Индукционный датчик принцип работы

Индуктивные датчики. Разновидности, принцип работы

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

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

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

Виды датчиков

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.

Пока хватит, перейдём к теме статьи.

Принцип работы индуктивного датчика

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

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

Поле индукционного датчика. Металлическая пластина меняет резонансную частоту колебательного контура

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

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

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

Применение индуктивного датчика

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

Работа индуктивного датчика

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

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

Характеристики индуктивных датчиков

Чем отличаются датчики.

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

Конструкция, вид корпуса

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

Диаметр цилиндрического датчика

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

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

Расстояние переключения (рабочий зазор)

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

Количество проводов для подключения

Подбираемся к схемотехнике.

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

2-проводный датчик. Схема включения

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

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

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

Виды выходов датчиков по полярности

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

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

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

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

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

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

Виды датчиков по состоянию выхода (НЗ и НО)

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

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

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

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

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

Положительная и отрицательная логика работы

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

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

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

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

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

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

Скачать инструкции и руководства на некоторые типы индуктивных датчиков:

• Autonics_PR / Индуктивные датчики приближения. Подробное описание параметровэ, pdf, 135.28 kB, скачан: 3160 раз./

• Autonics_proximity_sensor / Каталог датчиков приближения Autonics, pdf, 1.73 MB, скачан: 1864 раз./

• Omron_E2A / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан: 2434 раз./

• ТЕКО_Таблица взаимозаменяемости выключателей зарубежных производителей / Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан: 1867 раз./

• Turck_InduktivSens / Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан: 2390 раз./

• pnp npn / Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан: 3772 раз./

Скачать книгу про датчики

• Алейников А.Ф. Гридчин В.А. Цапенко М.П. Датчики / Алейников А.Ф. Гридчин В.А. Цапенко М.П. Датчики. Рассмотрены все виды датчиков – теория и практика, pdf, 13.21 MB, скачан: 2650 раз./

Принцип работы и подключение индуктивных датчиков

Бесконтактный датчик индуктивности позиционируется как сенсор, способный реагировать на металлические предметы, оказавшиеся в его электромагнитном поле. Благодаря этому свойству индуктивных бесконтактных датчиков удается отслеживать перемещение подвижных частей оборудования и при необходимости отключать двигатель приводного механизма. Для распознавания и анализа изменений магнитного поля в их состав вводится специальный электронный узел, называемый контроллером (компаратором).

Устройство и принцип действия

Индукционные датчики положения, помимо электронного компаратора, содержат в своем составе следующие обязательные компоненты:

  • стальной корпус с разъемом для соединительного шнура;
  • встроенный чувствительный элемент, регистрирующий на изменения магнитного поля, выполнен в виде стального сердечника с катушкой;
  • исполнительный релейный модуль;
  • индикатор активации на светодиоде.

Конструкции различных моделей датчиков металла могут иметь некоторые отличия. Они не влияют на сам индукционный датчик, принцип работы его от этого не меняется.

В соответствии с устройством прибора суть его работы описывается следующим образом:

  • перемещение металлической части контролируемого объекта приводит к изменению индуктивности чувствительного элемента датчика;
  • отклонение объясняется искажением его магнитного поля, следствием которого является изменение параметров электрической схемы и ее активация (светодиод загорается);
  • после этого срабатывает электронный модуль и посылает сигнал на исполнительное устройство;
  • при поступлении импульса о превышении перемещением допустимого предела выходной (релейный) узел отключает контролируемое оборудование от сети.

Каждая модель имеет собственный показатель чувствительности по перемещению — зазор смещения. Для различных образцов этот параметр варьируется в пределах от 1 микрона до 20 миллиметров.

Параметры индуктивных датчиков

Помимо диапазона срабатывания или чувствительности индуктивный датчик характеризуется следующими рабочими показателями:

  • Размер (диаметр) посадочной резьбы, у различных образцов принимающий значения от 8-ми до 30-ти мм.
  • Номинальное напряжение питания при температуре плюс 20 градусов, до 90 Вольт постоянного и до 230 Вольт – переменного токов.
  • Общая длина корпуса — ее значение зависит от рабочего напряжения.

