Какие бывают датчики: как выглядит индуктивный бесконтактный и каков его принцип работы

Что такое датчик

Под датчиком, датчиком, детектором понимается устройство, блок отдельного типа (интегрированный или более отдельных, но различимых), имеющий в своем составе один или несколько первичных преобразователей измерительных типов. Назначение: приведение данных измерений в форму, удобную для передачи, исследования, оценки, обработки, дальнейшего преобразования, хранения. Такая передача непосредственно не воспринимается наблюдателями. Пример простейшего устройства — микрофон, это детектор звука (громкость воспринимается, но его сила в дБ человеку оценить сложно)

Детекторы могут иметь промежуточные, вспомогательные или непосредственно необходимые узлы для работы измерительных преобразователей, а также измерительного.

Устройство может быть размещено на любом расстоянии от системы обслуживания, объекта, приемника. Длина определяется возможностью средств и способов связи (провода, радиосигнал).

Задачи и роль датчиков

Задача датчиков – передать параметры изучаемых факторов приемнику для дальнейшей обработки. А также, как мы уже указывали выше, детекторы могут производить некоторую подготовительную обработку импульсов своими дополнительными преобразователями, приводя их в удобный для передачи вид.

Но может быть и другая важная задача. Если нормировать отношение показателя значения датчика на выходе к соответствующему значению показателя на входе, то эти изделия являются средствами измерений. То есть они не только выполняют пассивную роль контроля, но и измеряют характеристики изучаемых факторов в пределах, допускаемых их техническими возможностями.

Существуют многофункциональные модификации датчиков, воспринимающие и преобразующие, работающие с различными входными величинами. Помимо основной опции, восприятия значений, создания измерительного импульса, выполняются дополнительные опции, такие как фильтрация, предварительная обработка и т.д.

Датчик (сенсор, детектор) являются составными частями технических систем, его варианты для обслуживаемых приложений следующие:

• измерение;
• сигнализация;
• подгонять, подгонять.

Изделия преобразуют данные из контролируемой среды (давление, t°, расход, концентрация, частота, скорость, рабочий объем, электрические параметры) в сигналы (электрические, пневматические, оптические). Создается наиболее подходящая форма для передачи и восприятия приемником для последующих измерений, обработки, архивирования, преобразования, хранения и регистрации данных.

Сфера применения

Датчики применяются всякий раз, когда работа устройства, оборудования, конструкций, систем, узлов требует контроля определенных факторов (их мы перечислили выше). Ярким примером является температура: пожарный датчик фиксирует превышение порогового значения и отправляет данные об этом на узлы сигнализации, которые запускают звуковую, световую индикацию и автоматическое тушение пожара.

Датчик температуры бойлера определяет, что вода достигла определенного уровня нагрева, подает импульс на реле термостата и отключает прибор. В автомобилях много датчиков, например, один из них — датчик вращения коленчатого вала — посылает информацию на компьютер, который регулирует работу системы впрыска топлива.

Вот лишь малая часть оборудования, где используются датчики:

• бытовая техника (котлы, стиральные машины, отопительные котлы, плиты, чайники, тестеры, утюги, микроволновые печи);
• изделия с термостатами и реле, автоматические выключатели имеют датчики;
• почти все электронные устройства имеют детекторы. Например, обычная компьютерная мышь имеет ИК-датчик, который отслеживает ваши движения;
• робототехника не только использует датчики, но и основана на них: это рецепторы, органы чувств таких структур;
• весь сектор безопасности пронизан различными датчиками, детекторами (пожарными, дорожными, дымовыми и другими);
• все устройства с дистанционным управлением;
• здоровье, например, датчики, обнаруживающие опасные вещества в крови и сигнализирующие об этом;
• смартфоны;
• транспортные средства (этих изделий в машине десяток и более);
• любое оборудование с автоматикой, автономностью;
• научные исследования, эксперименты;
• связь;
• отслеживание местоположения объекта (GPRS и др);
• энергетический — для исследования электрических параметров;
• обнаружение опасных факторов, например, дозиметр, газовые датчики;
• в промышленности и производстве датчики не только незаменимы, но и жизненно необходимы, особенно для контроля электрических характеристик, обнаружения перегрева и позиционирования деталей.

Трудно назвать область, где не было бы датчиков. Часто датчики ассоциируются с чисто измерительными приборами: барометрами, термометрами, высотомерами. Последние производят измерения, датчик фиксирует эти значения и передает их в оборудование, автоматику.

Короче говоря, термин «датчик» появился с развитием автоматизации управления, контроля, работы. Следующая цепочка является традиционной:

Датчик (фиксирует и передает данные об изучаемых факторах, состоянии) — блок управления (устройством, системой) (дает команду) — исполнительное устройство (получает инструкции и настраивает объект обслуживания).

Датчик отличается от измерителя тем, что регистрирует выходной сигнал исследуемого фактора только в охватываемом им диапазоне. Поэтому часто для полноценной работы команды существует еще и команда, выполняющая измерения, и они тесно связаны, их можно интегрировать друг с другом, настолько, что их работа по отдельности была бы невозможна.

