Jaké jsou výhody a nevýhody indukčních snímačů

Konstrukční vlastnosti hlavních ovládacích prvků (vinutí cívek a kovových částí) činí většinu indukčních snímačů mimořádně spolehlivými. Vzhledem k jejich solidní pověsti je nasnadě otázka: “Proč se indukční senzory nepoužívají častěji?” Důvodem je, že jejich fyzická síla je jejich výhodou i nevýhodou. Indukční snímače jsou přesné, spolehlivé a stabilní, ale jsou také velké, objemné a těžké. Vysoká spotřeba materiálu a nutnost pečlivého navíjení cívek prodražuje výrobu snímačů, zejména vysoce přesných zařízení vyžadujících přesné navíjení. Kromě jednoduchých bezkontaktních snímačů jsou složitější indukční snímače příliš drahé na to, aby je bylo možné použít v rozšířených komerčních nebo průmyslových aplikacích.
Dalším důvodem jejich relativně vzácného použití jsou potíže konstruktérů při sestavování specifikací. To je způsobeno skutečností, že obvody generování střídavého proudu a zpracování signálu pro každý senzor je nutné vypočítat a zakoupit samostatně. To obvykle vyžaduje hluboké dovednosti a znalosti analogové elektroniky. Jelikož se mladí inženýři snaží zaměřit na digitální elektroniku, považují studium takových oborů za zbytečnou kvalifikaci, které je třeba se vyhnout.

Symbol senzoru přiblížení

Ve schématech zapojení jsou indukční snímače (snímače přiblížení) označeny čtvercem se dvěma čarami, otočenými o 45°. Příklad na obr. 3.

V horním diagramu je normálně otevřený (NO) kontakt (konvenčně označovaný PNP tranzistor). Druhý obvod je normálně uzavřen a třetí obvod jsou oba kontakty v jednom pouzdře.

Indukční senzory nové generace

V posledních letech se však na trhu objevila nová generace indukčních senzorů, které jsou stále populárnější nejen v tradičních aplikacích, ale také v průmyslovém, automobilovém, lékařském, utilitním, vědeckém a ropném a plynárenském sektoru. Tyto indukční senzory nové generace využívají stejné základní fyzikální zákony jako tradiční zařízení, ale používají desky s plošnými spoji a pokročilou digitální elektroniku spíše než objemné konstrukce transformátorů a analogovou elektroniku. Tento elegantní přístup také umožňuje použití těchto technologií ve 2D a 3D senzorech, lineárních zařízeních se zkrácenými (

Společnost Zettlex vyvinula inovativní technologii, která tvoří základ této nové generace indukční metody a která byla v posledních letech výrazně vylepšena díky úspěšným konstrukčním řešením. Použití desek plošných spojů umožňuje tisk senzorů na tenké a flexibilní substráty, což také eliminuje potřebu tradičních kabelů a konektorů. Hlavní výhodou nového přístupu je jeho flexibilita (jak v doslovném smyslu teak, tak ve smyslu ochoty vyvíjet vlastní designy pro OEM). Tato technologie poskytuje spolehlivé a přesné měření podobné tradiční metodě za nepříznivých provozních podmínek. Má také následující důležité výhody:

Čtěte také: Jak vyrobit tekutý plast vlastníma rukama? Technologie výroby a rozsah použití

• nižší náklady;
• zvýšená přesnost;
• snížená hmotnost;
• zjednodušený design (žádná ložiska, těsnění nebo pouzdra);
• kompaktní velikost – zejména s ohledem na délku zdvihu ve srovnání s tradičními LVDT;
• zjednodušené elektrické rozhraní – typicky obsahuje stejnosměrný zdroj a absolutní digitální signál.

Barevné kódování vodičů snímače

K dispozici je standardní systém označování senzorů. Všichni výrobci ho v současnosti dodržují.

• Modrá – minus výkon.
• Hnědá – plus výživa.
• Černá – výstup.
• Bílá – druhý výstup nebo řídicí vstup.

Bezprostředně před instalací by však bylo užitečné ujistit se, že připojení je správné, podle návodu k připojení (pokynů). Kromě toho jsou zpravidla barvy vodičů uvedeny na samotném snímači, pokud to jeho velikost umožňuje.

Výměna senzorů

Jak jsem již psal, existují v zásadě 4 typy snímačů s tranzistorovým výstupem, které se dělí podle vnitřní struktury a spínacího obvodu:

Všechny tyto typy snímačů lze mezi sebou vyměnit, tzn. jsou zaměnitelné.