Последний показатель у различных образцов может варьироваться в значительных пределах.

Для чувствительной или активной зоны прибора вводится еще один параметр, называемый гарантированным пределом срабатывания. Его нижняя граница равна нулю, а верхняя составляет 80 процентов от номинального значения. Этот показатель иногда называют поправочным коэффициентом рабочего зазора.

Не менее важный показатель функциональности чувствительного прибора – количество соединительных проводов в разъеме. Обычно их насчитывается два или три: два питающих и один для активации схемы. Однако возможны варианты подключения, при обустройстве которых используются четыре или пять контактных точек. Подобные образцы кроме двух питающих проводников содержат два выхода на нагрузку. При этом пятый проводник используется для выбора режима работы самого устройства.

Виды выходов и способы подключения

Для оценки действия чувствительного прибора вводится особая характеристика, оцениваемая по состоянию полярности его выходных параметров. В соответствии с общепринятым обозначением полупроводниковых элементов (транзисторов), входящих в состав электронной схемы датчика, эти выходы называются «PNP» и «NPN».

Отличие этих наименований состоит в том, что они обозначают различные полярности (полюса) источника питания чувствительных приборов. PNP транзисторы коммутируют его положительный выход, а NPN – отрицательный. Нагрузкой выходных схем чаще всего является управляющий микропроцессор.

В зависимости от схемы управления контроллером индуктивные датчики обозначаются как HO (нормально открытые) или HЗ – с нормально закрытым входом.

Вариант с NPN транзистором – наиболее распространенный способ включения датчика, поскольку согласно стандартным схемным решениям отрицательный провод делается общим для всех компонентов. В этом случае входы микропроцессоров и других контролирующих устройств активируются положительным напряжением.

Маркировка при подключении

На принципиальных схемах индуктивные датчики принято обозначать в виде ромба или квадрата с двумя вертикальными линиями внутри. Нередко в них также указывается тип выхода (нормально открытый или закрытый), соответствующий одной из разновидностей полупроводниковых транзисторов. В большинстве вариантов схем указывается нормально закрытая группа или оба типа в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов

На практике применяется стандартная система маркировки выводов датчиков индуктивности, которой придерживаются все без исключения производители чувствительных приборов. Тем не менее, перед их монтажом рекомендуется внимательно следить за полярностью подключения и обязательно сверяться с прилагаемой к изделиям инструкцией.

На корпусах всех датчиков имеется рисунок с цветной маркировкой проводов, если это позволяют его размеры.

Стандартный порядок обозначения:

  • синий (Blue) всегда означает минусовую шину питания;
  • коричневым цветом (Brown) обозначается плюсовой проводник;
  • черный (Black) соответствует выходу датчика;
  • белый (White) – это дополнительный выход или вход.
Читайте также:  Делаем ручной бур для земли самостоятельно

Для уточнения последнего маркировочного обозначения его следует сверить с данными инструкции, прилагаемой к конкретному прибору.

Погрешности датчиков

Погрешность снятия показаний контрольной системой существенно влияет на работу бесконтактного индуктивного датчика. Ее общая величина набирается из отдельных ошибок измерений по различным показателям: электромагнитным, температурным, аппаратным, магнитной упругости и многим другим.

Электромагнитная погрешность определяется как случайно проявляющаяся величина. Она появляется из-за паразитной ЭДС, наведенной в катушке внешними магнитными полями. В производственных условиях этот компонент создается силовым оборудованием с рабочей частотой 50 Герц. Температурная погрешность – один из важнейших показателей, поскольку работать большинство датчиков могут лишь в определенном диапазоне температур. Она обязательно учитывается при проектировании устройств этого класса.

Погрешность магнитной упругости вводится как показатель нестабильности деформаций сердечника, возникающей в процессе сборки прибора, а также как тот же фактор, но проявляющийся при его работе. Нестабильности внутренних напряжений в магнитопроводе приводит к ошибкам в обработке выходного сигнала. Погрешность, возникающая в самом чувствительном устройстве, проявляется из-за влияния полевой структуры на коэффициент деформации металлических элементов датчика. Кроме того, на ее суммарное значение существенно влияют люфты и зазоры в подвижных частях конструкции.