Названия

Синонимы, которые мы используем для описываемых устройств, следует понимать как эквивалентные: они обозначают измерительный преобразователь с функциями обнаружения входных значений и формирования измерительных сигналов. Строго говоря, слово «сенсор» имеет акцент на восприятии, «сенсор» — на создании и выдаче измерительных импульсов, «детектор» — на обнаружении тех или иных факторов. Но мы рассмотрим все эти свойства, присущие каждому используемому нами синониму.

Все чаще используются модели изделий со сложной обработкой сигналов, с возможностями настройки, настройки параметров, интерфейсом системы управления. Надо сказать, что биологические маркеры тоже можно назвать сенсорами. То есть этот термин можно толковать в широком смысле.

При использовании счетчиков показания приборов обычно воспринимаются непосредственно: на экранах, табло, панелях, через световые сигналы, звук и т д. Показания датчиков требуют преобразования в форму, доступную для восприятия приемником и/или человеком.

Аппаратура автоматизированного управления может иметь датчики как инициаторы срабатывания оборудования, клапанов, программ. При этом показания, как правило, поступают в элементы хранения контрольно-аналитических процессов, выводятся на табло и распечатываются.

Устройство датчиков, принцип работы

Итак, датчик, он же датчик, является элементом узлов измерительной, сигнальной, регулирующей и управляющей частей оборудования. Деталь преобразует контролируемую и регулируемую величину (t°, давление, частоту, силу света, электрические параметры) в импульс, пригодный для измерения, подачи, хранения, обработки, настройки и иногда воздействующий на управляемые процессы.

Если упростить, то детектор — это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, готовый к дальнейшей работе с ней.

Составные части

Существует множество конструкций датчиков, их чувствительных частей, а также принципов активации и взаимодействия, но в целом все они сводятся к этой структуре.

Общую схему датчика (Д) можно представить как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразовательной части (Пр.) Первым в системах автоматики телемеханики является орган чувств. Предназначен для преобразования, подготовки контролируемой величины (х) в форму сигнала х1, удобную для восприятия, измерения. Например, в преобразователе импульс (x1) обычно преобразуется в электрический сигнал (y).

На вход детектора могут поступать как электрические импульсы, так и любые другие импульсы разной природы (пневматические, давления, света, звука и т.п.), но удобнее всего снимать электрический сигнал с выхода — это просто и легко усиливать, оценивать и передавать можно практически на неограниченные расстояния.

Подбор датчиков, какие параметры учитывают

Датчик, например, для замены сломанного, подбирается по параметрам:

• на что рассчитано ремонтируемое оборудование;
• характеристики могут быть разными:
  • в пределах рекомендаций производителя;
  • если устройство рассчитано на такое (можно расширить его возможности, опции).

Что оценивается:

• диапазон характеристик рабочей среды (например, температура, давление). Если, например, датчик NTC или термопара рассчитаны на работу при ° до +600 °, то они, конечно, не будут эффективны, если рабочие температуры приложения составляют значения около +900 °. C. Если датчик находится под напряжением (обычно слаботочным), то слишком высокое значение просто выведет его из строя, то же самое касается, если он предназначен для фиксации электрических параметров только определенного диапазона, и такой среды, которая неверна в отношении просто не будет успешно отслеживаться;
• инерция. Это время активации. Важно соблюдать стандарты, разрешенные для конкретного оборудования. Например, если датчик работает слишком медленно, то пожарная система будет реагировать с задержкой, что может иметь трагические последствия, принимаемые ею меры могут стать неэффективными из-за задержки.

Другие важные параметры:

• точность и ошибка;
• разрешать;
• мощность, включая выходной сигнал;
• нужное время, сила входного сигнала;
• выходное сопротивление;
• дифференциация (способность различать).

При выборе необходимо проверять допуски, совокупность характеристик, допустимых для конкретной единицы оборудования. Например, диапазон ошибок, отклонений (±).

Статическое качество. Они выражают, насколько корректен выход датчика, насколько правильно он отражает измеренные значения через определенное время после их изменения, когда импульсный выход устанавливается на новое значение.

Динамические особенности. Он редко появляется в таблицах данных. Для электроприборов обычного назначения ими можно пренебречь.

Их учитывают, если детектор требуется для особо чувствительного оборудования (лабораторного, научного, для экспериментов), для максимально возможной точности, исключающей неисправности, ошибки (энергетика, космическая отрасль). Это включает:

Чувствительность датчиков

Проще говоря, это отношение изменения выходного значения к изменению входного значения:

S = dO / dI

где S — чувствительность датчика; dO — изменение выходного значения; dI — изменение входного значения.

Предположим, что при изменении температуры, измеряемой датчиком, на 1 градус (входное значение), сопротивление датчика температуры изменяется на 2 Ом (выходное значение). Тогда чувствительность будет:

S = 2/1 = 2, т.е. 2 Ом умножить на 1 градус

Следовательно, изменение сопротивления датчика на 0,1 Ом будет означать, что температура изменилась:

dI = dO / S = 0,1/2 = 0,05 градуса

Конечно, это при условии, что функция преобразования входного сигнала в выходной является линейной. Но надо сказать, что почти у всех датчиков так, для удобства считывания выходных сигналов.

Существует также «порог чувствительности»: это минимальное изменение входного значения, вызывающее изменение выходного сигнала.