To je implementováno následujícími způsoby:

• Změna iniciačního zařízení – mechanicky se mění konstrukce.
• Změna stávajícího obvodu připojení snímače.
• Přepínání typu výstupu snímače (pokud jsou takové přepínače na těle snímače).
• Přeprogramování programu – změna aktivní úrovně daného vstupu, změna algoritmu programu.

Níže je uveden příklad, jak můžete vyměnit snímač PNP za snímač NPN změnou schématu připojení:

Schémata zaměnitelnosti PNP-NPN. Vlevo je původní schéma, vpravo upravené.

Pochopení činnosti těchto obvodů vám pomůže pochopit skutečnost, že tranzistor je klíčovým prvkem, který může být reprezentován běžnými reléovými kontakty (příklady jsou uvedeny níže v notaci).

Barevné kódování vodičů snímače

K dispozici je standardní systém označování senzorů. Všichni výrobci jej v současnosti dodržují.

Před instalací je však dobré se přesvědčit o správnosti zapojení podle návodu k připojení (pokynů). Kromě toho jsou zpravidla barvy vodičů uvedeny na samotném snímači, pokud to jeho velikost umožňuje.

Toto je označení.

• Modrá – minus výkon
• Hnědá – plus
• Černá – výstup
• Bílá – druhý výstup nebo ovládací vstup, musíte se podívat na návod.

Skutečné senzory

Je obtížné koupit senzory, produkt je specifický a elektrikáři je v obchodech neprodávají. Případně je můžete koupit v Číně na AliExpress.

Zde jsou typy optických senzorů, se kterými se při své práci setkávám.

Děkuji všem za pozornost, těším se na dotazy ohledně připojení senzorů v komentářích!

Čtěte také: Bodovací fréza: odrůdy a hlavní velikosti

Varianta č. 1: použijte speciální převodník, např. zařízení pro přizpůsobení signálu USM, které je prezentováno v našem sortimentu, nebo podobný.

Možnost číslo 2: pokud vám alespoň minimálně vyhovuje páječka, vyrobte si převodník sami.

Pokud máte snímač s výstupem PNP, ale potřebujete NPN, sestavíme následující obvod:

Tranzistor Q1 je jakýkoli vhodný NPN, například 2SC495, BC445, BD237.

Pokud máte snímač s výstupem NPN, ale potřebujete PNP, použijte následující obvod:

Tranzistor Q1 – jakýkoli vhodný PNP, například 2N5401, KT502D.

Co je nového ve skupině VK SamElectric.ru?

Přihlaste se k odběru a přečtěte si článek dále:

Takže tady je schéma vlevo. Předpokládejme, že typ snímače je NE. Poté (bez ohledu na typ tranzistoru na výstupu), když snímač není aktivní, jsou jeho výstupní „kontakty“ otevřené a neprotéká jimi žádný proud. Když je senzor aktivní, kontakty jsou sepnuté se všemi z toho vyplývajícími důsledky. Přesněji s proudem procházejícím těmito kontakty)). Procházející proud vytváří úbytek napětí na zátěži.

Vnitřní zatížení je z nějakého důvodu zobrazeno tečkovanou čarou. Tento odpor existuje, ale jeho přítomnost nezaručuje stabilní provoz snímače, snímač musí být připojen ke vstupu regulátoru nebo jiné zátěži. Odpor tohoto vstupu je hlavní zátěží.

Pokud ve snímači není žádné vnitřní zatížení a kolektor „visí ve vzduchu“, nazývá se to „okruh s otevřeným kolektorem“. Tento obvod funguje POUZE s připojenou zátěží.

Takže v obvodu s výstupem PNP, když je aktivován, je napětí (+V) přivedeno na vstup regulátoru přes otevřený tranzistor a je aktivováno. Jak můžeme dosáhnout stejného s výstupem NPN?

Jsou situace, kdy požadovaný senzor není po ruce a stroj musí pracovat „hned“.

Podíváme se na změny v diagramu vpravo. V první řadě je zajištěn pracovní režim výstupního tranzistoru snímače. K tomu je do obvodu přidán další rezistor, jehož odpor je obvykle asi 5,1 – 10 kOhm. Nyní, když senzor není aktivní, je na vstup regulátoru přivedeno napětí (+V) přes přídavný odpor a vstup regulátoru je aktivován. Když je senzor aktivní, je na vstupu regulátoru diskrétní „0“, protože vstup regulátoru je přerušen otevřeným tranzistorem NPN a téměř veškerý přídavný odporový proud prochází tímto tranzistorem.