Погрешность соединительного кабеля набирается из отклонений величины сопротивления его проводных жил в зависимости от температурного фактора, а также как наводки посторонних электромагнитных полей и ЭДС. Тензометрическая погрешность как случайная величина зависит от качества изготовления намоточных элементов датчика (его катушки, в частности). В различных условиях эксплуатации возможно изменение сопротивления обмотки по постоянному току, приводящее к «плаванию» выходного сигнала. Погрешность старения проявляется вследствие износа подвижных элементов датчика, а также изменения электромагнитных свойств магнитопровода.

Проверить реальную величину этого параметра удается только с помощью сверхточных измерительных приборов. При этом обязательно принимаются во внимание кинематические особенности самого датчика. При проектировании и изготовлении чувствительных элементов такая возможность заранее учитывается в его конструкции.

Для индуктивных и емкостных датчиков характерны режимы работы со многими факторами влияния, определяемыми конкретными условиями эксплуатации. Именно поэтому выбор подходящих для данной марки прибора чувствительности и набора выходных параметров является определяющим при его использовании в качестве конечного выключателя.

Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики

В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.

Сфера применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.

Устройство

Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):

Устройство индуктивного датчика

Рис. 1. Устройство индуктивного датчика

Как видите на рисунке, в его состав входят:

  • магнитопровод или ярмо (1) – предназначен для передачи электромагнитного поля от генератора в зону чувствительности;
  • катушка индуктивности (2) – создает переменное электромагнитное поле при протекании электрического тока по виткам;
  • объект измерения (3) – металлический якорь, вводимый или перемещаемый в области чувствительности, неметаллические предметы не способные влиять на состояние электромагнитного поля, поэтому они не используются в качестве детектора;
  • зазор между объектом измерения и основным магнитопроводом (4) – обеспечивает меру взаимодействия в качестве магнитного диэлектрика, в зависимости от модели датчика и способа перемещения может оставаться неизменным или колебаться в заданном диапазоне;
  • генератор (5) — предназначен для генерации электрического напряжения заданной частоты, которое будет создавать переменное магнитное поле в заданной области.

Принцип работы

Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.

Магнитное поле в состоянии покоя

Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя

При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.

Магнитное поле при введении объекта срабатывания

Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания

При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.

Расстояние срабатывания и объект воздействия

В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.

Область и объект срабатывания

Рис. 4. Область и объект срабатывания

Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.

Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:

Зависимость расстояния срабатывания от материала

Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала

На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного. В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:

  • замыкающий – при перемещении контролируемого объекта происходит перевод во включенное положение;
  • размыкающий – в случае воздействия индуктивный датчик переводит контакты в отключенное положение;
  • переключающий – одновременно объединяет оба предыдущих варианта, за одну коммутацию переводит один вывод во включенное, второй, в отключенное положение.

По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.

Одинарый и дифференциальный датчик

Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик

По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:

  • напряжение питания – определяет допустимый минимум и максимум разности потенциалов, при которой индуктивный датчик нормально работает;
  • минимальный ток срабатывания – наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
  • расстояние срабатывания – допустимый промежуток удаления, при котором будет происходить коммутация;
  • индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость электрического тока и линий магнитной индукции для конкретной модели;
  • поправочный коэффициент – применяется для внесения поправки, в зависимости от дополнительных факторов;
  • частота переключений – максимально возможное количество раз коммутации в течении секунды;
  • габаритные размеры и способ установки.

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Схема подключения двухпроводного датчика

Рис. 7. Схема подключения двухпроводного датчика

Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

Схема подключения трехпроводного датчика индуктивности

Рис. 8. Схема подключения трехпроводного датчика индуктивности

В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

Схема подключения четырехпроводного датчика индуктивности

Рис. 9. Схема подключения четырехпроводного датчика индуктивности

По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.