Например, если входной ток изменится на 1 ампер, датчик тока изменит выходной сигнал на 1 мА. При изменении тока на 0,5 А датчик изменит выходной сигнал на 0,5 мА. При изменении входного тока на 0,25 А датчик должен изменить выходной сигнал на 0,25 мА. Но если порог чувствительности такого датчика, например, 0,3 А, то он уже не сможет среагировать на изменение входного сигнала в 0,25 А, а выходной сигнал не изменится.

Что такое мёртвая зона датчика (зона нечувствительности датчика)

Как я уже сказал, все датчики стараются делать так, чтобы функция преобразования входного сигнала в выходной была линейной.

Следовательно, зона чувствительности датчика – это диапазон значений, где эта функция является линейной. Однако этот диапазон ограничен некоторыми минимальными и максимальными значениями, поскольку невозможно сделать датчик, измеряющий значение в бесконечном диапазоне.

Поэтому у любого датчика есть «мертвая зона» или мертвая зона.

Из названия понятно, что мертвая зона — это зона, в которой нарушается линейность преобразования. Это не обязательно означает, что датчик не может измерять значения в «мертвой зоне». Но это означает, что в этой зоне измеренное значение будет преобразовано в выходное значение по нелинейному закону. То есть никто не может гарантировать точность показаний.

Например, производитель гарантирует корректную работу датчика температуры при измерении значений от 0 до 100 градусов Цельсия. В этом случае этот же датчик сможет измерять отрицательные температуры, например, -10. Однако это значение уже будет находиться в «мертвой зоне». Так что на выходе может быть, например, 50 Ом, как при температуре 0 градусов, так и при температуре -10.

Точность датчиков

Любые средства измерения имеют погрешности. Метрология – это целая наука. И я даже не буду сейчас рассказывать вам все тонкости этой дисциплины.

Замечу, что ошибки могут появляться на разных этапах преобразования измерения и накладываться друг на друга.

Это связано, в том числе, с рассмотренными выше свойствами: чувствительностью и мертвой зоной.

Нелинейность датчиков

В сотый раз повторяю, что в большинстве случаев датчики изготавливаются таким образом, чтобы зависимость выходного значения от входного была линейной. Если вы не помните, что такое линейная функция, обратитесь к учебнику по математике.

Проще говоря, это функция, график которой представляет собой прямую линию.

Однако сделать датчик с идеальным линейным выходом невозможно. Даже в зоне чувствительности эта функция будет «условно» линейной. Потому что будут некоторые отклонения от этого графика. Но эти отклонения должны быть в пределах допустимой погрешности, установленной для конкретного датчика.

Разрешающая способность датчика

Я уже говорил о пороге чувствительности. Из-за этого свойства датчиков выходной сигнал не может быть идеально равномерным. Следовательно, датчики также обладают таким свойством, как разрешающая способность. Иногда это называют осмотрительностью. Особенно это касается цифровых датчиков.

Аналоговые датчики, кажется, должны переключать выходной сигнал без проблем. Но из-за необходимости преобразований эта гладкость условна.

Однако, уменьшая изменение входного сигнала, мы рано или поздно придем к выводу, что выходной сигнал не будет реагировать на изменение входного сигнала (из-за потерь в процессе преобразования).

Таким образом, любой датчик имеет эту «усмотрение». Например, для цифровых датчиков температуры это может быть 0,1, 0,5 и даже 1 градус. И вряд ли есть датчики, которые могут измерять температуру, например, с точностью до 0,000001 градуса.

Диапазон измеряемых и выходных значений

Это, можно сказать, продолжение разговора о мертвой зоне.

Диапазон измеряемых значений представляет собой прямую линию на графике (см рисунок выше). То есть диапазон значений, где измерение и преобразование производится по линейному закону. Это значение указывает максимально возможное значение входного сигнала, которое датчик может преобразовать без превышения допустимых пределов.

Выходной диапазон представляет собой разницу между измеренными электрическими выходными сигналами при максимальном и минимальном внешнем входе.

Например, у нас есть датчик температуры, который измеряет температуру от 0 до 50 градусов и преобразует ее в напряжение от 0 до 10 В.

Тогда диапазон измеряемых значений: 0…50, и диапазон выходных значений: 0…10. При этом температуре 0 соответствует напряжение 0, а температуре 50 соответствует 10В на выходе датчика. А поскольку выход линейный, изменение температуры на 1 градус вызовет изменение выходного сигнала на 0,2 В.

Диапазоны входных значений могут быть практически любыми. И диапазоны выходных значений стандартизированы. Поэтому системы и устройства, к которым подключаются датчики, также должны соответствовать этим стандартам.

Большую часть времени на выходе активного датчика есть сигналы тока или напряжения. Основные правила:

• Текущий:
• 0…5мА
• 0…20 мА
• 4…20 мА
• Напряжения:
• 0…0,01В
• 0…1В
• 0…10В

Требования для датчиков

Возможен выбор датчика с большой погрешностью, если это допускает производитель, если она запрашивается конкретно по спецификациям применения или если она особо не влияет на качество работы.