Systém označení pro indukční snímače

Typ snímače je indikován číslicově abecedním kódem, který kóduje hlavní parametry snímače. Níže je uveden systém označování oblíbených senzorů Autonics. / Katalog senzorů přiblížení Omron, pdf, 1.14 MB, staženo: 1247 krát./

/ Jak lze vyměnit snímače TEKO, pdf, 179.92 kB, staženo: 1004x./

/ Senzory od společnosti Turck, pdf, 4.13 MB, staženo: 1336 krát./

Čtěte také: Jak si vyrobit nůž doma vlastníma rukama

/ Schéma připojení čidel pomocí schémat PNP a NPN v programu Splan/ Zdrojový soubor., rar, 2.18 kB, staženo: 2163x./

Indukční snímače slouží k převodu úhlového nebo lineárního mechanického pohybu na střídavé elektrické napětí [11]. Princip činnosti takovýchto snímačů je založen na změně indukčnosti cívky s feromagnetickým jádrem (samotné indukční snímače) nebo vzájemné indukčnosti soustavy takových cívek (transformátorové indukční snímače) při změně velikosti měřeného posuvu. . Indukční snímače patří mezi parametrické převodníky signálu a podle principu činnosti vyžadují napájení ze zdroje střídavého proudu.

Nejjednodušší indukční snímač s proměnnými hodnotami vzduchové mezery (obr. 2.24, а

) je cívka
1
, umístěný na jádru
2
vyrobeno z feromagnetického materiálu a zapojeno do obvodu střídavého proudu v sérii se zátěžovým odporem
R
n. Kotva snímače
3
připojený ke zdroji měřeného pohybu a může se pohybovat translačně vzhledem k jádru
2
.

Rýže. 2.24. Nejjednodušší indukční senzor:
а
– schematický diagram;
б
– závislost indukčnosti vinutí snímače na velikosti vzduchové mezery;
в
– statická charakteristika snímače (
1
– ideální;
2
– skutečný)

Indukčnost L

cívky
1
s magnetickým jádrem
2
v přítomnosti vzduchové mezery se δ rovná:

počet závitů cívky;
R
m.st =
l
m/(μ
S
m), Rd = 2/ (u0
S
d) – magnetický odpor ocelového magnetického jádra a vzduchové mezery, Gn-1;
l
m – průměrná délka ocelového magnetického obvodu, m; d – délka vzduchové mezery, m; μ, μ0 – magnetické permeability ocelového magnetického jádra a vzduchu, Gn/m;
S
m
S
d
–
plocha průřezu ocelového magnetického jádra a vzduchové mezery, m2.

Neochota R

Obvod je určen odporem ocelového magnetického obvodu (jádro a kotva)
R
m.st a dvě vzduchové mezery
R
d,t. E.
R
m =
R
m.st +
R
d. Protože
R
d >>
R
m.st, pak indukčnost cívky (obr. 2.24,
б
)

Indukčnost cívky je tedy nepřímo úměrná velikosti vzduchové mezery. V tomto případě napětí na výstupu snímače

ki ω
L
– aktivní a indukční odpor cívky;
R
н
–
aktivní zátěžový odpor.

>>
R
j. Za předpokladu, že odpor zátěže je malý ve srovnání s odporem cívky, může být výraz (2.30) reprezentován jako:

kde je koeficient prostupu (citlivost) indukčního snímače.

Tedy za přijatých předpokladů statická charakteristika U

výstup = φ(δ) indukčního snímače bude lineární (přímka 1, obr. 2.24,
в
Skutečná charakteristika bude mít nelineární úseky v malých a velkých mezerách d (křivka
2
,rýže. 2.24,
в
). Při malém δ odpor ovlivňuje
R
m.st a při velkém d se zvětšují rozptylové toky, které nejsou brány v úvahu při vyjádření (2.31).

Čtěte také: Co použít místo zajišťovače nití

Indukční snímače s proměnnou vzduchovou mezerou slouží k měření posuvů v rozsahu 0,01 ¸ 1 mm. Při velkých hodnotách se statická charakteristika snímače stává nelineární.

Protože indukční snímač je amplitudový modulátor, volí se frekvence napájecího napětí na základě poměru, ve kterém wmax označuje maximální možnou frekvenci změny měřeného posuvu. V automatických řídicích systémech maximální frekvence změny vstupního signálu

K napájení indukčních snímačů se proto obvykle používají vysokofrekvenční napěťové zdroje (400, 500, 1000 Hz), což také umožňuje výrazně zmenšit snímače.

Mezi nevýhody nejjednodušších indukčních snímačů patří přítomnost proudu naprázdno a následně i napětí U

ost na výstupu při d = 0, stejně jako nízká citlivost při malých pohybech. Tyto snímače jsou navíc jednostranné a nereagují tedy na změny znaménka vstupní veličiny.