Пятипроводных датчиков индуктивности

Схема подключения пятипроводного датчика индуктивности

Рис. 10. Схема подключения пятипроводного датчика индуктивности

В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:

  • высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
  • может функционировать как от бытовой сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и прочих источников питания;
  • способны обеспечивать значительную мощность на выходе — порядка нескольких десятков Ватт;
  • характеризуются высокой чувствительностью в зоне измерения.

Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.

Что такое индуктивный бесконтактный датчик, его устройство и принцип работы

Датчик в общем понимании – это устройство, преобразующее одну физическую величину в другую, удобную для обработки, передачи или последующего преобразования. Как правило, первая величина физическая, не поддающаяся непосредственному измерению (температура, скорость, перемещение и т.п.), а вторая – электрический или оптический сигнал. Свою нишу в области средств измерения занимают датчики, основным элементом которых служит катушка индуктивности.

Как устроен датчик индуктивности и принцип его работы

По принципу действия индуктивные датчики относятся к активным, то есть, для работы им требуется внешний генератор. Он обеспечивает подачу на катушку индуктивности сигнала с заданной частотой и амплитудой.

Принцип работы индуктивного бесконтактного датчика.

Ток, проходящий через витки катушки, создает магнитное поле. Если в магнитное поле попадает токопроводящий предмет, параметры катушки изменяются. Остается только зафиксировать это изменение.

Простые бесконтактные датчики реагируют на появление металлических объектов в ближней зоне обмотки. При этом изменяется импеданс катушки, это изменение надо преобразовать в электрический сигнал, усилить и (или) зафиксировать прохождение порога с помощью схемы сравнения.

Датчики другого типа реагируют на изменение продольного положения объекта, который служит сердечником катушки. При изменении положения объекта он вдвигается или выдвигается из катушки, тем самым изменяя её индуктивность. Это изменение можно преобразовать в электрический сигнал и измерить. Другой вариант исполнения такого датчика – когда объект надвигается на катушку снаружи. Это вызывает уменьшение индуктивности вследствие экранного эффекта.

Ещё один вариант исполнения индуктивного датчика перемещения – линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT). Он представляет собой составную катушку, выполненную в следующем порядке:

  • вторичная обмотка 1;
  • первичная обмотка;
  • вторичная обмотка 2.

Сигнал с генератора подается на первичную обмотку. Магнитное поле, создаваемое средней катушкой, наводит ЭДС в каждой из вторичных (принцип трансформатора ). Сердечник при его перемещении изменяет взаимную связь между катушками, изменяя электродвижущую силу в каждой из обмоток. Это изменение можно зафиксировать схемой измерения. Так как длина сердечника меньше общей длины составной катушки, то по соотношению ЭДС во вторичных обмотках можно однозначно определить положение объекта.

На этом же принципе – изменение индуктивной связи между обмотками – построен датчик поворота. Он состоит из двух соосных катушек. Сигнал подаётся на одну из обмоток, ЭДС во второй зависит от взаимного угла поворота.

Из принципа действия очевидно, что индуктивные датчики, независимо от исполнения, относятся к бесконтактным. Они работают на расстоянии, и непосредственного касания контролируемого объекта не требуют.

Читайте также:  Как выбрать краску для чугунных радиаторов отопления? Пошаговый процесс окрашивания

Достоинства и недостатки индуктивных датчиков

К плюсам датчиков индуктивного типа в первую очередь относят:

  • надежность конструкции;
  • отсутствие контактных соединений;
  • большую выходную мощность, что снижает влияние шумов и упрощает схему управления;
  • высокая чувствительность;
  • возможность работы от источников переменного напряжения промышленной частоты.

К основному недостатку датчиков индуктивного типа можно отнести их размеры, вес и сложность изготовления. Для намотки катушек с заданными параметрами требуется специальное оборудование. Также минусом считается необходимость точного поддержания амплитуды сигнала с задающего генератора. При её изменении меняется и область чувствительности. Так как датчики работают только на переменном токе, поддержание амплитуды становится определенной технической проблемой. Напрямую (или через понижающий трансформатор) в бытовую или производственную сеть включить датчик не получится – в ней колебания напряжения по амплитуде или частоте могут даже в нормальном режиме достигать 10%, что делает точность измерения неприемлемой.