Но в целом лучшими продуктами будут те, которые обладают следующими качествами:

• уникальность зависимости выходных значений от входных;
• стабильность качеств во времени;
• чем выше чувствительность, тем лучше;
• небольшой размер, вес;
• отсутствие обратного влияния на управляемый процесс, параметр;
• чем шире диапазон рабочих параметров, тем лучше, если это не ухудшает другие характеристики;
• передовые методы крепления.

Разновидности датчиков

Классификация датчиков чрезвычайно обширна. Опишем наиболее характерные типы датчиков, которые используются повсеместно.

По сути почти все детекторы основаны на чувствительной части, реагирующей на те или иные параметры служебной среды, а также сопутствующие процессы.

Например, чувственным элементом может быть:

• оптический луч, лазеры (датчики скорости вращения);
• резистор из специального сплава, который меняет свое сопротивление при определенных температурах. При этом приемник подает на него небольшой ток, тем самым отслеживая изменения (детекторы NTC PTC);
• сварка различных сплавов (термопар), реагирующих созданием силы ЭДС и малого тока при определенных температурах, именно изменения этих явлений регистрируются приемником;
• биметаллические пластины, изгибающиеся при нагреве, замыкании/размыкании контактов;
• тензодатчики давления, которые при приложении к ним определенного усилия изменяют свои электрические характеристики;
• магниты;
• плавает;
• с химикатами.

В зависимости от исследуемой величины, от характера входных значений датчик может быть:

• для механических перемещений (линейных, угловых;
• шина;
• счетчик тока;
• скорость слежения, ускорение;
• давление, усилие;
• температура;
• газ, загрязнение окружающей среды (вода, воздух);
• химические среды.

Сортировка по выходному значению, то есть по созданию удобного для восприятия сигнала, в который преобразуется входной импульс исследуемой среды:

• постоянный/переменный ток, его частота (ЭДС или напряжение);
• сопротивление (активное, индуктивное, емкостное и др);
• может быть любая другая форма передачи информации (свет, радиосигнал, звук).

Подавляющее большинство датчиков электрические, так как именно в этом случае наблюдается наибольшее сочетание достоинств:

• электрический сигнал подходит для передачи на расстояние, при этом скорость практически мгновенная;
• универсальность — любая другая величина может быть преобразована в проявляемое ею электричество и наоборот;
• чрезвычайная точность;
• способность преобразовывать данные в цифровые коды, что приводит к лучшей чувствительности, скорости

Классы

Датчики имеют типы, которые сгруппированы в три класса:

• аналоговый — создание аналогового сигнала, пропорционального входному потоку данных;
• цифровые (электронные) — формируют последовательности сигналов;
• двоичный, основанный на двоичных кодах, слова для передачи информации. Создает двухуровневый сигнал «вкл/выкл», 0 или 1, да/нет, разрешено/запрещено. Широко распространенные в силу своей простоты, они могут быть двух описанных выше типов.

По принципу действия

Типы по способу работы:

• генератор. Неэлектрический регулируемый или контролируемый сигнал становится ЭДС. Нет необходимости в постороннем источнике питания, так как они сами являются источниками ЭДС (пример — термопара). Подвиды:
  • с термоэлектрическим принципом (электрические параметры изменяются в зависимости от изменения температуры), что регистрируется приемником;
  • пьезоэлектрический;
  • гальванический;
  • тахиметрия (разные скорости вращения исследуемого объекта вызывают изменение электрических параметров датчика);
• параметрический. Преобразуйте входное значение в изменение электрических характеристик датчика. Но есть одна особенность: электричество такой детектор получает, как правило, от маломощного источника питания. Разновидности:
• активное сопротивление: контактное, реостатное, потенциометрический принцип. А также тензорезисторы, термосопротивления и фотосопротивления;
• реактивное сопротивление. Индуктивные, емкостные.

В активных извещателях используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления, от температуры, от освещения фотоэлементов.

Контактные

На контактных извещателях остановимся подробнее, так как они наглядно отражают принцип работы. Это одни из самых простых разновидностей, элементарные по своей конструкции и способу. Движение первичного элемента преобразуется в резкое изменение сопротивления электрической цепи. Это датчик, в котором линейное или угловое движение преобразуется в замкнутое/разомкнутое состояние контактов, управляющих электрическими цепями.

Подвиды: с механическим (ручным) и магнитным управлением. Например, герконы, у которых контакты намагничиваются и замыкаются, если в их колбе создается определенное магнитное поле изучаемым фактором, обычно связанным с электрическими явлениями.

Контактные датчики выполняют измерения и контроль сил, перемещений, температур, размеров, форм. Такие устройства работают на постоянном и переменном токе. Подвиды: простые и многогранные. Последние используются для величин, меняющихся в широких пределах, при этом участки сопротивления цепи замыкаются накоротко.

Контактные детекторы широко используются в автомобилях. Опишем некоторые.

Датчики аварийного состояния. Пример: датчики перегрева охлаждающей жидкости, включение вентилятора. Используется способность биметаллической пластины изгибаться при воздействии тепла, замыкание/размыкание контактов, подача питания на крыльчатку и другие элементы системы.

Датчик аварийного давления масла. Используется свойство упругих деталей деформироваться под давлением среды.

Датчик уровня жидкости, основанный на контакте с водой, емкости и исполнительных устройствах (индикаторах, зажимах и т.п.) с поплавком.