Zmíněné nevýhody chybí u push-pull (reverzibilních) indukčních snímačů, obvykle připojených přes diferenciální nebo můstkové obvody.

Napájecí napětí je přivedeno na jednu úhlopříčku můstku U

napájení a druhá úhlopříčka zahrnuje zátěžový odpor. Parametry obvodu jsou voleny tak, že když je kotva ve střední poloze, můstek je vyvážený a výstupní napětí snímače
U
out = 0. Tato poloha kotvy snímače je brána jako nula naměřené hodnoty posunutí (obr. 2.25, Obr.
а
). Při vychýlení kotvy ze střední polohy se naruší rovnováha můstku a na zatěžovacím odporu se objeví napětí, jehož velikost závisí na velikosti měřeného posuvu.
lx
a při změně znaménka se fáze změní o 180°
lx
.

Výhodou diferenciálních snímačů je také nižší (ve srovnání s jednocyklovými obvody) citlivost snímače na kolísání okolní teploty díky tomu, že změny odporu vinutí umístěných ve dvou sousedních ramenech můstku nezpůsobí jeho nerovnováha.

Rýže. 2.25. Diferenční indukční snímač: а

– schematický diagram;
б
– statická charakteristika

Všimněte si, že kdy lx

= 0, výstupní napětí diferenciálního snímače je nulové pouze v ideálním případě, za přítomnosti úplné elektrické a magnetické symetrie obou ramen snímače. Reálné snímače mají vzhledem k neidentickým parametrům magnetických jader a vinutí vždy nějaké zbytkové napětí (řádově jednotky a desítky milivoltů).

Pro měření velkých pohybů (jednotky a desítky milimetrů) se používají diferenciální indukční snímače typu solenoidu (obr. 2.26). Tyto senzory se skládají ze dvou cívek 1

и
2
, uzavřený ve společném pouzdře a zahrnutý v můstkovém obvodu.

Měřenou veličinou je pohyb feromagnetického jádra 3, společný pro obě cívky. Princip činnosti snímače je podobný principu činnosti snímače znázorněného na Obr. 2.25, а

a nevyžaduje žádné vysvětlení.

Indukční snímače úhlové polohy typu „inductosyn“ doplňují produktovou řadu KUBO pro konstrukci moderních domácích elektrických pohonů pro mechatronické a robotické systémy pro speciální a průmyslové účely.

Mezi různými fyzikálními principy pro vytváření snímačů úhlové polohy se KUBO usadilo na indukčním principu, protože poskytuje nepopiratelné výhody oproti optickým, kapacitním, magnetickým a odporovým snímačům v úlohách vyžadujících vysokou přesnost a odolnost vůči vnějším ovlivňujícím faktorům.

Princip činnosti indukčních úhlových snímačů

V roce 1831 objevil Michael Faraday jev elektromagnetické indukce, podle kterého se elektromotorická síla (EMF) vznikající v uzavřené kanceláři rovná derivaci magnetického toku procházejícího tímto obvodem, bráno se záporným znaménkem, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1 – Princip elektromagnetické indukce

Tento princip lze rozšířit na systém dvou induktorů (vinutí) uspořádaných v prostoru tak, že mohou mít společný magnetický tok Ф. Magnetický tok vytvořený primárním vinutím indukuje emf v sekundárním vinutí U, jehož hodnota je úměrná rychlosti změny celkového magnetického toku vinutí dF/dt. Poměr magnetického toku Ф k proudu v primárním vinutí se nazývá vzájemná indukčnost.

Princip činnosti indukčních snímačů, jako jsou sinusovo-kosinové rotační transformátory (SCRT) a induktosyny, spočívá v tom, že vzájemná indukčnost cívek je funkcí úhlu natočení mezi nimi.

Srovnání s kapacitními snímači

Podobně jako indukční snímače jsou kapacitní snímače stavěny na principu modulace vzájemné kapacity rotujících těles úhlem jejich vzájemného natočení.

Kapacita mezi dvěma deskami, jak vyplývá z obrázku 2, je určena oblastí jejich překrytí, vzdáleností mezi deskami a dielektrickou konstantou média mezi nimi. Dielektrická konstanta ε obvykle se vyjadřuje jako součin absolutní dielektrické konstanty ε₀ = 8.85 × 10⁻XNUMX F/m na relativní dielektrickou konstantu εᵣ, ε = ε₀·εᵣ.

Pokud je kapacitní snímač úhlu navržen tak, že oblast překrytí desek je funkcí úhlu, lze úhel určit měřením kapacity mezi nimi. Desky jsou technologicky vyráběny ve formě desek plošných spojů.