Также на точность измерения могут влиять:

  • сторонние магнитные поля (экранировка датчика невозможна исходя из принципа его действия);
  • сторонние наводки ЭДС в питающих и измерительных кабелях;
  • погрешности при изготовлении;
  • погрешность характеристики датчика;
  • люфты или деформации в месте установки датчика, не влияющие на общую работоспособность;
  • зависимость точности от температуры (изменяются параметры намоточного провода, включая его сопротивление).

Неспособность датчиков индуктивности реагировать на появление в их магнитном поле диэлектрических предметов можно отнести как к достоинствам, так и к недостаткам. С одной стороны, это ограничивает область их применения. С другой – делает нечувствительными к наличию на контролируемых объектах грязи, жиров, песка и т.п.

Читайте также: Что такое электроконтактный манометр, назначение, принцип работы, схема подключения и обзор популярных моделей

Знание недостатков и возможных ограничений при работе индуктивных датчиков позволяют рационально использовать их достоинства.

Область применения индуктивных датчиков

Индуктивные бесконтактные датчики часто применяют в качестве концевых выключателей. Такие устройства получили распространение:

  • в охранных системах, как датчики несанкционированного открытия окон и дверей;
  • в системах телемеханики, как датчики конечного положения узлов и механизмов;
  • в быту в схемах индикации закрытого положения дверей, створок;
  • для подсчета предметов (например, движущихся по ленте транспортера);
  • для определения частоты вращения зубчатых колес (каждый зубец, проходя мимо датчика, создает импульс);
  • в прочих ситуациях.

Сработка индуктивного датчика.

Датчики углового положения могут применяться для определения углов поворота валов, шестерней и других вращающихся узлов, а также в качестве абсолютных энкодеров. Также такие устройства могут использоваться в станочном оборудовании и в робототехнических устройствах наряду с датчиками линейного положения. Там, где надо точно знать положение узлов механизмов.

Практические примеры реализации индуктивных датчиков

На практике конструкции индуктивных датчиков могут быть реализованы по-разному. Самое простое исполнение и включение у двухпроводного одинарного датчика, который контролирует наличие металлических предметов в своей зоне чувствительности. Такие устройства часто делаются на основе Ш-образного сердечника, но это непринципиальный момент. Подобное исполнение проще в производстве.

Принципиальноя схема работы индуктивного датчика.

При изменении сопротивления катушки меняется ток в цепи и падение напряжения на нагрузке. Эти изменения можно зафиксировать. Проблема в том, что сопротивление нагрузки становится критичным. Если оно слишком большое, то изменения тока при появлении металлического предмета будут относительно небольшими. Это снижает чувствительность и помехоустойчивость системы. Если оно мало, то ток в цепи будет велик, потребуется более стойкий датчик.

Схема работы индуктивного бесконтактного датчика.

Поэтому существуют конструкции, у которых схема измерения встроена в корпус датчика. Генератор формирует импульсы, которые питают катушку индуктивности. При достижении определенного уровня срабатывает триггер, перебрасываясь из состояния 0 в 1 или обратно. Буферный усилитель усиливает сигнал по мощности и (или) напряжению, зажигает (гасит) светодиод и выдает дискретный сигнал для внешней схемы.

Выходной сигнал может формироваться:

  • посредством электромагнитного или твердотельного реле – уровень напряжения нуля или единицы;
  • «сухой контакт» электромагнитного реле;
  • открытым коллектором транзистора (структуры n-p-n или p-n-p).

Читайте также: Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

В этом случае для подключения датчика потребуется три провода:

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

Принципиальная схема индуктивного датчика на постоянном напряжении.

Такие датчики могут питаться и от постоянного напряжения. Импульсы на индуктивность у них формируются посредством внутреннего генератора.

Принципиальная схема индуктивного датчика.

