения закрылков.
Анализ Ротора вертолета
Датчики LVDT используются на вертолетах, чтобы измерить угол наклона лопастей ротора.
Могут быть использованы для оценки смещения корпуса двигателя при нагревании.
Могут быть использованы для измерения смещения (деформации) лопасти турбины при внешнем воздействии.
Могут быть использованы для измерения отклонения диафрагмы сопла реактивного двигателя.
Могут быть использованы для испытания крыльев самолетов для измерения их отклонения при нагрузке.

Строительство / Проектирование зданий и сооружений

Могут быть использованы для измерения вибрации или деформации мостов при изменении трафика движения или порывов ветра.
Могут быть использованы для измерения смещения грунта при строительстве, контроля оползней и насыпных дамб.
Могут быть использованы при испытании крупногабаритных строительных конструкций, балок, пролетов моста и т. д. на силовую деформацию.

Автомобилестроение

Могут быть использованы для контроля смещения корпуса двигателя при его испытаниях.
Идеальным применением LVDT датчиков может быть тестирование компонентов подвески автотранспорта.
Могут быть использованы для контроля изготовления прецизионных компонентов.
Могут быть использованы для настройки компонентов двигателя, таких как дизельные форсунки.
Могут быть использованы для тестирования сидений, дверей, педалей и ручек транспортных средств для моделирования продления их срока службы.
Могут быть использованы для измерения профиля поверхности заготовки, например стекла или других площадных объектов.

Выработка энергии

Могут быть использованы для измерения биения вала турбины.
Могут быть использованы для контроля положения главного парового клапана, который регулирует поток пара в турбину. Клапан постоянно корректирует свое положения для поддержания постоянной скорости вращения турбины. LVDT датчики идеально подходят для работы в зоне высоких температур, грязи и постоянной вибрации.
Могут быть использованы для контроля положения перепускного клапана. Когда откроется перепускной клапан, датчик может испытать температуру 200°C.

Принцип работы и виды индуктивных датчиков, способы подключения

Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.

Общее описание и назначение

Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.

По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.

Одинарные

Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.

Дифференциальные

Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.

Устройство и схема

Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.

Генератор

Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.

Триггер Шмидта

Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.

Усилитель

Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.

Специальный индикатор

Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.

Компаунд

Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.

Принцип работы

Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.

В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.

Параметры

Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.

Напряжение питания

Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.

Минимальный ток переключения

Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.

Рабочие расстояния

Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.

Частота переключения

Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.

Способ подключения

Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.

Трехпроводные

Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.

Четырехпроводные

Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.

Двухпроводные

Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.

Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.

Пятипроводные

Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.

Цветовая маркировка

Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:

минус обычно указывается синим;
плюс — красным;
выход — черным;
белый — дополнительный выход или же вход управления, что определяется типом используемого датчика.

Погрешности

Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.

Электромагнитная

Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.

От температуры

Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.

Магнитной упругости

Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.

Деформация элементов

Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.

Кабеля

Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.

Старение

Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.

Технологии

Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.

Сферы использования

Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.

Медицинские аппараты

Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.

Бытовая техника

В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».

Автомобильная промышленность

Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.

Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации.

Робототехническое оборудование

В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.

Промышленная техника регулирования и измерения

Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.

Индукционные датчики следующего поколения

Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.

К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:

снижение стоимости и веса, более компактные размеры;
возможность выбора практически любых форм-факторов;
повышение точности реагирования на металлические объекты;
возможность проведения замеров, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
упрощение конструкции;
возможность устанавливать несколько индукционных датчиков близко друг к другу из-за высокой электромагнитной совместимости.

Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.

Что такое индуктивный датчик и как он работает?

Для обеспечения нормальной работы двигателя используется множество механизмов и контроллеров, предназначенных для выполнения разных функций. Одним из таких девайсов является индуктивный датчик. Что это за контроллер, каков его принцип работы, какие бывают виды устройств? Об этом мы поговорим ниже.

Характеристика индуктивных преобразователей

Индуктивный датчик или бесконтактной системы зажигания представляет собой бесконтактное устройство, предназначенное для контроля положения того или иного объекта, выполненного из металла. Это важно, поскольку девайс может проявлять чувствительность только к металлу.