Obrázek 2 – Kapacita mezi dvěma deskami

Pro získání dostatečné úrovně signálu z kapacitního snímače je vzdálenost mezi deskami d by měla být výrazně menší než 1 mm.

Nevýhody kapacitních snímačů vyplývají z fyzikálního principu jejich činnosti.

Vzájemná kapacita mezi deskami je ovlivněna změnami okolní teploty v důsledku teplotní závislosti vzdálenosti d mezi deskami, který má větší relativní příspěvek, tím menší je absolutní hodnota vzdálenosti d.

Malá vzdálenost mezi deskami sama o sobě klade vysoké nároky na přesnost výroby dílů pouzdra, které nesou kapacitní úhlový snímač.

Dalším faktorem ovlivňujícím nestabilitu charakteristik kapacitních snímačů je proměnlivost dielektrické konstanty ε prostředí mezi deskami. Tedy v případě rosy usazené na povrchu desek s relativní dielektrickou konstantou εᵣ = 81, údaje snímače budou nepřesné. Z tohoto důvodu lze použití kapacitních snímačů doporučit pouze v systémech plněných suchým vzduchem nebo jiným plynem.

Některé kapacitní snímače mohou být citlivé na kapacitní rušení, ke kterému dochází u elektrických pohonů kvůli vysoké rychlosti změny potenciálu. dU/dt silové vodiče způsobené činností spínačů měniče napájení.

Induktosyny nemají popsané nevýhody, protože vzdálenost mezi rotorem a statorem induktosynů KUBO je asi 1 mm a indukční princip činnosti zajišťuje, že hodnoty senzoru jsou nezávislé na dielektrické konstantě média. ε.

Srovnání s optickými senzory

Existují dvě nejběžnější provedení optických úhlových snímačů. První typ zahrnuje snímače prstencového typu, u kterých optická hlava čte polohu z prstence stupnice s natištěným kódem. Druhý typ zahrnuje senzory, které fungují na principu prosvítání disku s natištěnými značkami, které mohou mít charakteristickou velikost několika mikronů.

Ačkoli drahé optické senzory mohou mít velmi vysoké rozlišení a přesnost, mají ve srovnání s indukčními senzory následující nevýhody:

– prstencové snímače často kladou extrémně vysoké požadavky na přesnost vzájemné polohy prstence a čtecích hlav;

– prstencové snímače jsou velmi citlivé na znečištění a poškození prstence stupnice a také na rosení;

– všechny optické snímače jsou citlivé na nárazy a vibrace.

Z těchto důvodů nejsou optické snímače vhodné pro použití v elektrických pohonech umístěných na pohyblivých médiích pracujících v širokém teplotním rozsahu.

Srovnání s rotačními transformátory

Navzdory skutečnosti, že induktosyny a sinusovo-kosinové rotační transformátory (SCVT nebo resolvery) využívají indukčního principu, jsou mezi nimi značné rozdíly.

Hlavní rozdíly mezi klasickým SCVT a induktosyny jsou absence magnetického obvodu a cívek navinutých měděným drátem u induktosynů. Tyto okolnosti určují řadu výhod induktosynů:

– absence chyby spojené s fenoménem hystereze v železném jádru;

– výrazně nižší hmotnost induktosynů;

– špičková technologie výroby indukčních vinutí metodou instalace tištěných spojů.

Navíc některé vysoce přesné dvoupočetné SCVT mohou mít mezeru mezi statorem a rotorem řádově 50 ÷ 100 μm, což klade vysoké nároky na přesnost výroby dílů skříně.

Induktosyny KUBO mají vestavěný řadič digitálního zpracování signálu, který implementuje složité algoritmy pro zesilování a konverzi analogových signálů a také z nich následné získávání informací o úhlové poloze rotoru. Na rozdíl od SCVT jsou inductosyny kompletním řešením, které nevyžaduje externí elektroniku (HT ADC, resolver na digitální převodník atd.).

Inductosyny lze připojit přímo k mikrokontroléru elektrického pohonu, který má společné rozhraní SPI s fyzickou vrstvou standardu RS-422.

Vnitřní objem induktosynů, znázorněný na obrázku 3, vyplněný odolnou směsí, poskytuje vynikající odolnost vůči vnějším vlivům, jako jsou vibrace, nárazy a vlhkost.

Obrázek 3 – Pohled v řezu na induktosyn

Závěry

Domácí induktosyny KUBO, které využívají indukčního principu k určení úhlové polohy rotoru, jsou optimálním řešením pro moderní digitální elektropohony vystavené širokému spektru vnějších ovlivňujících faktorů.