Аналоговые, цифровые и дискретные датчики

Все датчики можно разделить на три большие группы:

• Аналогичная вещь
• Сдержанный
• Цифровой

Кратко рассмотрим эти типы.

Что такое аналоговый датчик

Аналоговый датчик — это датчик, который измеряет некоторую величину и преобразует ее в некоторый (обычно стандартный) сигнал по линейному закону.

То есть на выходе указанного датчика будет непрерывный сигнал, соответствующий некоторому стандарту. Например, напряжение или ток.

Несмотря на то, что датчик имеет ограниченное разрешение, для аналоговых датчиков мы считаем, что выходной сигнал изменяется плавно, без рывков (см рисунок выше).

Что такое дискретный датчик

Дискретный датчик ничего не измеряет. Точнее, вы можете действовать, но ваш вывод может принимать только некоторые фиксированные состояния. Обычно таких состояний всего два: ON или OFF.

Например, это может быть обычный «сухой контакт», который замыкается или размыкается в зависимости от входного сигнала.

Например, тепловой пожарный извещатель (тепловой датчик). Его контакт замкнут, пока температура находится в допустимом диапазоне. Как только температура превышает допустимое значение, контакт размыкается.

Что такое цифровой датчик

Цифровой датчик содержит микроконтроллер, выполняющий предварительную обработку входного сигнала. На выходе указанного датчика также будет какой-либо эталонный сигнал или измеренное значение, уже выполненное в числовом виде.

В первом случае выходной сигнал также изменяется линейно, как и в аналоговых датчиках. Однако он уже не будет таким «мягким», а будет обладать какой-то рассудительностью.

Например, если это напряжение, то для аналогового датчика оно будет меняться максимально плавно. То есть усмотрения практически не будет. Точность будет достигать почти бесконечного числа знаков после запятой и будет ограничиваться только точностью приемных приборов.

Для цифровых датчиков разрешение будет зависеть от разрядности АЦП (аналогово-цифрового преобразователя). И диапазон входного напряжения будет меняться не плавно, а, например, так: 0,01, 0,02, 0,03… 9,99, 10.

В том случае, если цифровой датчик на выходе имеет готовое значение, это значение уже не может быть передано с помощью одиночного сигнала. Эти ценности уже передаются по каналам связи и это совсем отдельная тема.

Активные и пассивные

Датчики также могут быть активными или пассивными. Активные требуют подключения к источнику питания, пассивные — нет.

Что такое пассивный датчик

Пассивный датчик не нужно подключать к источнику питания. Такие датчики изготавливаются из материалов, которые изменяют свои свойства под воздействием измеряемой среды и могут сразу преобразовывать эти изменения в подходящие для обработки системой сигналы.

Например, термостойкость. Обычно это просто медный проводник, который меняет свое сопротивление в зависимости от температуры.

Зависимость сопротивления проводника от температуры достаточно проста:

R=p(л/с)

где R — сопротивление; р — удельное сопротивление материала; l — длина проводника; S — площадь поперечного сечения проводника.

График такой функции будет линейным, поэтому никаких дополнительных устройств преобразования сигнала не требуется. Следовательно, дополнительный источник питания не требуется. Такой датчик можно сделать даже из куска проволоки.

Другим примером, примером дискретного датчика является геркон. Контакт геркона размыкается (или замыкается), если к нему поднести магнит. Для такого датчика также не требуется питание.

Что такое активный датчик

Активный датчик потребляет ток и не будет работать без подключения к источнику питания.

Активные датчики необходимы, например, когда входное значение слишком слабое и его необходимо усилить. И усилитель, соответственно, требует питания.

Все микроконтроллеры требуют питания, поэтому все цифровые датчики активны.

Опять же, стандартные сигналы тока и напряжения обычно (но не всегда) требуют источника питания для их генерации.

Способы подключения датчиков

Ну в общем смотрите инструкцию по подключению датчика в инструкции к датчику))) Но все же я решил включить этот раздел в статью, для общего развития и для тех кто никогда раньше с этим не сталкивался.

Как подключить пассивный датчик

Как правило, большинство датчиков имеют 2-4 провода для подключения. Пассивные датчики обычно имеют 2-3 провода.

Например, терморезистор имеет два или три провода для подключения. Для работы такого датчика достаточно двух проводов, но иногда используется и третий контакт, если провод очень длинный, а третий провод используется для компенсации ошибок, вносимых длинным проводом.

Как подключить активный датчик

Помните, что для активных датчиков требуется питание. Поэтому для подключения такие датчики обычно имеют 3-4 контакта (хотя проводов бывает и два, например датчики дыма в шлейфах пожарной сигнализации).

Если контактов три, то по общему правилу один — плюс питания, второй — выходной сигнал, а третий — общий провод.

С четырьмя контактами два провода обычно используются для питания и два для вывода.

Применение индуктивного датчика

Индуктивные бесконтактные датчики широко используются в промышленной автоматике для определения положения той или иной части механизма.

Сигнал с выхода датчика может подаваться на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, контактора или другого исполнительного устройства. Единственное условие – соответствие току и напряжению.

Устройство и схема

Индуктивный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из взаимосвязанных узлов, обеспечивающих его бесперебойную работу. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующие.