Функции и принцип действия

Принцип действия девайса основан на изменении амплитуды колебаний генераторного устройства, встроенного в контроллер, при внесении в активную зону определенного металлического объекта. Соответственно, применение девайса возможно только с такими типами объектов. При подаче напряжения на конечный выключатель, который находится в зоне чувствительности, появляется магнитное поле. Это поле способствует образованию вихревых токов, влияние которых отражается на изменении амплитуды колебаний генераторного устройства.

В итоге такие преобразования способствуют появлению аналогового выходного импульса, значение которого может быть разным в зависимости от расстояния между контроллером и объектом. Индуктивный датчик перемещения играет очень важную роль для узлов, которые используются для отслеживания изменения места расположения металлических объектов. Благодаря контроллеру определяется, правильно ли расположен тот или иной объект или нет. В том случае, если предмет находится не там, где нужно, система управления должна будет предпринять все необходимые действия для того, чтобы обеспечить нормальную работу устройства.

Что касается устройства контроллера, то девайс состоит из следующих элементов:

Генераторный узел, предназначенный для образования электромагнитного поля, которое, в свою очередь, используется для создания зоны активности с объектом.
Усилительное устройство. Используется для повышения значения амплитуды импульса, чтобы сигнал мог достигнуть нужного параметра.
Триггер Шмитта. Этот элемент предназначен для обеспечения гистертезиса при переключении девайса.
Диодный элемент, который свидетельствует о состоянии контроллера. Также светодиод позволяет обеспечить наиболее оптимальный контроль функционирования девайса и указать на оперативность настройки.
Следующий элемент — компаунд. Его предназначение заключается в обеспечении защиты девайса от попадания влаги внутрь корпуса, а также грязи и пыли, что может привести к его поломке.
Сам корпус. Корпус контроллера предназначен для обеспечения установки девайса, а также его защиты от всевозможных механических повреждений. Как правило, корпус выполняется из латуни либо полиамида, а также он оснащается всеми необходимыми фиксаторами для крепления (автор видео — канал Lty D).

Типы контроллеров

Системы с индуктивным датчиком могут использовать разные устройства, которые отличаются между собой по следующим параметрам:

Конструкция девайса, а также тип корпуса, который может быть прямоугольным либо цилиндрическим. Что касается материала, из которого выполняется сам корпус, то он может быть либо металлическим, либо пластмассовым.
Если речь идет о цилиндрических деталях, то они могут иметь разные размеры корпуса. Как правило, диаметры корпуса составляют 12 и 18 мм, но можно найти и другие девайсы- 4, 8, 22 мм и т.д.
Следующий параметр — рабочий люфт девайса, составляющий расстояние до стальной пластины контроллера. Для небольших по размерам контроллеров этот показатель составляет от 0 до 2 мм, для контроллеров, диаметр которых составляет 12 и 18 мм, рабочий зазор должен быть 4 и 8 мм соответственно.
Число проводов для подключения к бортовой сети. Двухпроводные устройства более удобны в плане установки, однако они чувствительно относятся к нагрузке — при слишком высоком или низком сопротивлении их работа может быть нарушена. Трехпроводные детали на сегодняшний день считаются самыми распространенными, в данном случае два контакта используется для питания, а еще один — для нагрузки. Есть также пяти- и четырехпроводные регуляторы, в которых пятый контакт используется для выбора режима функционирования.
Еще один параметр, по которым устройства могут отличаться, заключается в различии полярности. Релейные датчики позволяют коммутировать нужное значение напряжения или один из контактов питания. В транзисторных датчиках типа PNP на выходе устанавливается специальный транзисторный элемент, позволяющий коммутировать плюсовой выход. Что касается минуса, то в данном случае он подключен постоянно. Также есть транзисторные устройства NPN, в данном случае постоянно запитан плюс, а мину коммутируется транзисторным элементом.