Для контроля положения используются дифференциальные датчики. Если контролируемый объект находится симметрично относительно обеих катушек, ток через них одинаков. При смещении в сторону поля любой обмотки происходит разбаланс, суммарный ток перестает быть равным нулю, что может быть зафиксировано индикатором со стрелкой посередине шкалы. По индикатору можно определить как величину смещения, так и его направление. Вместо стрелочного прибора можно применить схему управления, которая при получении информации об изменении положения выдаст сигнал, примет меры по выравниванию объекта, внесет коррективы в технологический процесс и т.п.

Внешний вид индуктивных датчиков.

Датчики, выполненные по принципу линейно-регулируемых дифференциальных трансформаторов, выпускаются в виде законченных конструкций, представляющих собой каркас с первичной и вторичными обмотками и штоком, перемещающимся внутри (он бывает подпружиненным). Наружу выведены провода для подачи сигнала с генератора и съёма ЭДС со вторичных обмоток. К штоку механическим путём может быть присоединен контролируемый объект. Он может быть изготовлен и из диэлектрика – для измерения имеет значение лишь положение штока.

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.

Индуктивный датчик

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.

Датчик

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.

Схема индуктивного датчика

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.

Датчик индуктивный

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.

Датчик индуктивный

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.

Индуктивные датчики

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.

Датчик индуктивный с кабелем

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.

Читайте также:  Использование термоколец в натяжных потолках

Датчик

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.

Составляющие датчика индуктивного

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.

Как работают индукционные датчики положения и зачем нужна технология CIPOS

Что объединяет ускорение, торможение, рулевое управление и переключение передач? Все эти относящиеся к безопасному вождению процессы требуют точной регистрации положения механических узлов и управления их перемещением. В современном автомобиле эти функции реализуются при участии бесконтактных индукционных датчиков положения, которые также известны как датчики траектории или датчики угла положения. Они и сейчас играют ключевую роль во всё большем числе автомобилей, а скоро без них и вовсе будет не обойтись. Объясняем, почему так, как они работают, что такое технология CIPOS и причём тут Hella.

Индукционный датчик служит для контроля положения элемента механизма без непосредственного контакта с ним и реагирует на перемещение контролируемого объекта. Помимо узлов автомобилей (здесь — в актуаторе дроссельной заслонки), индукционные датчики широко применяются в станках, медицинских приборах, системах автоматики и контроля и т. д. Источник (здесь и далее): Hella

Принципиальное устройство индукционных датчиков

Работа датчика основана на явлении электромагнитной индукции. Оно, кратко напомним школьный курс физики, состоит в том, что в замкнутом проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электрический ток. Помните опыт, когда к выводам катушки из нескольких витков провода подсоединяли вольтметр, а затем вносили в катушку магнит? При этом стрелка вольтметра отклоняется — это происходит благодаря электромагнитной индукции.

Вот в этом видеоролике о самом явлении и истории его открытия рассказывается подробнее. Потратьте три минуты времени, чтобы освежить знания:

Обратите внимание: металлический магнит не касается витков катушки, но она реагирует на его приближение и удаление.

Теперь рассмотрим, как устроен индукционный датчик. Его принципиальная схема изображена на рисунке:

Под действием электрического тока, протекающего по катушке (2), в ней возникает магнитное поле. Поскольку магнитная проводимость у железного сердечника (1) лучше, чем у воздуха, магнитное поле концентрируется в сердечнике и рассеивается в воздухе.

Если вблизи сердечника катушки появляется металлический предмет (3), рассеивание магнитного поля уменьшается, магнитный поток в сердечнике возрастает. Изменение магнитного поля вызывает изменение величины электрического тока в катушке — на резисторе R меняется напряжение — датчик срабатывает. Другими словами, появление в магнитном поле катушки металлического предмета изменяет её индуктивность — изменение индукции фиксируется электроникой. (Разумеется, в реальности картина сложнее, но для принципиального понимания работы индукционного датчика подробности можно опустить.)

Очевидно, что индукционный датчик реагирует только на металлические элементы — неметаллические предметы не проводят электрический ток, поэтому на переменное магнитное поле никак не влияют. Помимо этого, поскольку магнитное поле быстро уменьшается с расстоянием, контролируемый объект должен располагаться в зоне чувствительности датчика.