Генератор

Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип работы индуктивного датчика, а также формируются зоны активности с объектом.

Триггер Шмидта

Триггер Шмидта — это отдельный элемент, основное назначение которого — обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.

Усилитель

Усилительное устройство используется как элемент, способный увеличивать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать требуемого параметра.

Специальный индикатор

Светодиодный индикатор, показывающий фактическое состояние контроллера. Кроме того, используется светодиод для обеспечения достаточного контроля над работой индуктивного датчика, а также для обеспечения достаточной скорости в процессе настройки.

Компаунд

Компаунд предназначен для защиты устройства, так как может предотвратить попадание жидкостей, в частности воды, в корпус индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может привести к его поломке.

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами схемы, в которой он будет работать, и основной логикой схемы. Поэтому соответствие его параметрам необходимо проверить:

• напряжение питания – определяет минимально и максимально допустимую разность потенциалов, при которой индуктивный датчик работает нормально;
• минимальный рабочий ток — наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
• расстояние срабатывания: допустимый интервал отвода, в котором будет происходить переключение;
• индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость линий электрического тока и магнитной индукции для конкретной модели;
• поправочный коэффициент — используется для внесения поправки в зависимости от дополнительных факторов;
• частота переключений — максимально возможное количество переключений в секунду;
• габаритные размеры и способ установки.

Напряжение питания

Он представляет собой допустимый диапазон напряжения, в котором устройство работает должным образом.

Минимальный ток переключения

Это минимально возможное значение электрического тока, которое необходимо подать на датчик для обеспечения его работы.

Рабочие расстояния

Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата толщиной в один миллиметр. Однако это значение уменьшается, если используется другой материал.

Частота переключения

Это максимальное количество изменений, которые можно сделать за одну секунду.

Принцип работы индуктивного датчика

Индуктивный датчик незаметен. На его выходе появляется сигнал, когда в определенной области присутствует металл.

Датчик приближения основан на генераторе с индуктором. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.

Металлический привод изменяет резонансную частоту колебательного контура, а контур, содержащий компаратор, подает сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла, нет знака.

Чем отличаются индуктивные датчики

Индуктивные датчики обнаруживают, слева
или рычаг в правильном положении

Индуктивный датчик счета импульсов

Практически все сказанное ниже относится не только к индуктивным датчикам, но и к оптическим, емкостным и другим.

Существует два основных варианта: цилиндрический и прямоугольный. Другие падежи используются очень редко. Материал корпуса: металл (различные сплавы) или пластик.

Диаметр цилиндрического датчика.

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

Расстояние переключения (рабочий зазор).

Это расстояние до металлической пластины, при котором гарантируется надежная работа датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние составляет до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм — до 4 и 8 мм, для больших датчиков — до 20,30 мм.

Количество кабелей для подключения.

2 провода. Датчик напрямую подключается к цепи нагрузки (например, пусковой катушке). Так же, как мы включаем свет дома. Удобен для установки, но капризен для зарядки. Они плохо работают при высоком и низком сопротивлении нагрузки. Нагрузку можно подключать к любому проводу, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, предназначенных для работы с переменным напряжением, не имеет значения ни подключение нагрузки, ни полярность. Главное — обеспечить рабочий поток.

3 нити. Самый распространенный. Есть два кабеля для питания и один для зарядки. Я расскажу вам ниже.

4 и 5 нитки. Это возможно, если на нагрузку используются два выхода (например, PNP и NPN (транзисторные), или коммутационные (релейные). Пятый провод — выбор режима работы или состояния выхода.

Типы выходов датчиков по полярности.

Все дискретные датчики могут иметь только 3 типа выходов в зависимости от ключевого элемента (output.

Реле. В простейшем случае реле переключает один из проводов питания, как это делается в бытовых датчиках света или движения. Универсальный вариант с «сухим» контактом, когда выходные контакты реле не подключены к питанию датчика. Это обеспечивает полную гальваническую развязку, что является основным преимуществом такой схемы. То есть вне зависимости от напряжения питания датчика он может включать/выключать нагрузку с любым напряжением.

ПНП-транзистор. Выход — транзистор PNP, то есть переключается «плюсовой» провод. По крайней мере, нагрузка постоянно подключена.

НПН-транзистор. Выход — NPN-транзистор, то есть «минусовый» или нулевой провод поменян. К «плюсу» постоянно подключена нагрузка.

Пример оптического датчика с релейным выходом

Наглядно понять разницу можно, разобравшись в принципе работы и схемах включения транзисторов. Поможет такое правило: где подключен излучатель, тот кабель питания меняют. Другой полюс постоянно подключен к нагрузке. Далее будут приведены схемы включения датчиков, на которых эти отличия будут хорошо видны.

Каким бы ни был датчик, одним из основных его параметров является электрическое состояние выхода в момент, когда датчик не активирован (на него никак не влияет).

Выход в это время может быть включен (на нагрузку подается питание) или выключен. Следовательно, говорят: нормально открытый контакт (НО) или нормально закрытый контакт (нормально закрытый, НЗ). В иностранном номинале — NO и NC.

То есть главное, что нужно знать о транзисторных выходах датчиков, это то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и начального состояния выхода: PNP NO, PNP NC, NPN NO, НПН НК.