Фотогалерея «Схемы подключения»

Достоинства и недостатки

Индуктивный датчик вращающихся оборотов (к примеру, ДПКВ) или другого типа, как и любое устройство, может иметь свои достоинства и недостатки. Предлагаем с ними ознакомиться.

Начнем с преимуществ:

Во-первых, такие регуляторы характеризуются достаточно простой конструкцией, что позволяет обеспечить высокую надежность их работы. Конструктивно в элементе отсутствуют скользящие контакты, благодаря чему обеспечивается надежная работа датчика, так как контакты не изнашиваются и не выходят из строя.
При необходимости такой регулятор можно своими руками подключить к электрической сети с промышленной частотой.
Повышенная чувствительность регулятора, что позволяет обеспечить его наиболее эффективную и бесперебойную работу.
При необходимости такие приборы могут работать в условиях высоких выходных мощностей.

Что касается недостатков:

Нелинейные значения могут привести к появлению погрешностей, что связано с использованием принципа индуктивного преобразования.
Правильная работа детали возможна при определенной температуре. Если температура не будет соответствовать нормированному диапазону, это может привести к появлению больших погрешностей.
Появлению погрешностей могут способствовать и образование электромагнитного поля вне датчика.

Цена вопроса

Стоимость товара зависит от многих характеристик, в частности, области применения. В среднем цены на индуктивные регуляторы начинаются от 500 рублей и выше.

Видео «Как подключить индукционный регулятор?»

Наглядная инструкция на примере подключения регулятора в мотоцикле Юпитер приведена в ролике ниже (автор — Вадим Карамов).

Принцип работы индуктивного датчика положения частоты вращения перемещения и приближения

Схемы подключения датчиков PNP и NPN

Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.

Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.

PNP выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” ( V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)

NPN выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” ( V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.

Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.

На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.

Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков

На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN. Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.

Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.

Возможные недостатки индуктивных выключателей

На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.

НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.

На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.

Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics.

Система обозначений датчиков Autonics

Современные производители предлагают большое количество разнообразных вариантов индуктивных датчиков положения и приближения. Основные отличия:

конструкция и размеры корпуса: прямоугольные или цилиндрические датчики, также выпускаются специфические конструкции для специализированного применения;
диаметр чувствительного элемента;
расстояние срабатывания датчика;
вариант монтажа датчика: встраиваемый (заподлицо) или невстраиваемый (незаподлицо);
совместимое напряжение питания;
выход управления;
способ подключения.

Датчики индуктивного типа применяются для решения различных задач в промышленности:

бесконтактный контроль положения объектов в пространстве;
контроль положения элементов и частей машин и механизмов;
контроль перемещения объектов;
контроль скорости движения объекта;
сортировка металлических объектов;
контроль целостности объектов;
контроль заполнения;
контроль угла поворота и многие другие.

Главным ограничением в применение индуктивных датчиков приближения является совместимость только с металлическими и магниточувствительными материалами. Это значительно сужает область применения приборов. При необходимости работы с неметаллическими материалами рекомендуется использовать в качестве концевых выключателей – датчики емкостного типа.

Существенным недостатком является необходимость стабильного напряжения в сети питания. Точность срабатывания индуктивного выключателя может быть снижена при нестабильном питании. Также не рекомендуется применять датчики вблизи промышленного оборудования, генерирующего мощные магнитные поля или электрические помехи. Соответственно при работе с индуктивными приборами необходимо тщательно подходить к организации рабочего пространства и рабочей сети питания.

Индуктивные датчики положения и приближения работают на принципе изменения магнитного поля при сближении с объектом контроля. Благодаря этому выключатель реагирует только на определенные материалы:

металлические;
магнитные;
ферро-магнитные;
аморфные металлы.

Встроенный в индуктивный датчик генератор создаёт магнитное поле. Контролируемый объект из совместимого материала попадает в зону действия поля датчика. Это приводит к изменению амплитуды колебания генератора. В результате происходит срабатывание индуктивного датчика и формирование сигнала на выходе.

По типу выходного сигнала, индуктивный выключатель является дискретным датчиком. Выходной сигнал формируется только в момент сближения с объектом.