В этом видеоролике принцип работы индукционных датчиков рассмотрен на более высоком уровне — для его понимания нужно знание физики:

Преимущества индукционных датчиков

Из описания устройства индукционных датчиков следует два их важных (в частности, для автомобилестроения) свойства во-первых, они в процессе эксплуатации не изнашиваются — в них просто нечему ломаться; во-вторых, появляется возможность сделать корпус датчика водонепроницаемым.

Использование для питания катушки переменного тока высокой частоты повышает помехозащищённость датчиков: они не реагируют на магнитные поля, возникающие при работе электромоторов и при протекании больших токов по проводам, проложенным вблизи датчиков.

Индукционные датчики отличаются от других типов сенсоров также другими преимуществами:
— высокой точностью;
— быстрым срабатыванием и безынерционностью;
— способностью работать в широком диапазоне температур;
— способностью работать во влажной и химически агрессивной среде;
— конструктивной гибкостью.

В работе индукционных датчиков очень мало систематических погрешностей. Датчики чувствительны к нестабильности питающего напряжения, но это компенсируется незначительным усложнением электрической схемы их подключения.

Что такое технология CIPOS и почему она важна

CIPOS® (от англ. Contactless Inductive Position Sensors) — технология компании Hella, на основе которой разработаны бесконтактные индукционные датчики положения, отвечающие требованиям электромагнитной совместимости.

Hella разработала технологию CIPOS в конце 1990-х годов. Сегодня она применяется в электронных датчиках педалей, рулевого механизма, датчиках выравнивания положения кузова, а также датчиках положения, установленных на валу двигателя. Эта же технология используется в приводном механизме турбонаддува, в дроссельных заслонках, реле радиаторной решетки и в электромагнитных клапанах.

Особенность бесконтактных датчиков CIPOS заключается не только в их высокой надёжности и безотказности. Помимо этого, они позволяют определять положение контролируемого элемента в абсолютных величинах. Благодаря этому датчик может сообщить в блок управления правильные данные сразу же после включения питания. В этом преимущество абсолютных датчиков перед инкрементальными датчиками, которым после включения нужна калибровка для определения «точки отсчёта». Цифровую обработку сигналов производят разработанные Hella чипы, входящие в конструкцию каждого датчика CIPOS.

Датчики CIPOS построены на основе статора и ротора. Статор в свою очередь состоит из катушки возбуждения, приёмных катушек и чипа обработки сигналов. Ротор — это пассивный элемент с замкнутой обмоткой и особой геометрией. Индукционная связь между катушкой возбуждения, ротором и тремя приёмными катушками приводит к возникновению измеряемых сигналов, зависящих от положения ротора, которые отправляются затем в чип

Поскольку усилия инженеров направлены на уменьшение массы и габаритов автомобилей с целью экономии энергоресурсов, компоновка агрегатов становится всё более плотной. В результате в моторном отсеке становится теснее — и жарче. Компактные и конструктивно гибкие датчики CIPOS способны работать в условиях вибрации, повышенной влажности и при экстремальных температурах от –40°C до +170°C и более. При этом их форма, габариты и диапазон измерений легко адаптируются для решения конкретных задач.

Технология CIPOS остается одним из ключевых компонентов автомобилей с режимом автономного вождения и электромобилей. Электромобили с использованием бесщёточных двигателей обладают внушительным КПД и, соответственно, генерируют большую выработку тока. В датчиках CIPOS, работающих индуктивно в диапазоне 3–4 МГц, не используются постоянные электромагниты, а следовательно, в силу естественных свойств они не подвержены действию магнитных полей, создаваемых током двигателя.

Где найти индукционные датчики в автомобиле

Составить общее представление о местах размещения индукционных датчиков в современном автомобиле вам поможет этот короткий видеоролик от Hella:

Если предпочитаете читать, а не смотреть, то вот вам примерный, но не полный, список узлов и агрегатов, где в современных автомобилях применяются индукционные датчики:
— датчики положения дроссельной заслонки и педали газа;
— датчики педали тормоза и сцепления;
— приводной механизм турбонаддува;
— датчик реле управления радиаторной решёткой (в просторечии «жабры»);
— различные электромагнитные клапаны.