Позитивная и негативная логика работы.

Это понятие относится скорее к исполнительным механизмам, которые подключены к датчикам (контроллерам, реле). Отрицательная или положительная логика относится к уровню напряжения, который запускает вход.

Отрицательная логика: вход контроллера активируется (логическая «1») при подключении к НУЛЮ. Клемма S/S контроллера (общий провод для цифровых входов) должна быть подключена к +24 В. Для датчиков типа NPN используется отрицательная логика.

Положительная логика: Вход активируется при подключении к +24 В. Клемма S/S контроллера должна быть подключена к нулю. Используйте положительную логику для датчиков PNP. Чаще всего используется позитивная логика.

Цветовая маркировка

Все электрооборудование, включая проводники, должно иметь цветовую маркировку. Его принято применять для удобства последующих монтажных работ и последующего обслуживания. Это правило необходимо соблюдать и в случае индуктивных датчиков. Его выходные проводники маркированы следующими цветами:

• знак минус обычно обозначается синим цветом;
• более красный;
• выход — черный;
• белый: дополнительный выход или управляющий вход, который определяется типом используемого датчика.

Погрешности

Ошибки в процессе преобразования диагностических значений влияют на способность индуктивных датчиков предоставлять надежную информацию.

Электромагнитная

Эта ошибка учитывается только как случайная величина. Как правило, возникает при индукции ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия внешних магнитных полей. Происходит это в процессе производства за счет питания электроприборов. Они формируют магнитные поля, которые впоследствии формируют электромагнитную ошибку.

От температуры

Эта погрешность также выступает как случайная величина, так как работа большого количества элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектирования подобного оборудования.

Магнитной упругости

Обычно такая ошибка может проявляться в результате нестабильности деформации магнитопровода прибора при сборке датчика, а также при изменении деформации в процессе эксплуатации. Кроме того, воздействие нестабильного электрического напряжения на магнитопровод аппаратуры вызывает снижение качества передаваемого на выход сигнала.

Деформация элементов

Эта погрешность, как правило, проявляется в результате влияния измерительной силы на величину деформации деталей индукционного датчика, а также под влиянием сил, прилагаемых в неустойчивых деформационных процессах. Кроме того, зазоры и зазоры, образующиеся в подвижных конструктивных элементах устройства, не могут оказывать на него незначительного влияния.

Кабеля

Такая ошибка обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, при деформации самого кабеля и под воздействием температуры. Кроме того, аналогичный эффект может иметь наводка внешними полями ЭДС в кабеле.

Старение

Эта ошибка может проявляться при износе подвижных элементов самого устройства, а также в том случае, если магнитные свойства используемого магнитопровода постоянно меняются. Его обычно считают, строго говоря, случайным значением. В процессе определения этой погрешности учитывается кинематика конструкции индукционного датчика, и при проектировании такого оборудования рекомендуется определять максимальный срок службы только при работе в нормальном режиме, чтобы износ не успеть превысить установленное значение.

Технологии

Технологические погрешности проявляются при отклонениях от техпроцесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и других элементов при сборке, влиянии допустимых зазоров при соединении устройства. Для его измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и последующий способ подключения. Ввиду того, что наиболее распространенных видов четыре, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Рис. 7. Схема подключения двухпроводного датчика

Как видно из схемы выше, двухпроводные индуктивные датчики используются исключительно для прямого включения нагрузок: контакторов, пускателей, катушек реле наподобие электронного переключателя. Это простейшая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 8. Схема подключения трехпроводного индуктивного датчика

В трехпроводной схеме предусмотрено два вывода для питания самого индуктивного датчика, а третий предназначен для подключения к нему нагрузки. По способу переключения они делятся на PNP и NPN, первый тип меняет положительный вывод, отсюда и название, второй тип меняет отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 9. Схема подключения четырехпроводного индуктивного датчика

Подобно датчику выше, четырехпроводной датчик также использует два контакта 1 и 3 для питания. А вот выводы 2 и 4 используются для подключения нагрузки, с той разницей, что переключение для обеих нагрузок будет противоположным.

Пятипроводных датчиков индуктивности

Рис. 10. Схема подключения пятипроводного индуктивного датчика

В пятипроводном индуктивном датчике два выхода используются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в данном примере это 1 и 3. Два выхода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий выход 5 позволяет выбрать разные режимы работы и изменить логику переключения.

Практические примеры реализации индуктивных датчиков

На практике конструкции индуктивных датчиков могут быть реализованы по-разному. Простейшая реализация и включение — для одиночного двухпроводного датчика, который следит за наличием металлических предметов в своей зоне чувствительности. Такие устройства часто изготавливаются на основе Е-образного сердечника, но это не принципиальный момент. Такая реализация проще в изготовлении.

При изменении сопротивления катушки меняются ток в цепи и падение напряжения на нагрузке. Эти изменения можно подтвердить. Проблема в том, что сопротивление нагрузки становится критическим. Если оно слишком велико, то изменения тока при появлении металлического предмета будут относительно небольшими. Это снижает чувствительность и помехоустойчивость системы. Если он будет маленьким, то ток в цепи будет большим, потребуется более стойкий датчик.