Возможность применения индуктивных датчиков положения

Бесконтактные индуктивные выключатели предназначены для работы с металлическими объектами. Благодаря этому устройства могут активно применяться в различных видах машин, станков и механизмов для контроля положения отдельных элементов. Датчики идеально подойдут для автоматических процессов управления и автоматизации производства.

Помимо этого, индуктивные датчики могут применяться для работы с отдельными металлическими объектами в различных отраслях промышленности:

машиностроение;
металлургия;
производство станков и оборудования;
деревообработка;
пищевая промышленность;
транспортная отрасль;
сельское хозяйство и многие другие.

Ряд производителей предлагает также специальные исполнения, например, для взрывобезопасного применения, повышенного давления и температуры, а также для других нестандартных условий.

По сравнению с другими устройствами индуктивные датчики имеют ряд отличительных преимуществ:

высокая прочность и простота конструкции;
простота монтажа и эксплуатации;
совместимость с промышленными сетями питания;
высокая чувствительность;
быстрота срабатывания;
долгий срок службы;
низкая цена по сравнению с аналогичными приборами.

Благодаря своим преимуществам индуктивные выключатели положения могут широко применяться в промышленности.

Замена датчиков

Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.

Это реализуется такими способами:

Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
Изменение имеющейся схемы включения датчика.
Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.

PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.

Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру?

Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.

Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.

Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение ( V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?

Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение ( V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется.

В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.

Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.

Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.

Цветовая маркировка выводов датчиков

Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.

Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.

Вот эта маркировка.

Синий (Blue) – Минус питания
Коричневый (Brown) – Плюс
Чёрный (Black) – Выход
Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.

Реальные датчики

Датчики купить проблематично, товар специфический, и в магазинах электрики такие не продают. Как вариант, их можно купить в Китае, на АлиЭкспрессе.

А вот какие оптические датчики я встречаю в своей работе.

Всем спасибо за внимание, жду вопросов по подключению датчиков в комментариях!

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.

Индуктивные датчики положения и приближения

Индуктивные датчики применяются для контроля перемещения объектов из металла, их положения в пространстве и приближения к точке контроля.

Варианты исполнения современных индуктивных выключателей

конструкция и размеры корпуса: прямоугольные или цилиндрические датчики, также выпускаются специфические конструкции для специализированного применения;
диаметр чувствительного элемента;
расстояние срабатывания датчика;
вариант монтажа датчика: встраиваемый (заподлицо) или невстраиваемый (незаподлицо);
совместимое напряжение питания;
выход управления;
способ подключения.

Возможность применения индуктивных датчиков положения

машиностроение;
металлургия;
производство станков и оборудования;
деревообработка;
пищевая промышленность;
транспортная отрасль;
сельское хозяйство и многие другие.

Назначение индуктивных выключателей приближения

Датчики индуктивного типа применяются для решения различных задач в промышленности:

бесконтактный контроль положения объектов в пространстве;
контроль положения элементов и частей машин и механизмов;
контроль перемещения объектов;
контроль скорости движения объекта;
сортировка металлических объектов;
контроль целостности объектов;
контроль заполнения;
контроль угла поворота и многие другие.

Преимущества выбора индуктивных бесконтактных датчиков положения

По сравнению с другими устройствами индуктивные датчики имеют ряд отличительных преимуществ:

высокая прочность и простота конструкции;
простота монтажа и эксплуатации;
совместимость с промышленными сетями питания;
высокая чувствительность;
быстрота срабатывания;
долгий срок службы;
низкая цена по сравнению с аналогичными приборами.

Возможные недостатки индуктивных выключателей

Главным ограничением в применение индуктивных датчиков приближения является совместимость только с металлическими и магниточувствительными материалами. Это значительно сужает область применения приборов. При необходимости работы с неметаллическими материалами рекомендуется использовать в качестве концевых выключателей – датчики емкостного типа.

Принцип работы индуктивного выключателя

металлические;
магнитные;
ферро-магнитные;
аморфные металлы.

По типу выходного сигнала, индуктивный выключатель является дискретным датчиком. Выходной сигнал формируется только в момент сближения с объектом.