В продуктовой линейке Hella имеется множество индукционных датчиков. Вот несколько примеров, которые помогут читателю составить более предметное представление о них.

Датчики угла наклона устанавливаются на шасси автомобиля для управления автоматическим выравниванием фар или активного управления подвеской. Также используются для контроля нажатия на педали акселератора, тормоза, сцепления

Датчик положения дроссельной заслонки (TPS) устанавливается в корпус дроссельной заслонки и обеспечивает контроль положения заслонки во всём диапазоне температур

Датчик диапазона трансмиссии служит для более точного управления положением шестерней в системе трансмиссии

Датчик момента и угла поворота — важнейший элемент электроусилителя руля, особенно в автономных автомобилях

Датчик положения распредвала служит, как можно понять из названия, для определения точного положения вала двигателя в момент включения и передачи этой информации в блок управления двигателем. Он устанавливается на конце вала или в сквозном отверстии. Такой датчик пригоден для установки на двигатели с электронным управлением, при этом диапазон измерений полностью адаптируется к особенностям мотора

750 миллионов и будет больше

Сочетание возможностей и надёжности индукционных датчиков обеспечивают им широкую область применения. Они являются примером по-настоящему массового изделия. За два десятилетия компания Hella произвела более 750 миллионов датчиков, и их выпуск растёт.

Индукционные датчики являются необходимым компонентом автоматики, широко применяются в электромобилях. Это закономерно, ведь в движение электромобиль приводится электромоторами, создающими неблагоприятную электромагнитную среду, в которой трудно работать сенсорам, устроенным по альтернативным принципам. В ближайшие пару десятилетий электромобилей будет выпускаться гораздо больше. Даже General Motors объявила об отказе от выпуска автомобилей с ДВС после 2035 года. А значит, и производство и применение индукционных датчиков будет всё шире и шире.

Познакомиться с ассортиментом датчиков Hella можно в каталоге по ссылке. Если же у вас появились вопросы, задавайте их в комментариях под этим постом — мы постараемся на них ответить.

экзамен / Индукционные датчики

Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индукционных датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.

Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается двумя способами: постоянными магнитами или катушкой, обтекаемой постоянным током.

На рис. 6.19, а показана схема датчика с обмоткой W2, размещенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный поток Ф создается катушкой W1, включенной на постоянное напряжение. При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения:

где k коэффициент пропорциональности, зависящий от числа витков W2 и конструктивных параметров датчика.

На рис. 6.19, б показан датчик, в котором постоянный магнитный поток создается с помощью постоянного магнита с полюсными наконечниками. ЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке, пропорциональна скорости вращения Ω:

В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.

Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструкции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом (рис. 6.19, в). Надежность при этом повышается за счет отсутствия скользящего контакта. Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис. 6.19, б: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с вырезами (рис. 6.19, г) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. При вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость катушки.

В датчиках (рис. 6.19, б, в, г) в качестве выходного сигнала можно использовать частоту ЭДС. Принцип их действия по существу такой же, как у синхронных генераторов. Для измерения частоты вращения используются и специальные электрические машины малой мощности – тахогенераторы.

Тахогенератор постоянного тока имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнитный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропорциональная частоте вращения п: Е= кФп, где k постоянная, определяемая конструкцией.

Частота вращения п обычно выражается в 1/мин (количество оборотов в минуту) и связана со скоростью вращения выражением:

С помощью коллектора и щеток выходной сигнал подается на нагрузку в виде выпрямленного напряжения.

Тахогенератор переменного тока имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 град. Одна обмотка включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения п. Для повышения температурной стабильности в качестве материала полого ротора используется константан.

Тахогенераторы обладают высокой чувствительностью и мощностью выходного сигнала. Общим недостатком всех генераторных датчиков является зависимость выходного сигнала от сопротивления нагрузки.

Ссылка на основную публикацию