Поэтому существуют конструкции, в которых цепь измерения встроена в корпус датчика. Генератор вырабатывает импульсы, которые питают индуктор. При достижении определенного уровня срабатывает триггер, переходя из состояния 0 в 1 или наоборот. Буферный усилитель усиливает сигнал по мощности и (или) напряжению, включает (выключает) светодиод и подает во внешнюю цепь дискретный сигнал.

Выходной сигнал может быть сформирован:

• с помощью электромагнитного или твердотельного реле: уровень напряжения равен нулю или единице;
• «сухой контакт» электромагнитного реле;
• транзистор с открытым коллектором (структуры npn или pnp).

Читайте также: Что такое КИП и А и чем занимаются сервисные специалисты: монтажник и КИПиА и А

В этом случае для подключения датчика требуется три провода:

• питание;
• общий провод (0 вольт);
• сигнальный кабель

Такие датчики также могут питаться от постоянного напряжения. Импульсы на индуктивность формируются внутренним генератором.

Дифференциальные энкодеры используются для управления положением. Если объект управления симметричен относительно обеих катушек, ток через них одинаков. При переходе любой обмотки в поле возникает дисбаланс, суммарный ток перестает быть равным нулю, что может быть зафиксировано индикатором со стрелкой посередине шкалы. Индикатор может использоваться для определения как величины изменения, так и его направления. Вместо манипулятора можно использовать схему управления, которая, получая информацию об изменении положения, будет выдавать сигнал, предпринимать действия по выравниванию объекта, вносить коррективы в технологический процесс и т д.

Датчики, выполненные по принципу линейно-регулируемых дифференциальных трансформаторов, изготовляют в виде законченных конструкций, представляющих собой каркас с первичной и вторичной обмотками и подвижным стержнем внутри (может иметь пружину). Выводы выведены для подачи сигнала от генератора и снятия ЭДС со вторичных обмоток. Управляемый объект может быть механически прикреплен к стержню. Его также можно сделать из диэлектрика: для измерения важно только положение стержня.

Несмотря на определенные присущие ему недостатки, индуктивный датчик закрывает многие области, связанные с бесконтактным зондированием объектов в пространстве. Несмотря на постоянное развитие технологий, этот тип приборов не покинет рынок измерительных приборов в обозримом будущем, так как его работа основана на фундаментальных законах физики.

Преимущества и недостатки

По сравнению с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать важную нишу, увеличивая темпы внедрения в различные отрасли и отрасли народного хозяйства. Такое частое использование обусловлено рядом существенных преимуществ:

• высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
• может работать как от домашней сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и других источников питания;
• способный обеспечить значительную выходную мощность, порядка нескольких десятков ватт;
• они характеризуются высокой чувствительностью в области измерения.

Но в то же время есть и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее важных недостатков можно выделить громоздкие габариты, не позволяющие установить их на любом устройстве. Кроме того, к недостаткам можно отнести зависимость рабочих параметров от температуры и других факторов, корректирующих точность.

Сферы использования

Возможный ассортимент индукционных датчиков настолько велик, что их можно использовать не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также в медицине.

Медицинские аппараты

Индуктивные датчики широко используются в производстве медицинской техники, так как магнитные свойства прибора позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.

Бытовая техника

В бытовых условиях датчики могут выступать в роли устройств контроля подачи воды, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому их используют в производстве, например, стиральных машин и других бытовая техника. Также устройства используются в процессе создания элементов умного дома».

Автомобильная промышленность

Индукционный датчик также используется в автомобилестроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. Когда металлический предмет, в данном случае зубец шестерни, приближается к устройству, он увеличивает магнитное поле, создаваемое встроенным постоянным магнитом, индуцируя переменное напряжение в катушке.

Внимание! Некоторые производители пытаются изменить конструкцию индуктивного датчика для повышения эффективности, например, используя внешние магниты для его активации.

Робототехническое оборудование

В случае робототехники индуктивные датчики использовались при производстве беспилотных транспортных средств и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройств, для которых важна самобалансировка.

Промышленная техника регулирования и измерения

Широко применяется в работе конвейерных систем, упаковочных машин и сборочных линий, а также в составе всевозможных станков и арматуры. Кроме того, индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленного оборудования (зубья шестерен, стальные флажки, пломбы), производственные объекты (изделия из металла, листовой прокат, крышки) и др. кроме того, при подключении к счетчикам импульсов может получиться простое, но чрезвычайно эффективное считывающее устройство.

Индукционные датчики следующего поколения

Благодаря новым разработкам в этой области созданы усовершенствованные модели современных индуктивных датчиков. Принцип работы остался прежним, но конструкция устройства подверглась значительной переработке. В результате датчики теперь оснащены тонкими 3D-печатными платами и современной цифровой электроникой. Кроме того, они производятся на гибких подложках, что устраняет необходимость в традиционных кабелях и разъемах. Таким образом, вы можете использовать устройства даже в сложных погодных условиях.

К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:

• снижение стоимости и веса, более компактные габариты;
• возможность выбора практически любого форм-фактора;
• повысить точность реагирования на металлические предметы;
• возможность проведения измерений, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
• упрощение конструкции;
• возможность установки нескольких индуктивных датчиков вплотную друг к другу за счет высокой электромагнитной совместимости.

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