Czujnik w sensie ogólnym to urządzenie, które przekształca jedną wielkość fizyczną w inną, dogodną do przetwarzania, przesyłania lub późniejszej konwersji. Z reguły pierwsza wielkość jest wielkością fizyczną, nie podlegającą bezpośredniemu pomiarowi (temperatura, prędkość, przemieszczenie itp.), a druga jest sygnałem elektrycznym lub optycznym. Niszę w dziedzinie przyrządów pomiarowych zajmują czujniki, których głównym elementem jest cewka indukcyjna.
Zawartość
Jak działa i jak działa czujnik indukcyjny
Zgodnie z zasadą działania czujniki indukcyjne są aktywne, to znaczy wymagają do działania zewnętrznego generatora. Dostarcza do cewki sygnał o określonej częstotliwości i amplitudzie.
Prąd przepływający przez zwoje cewki wytwarza pole magnetyczne. Jeśli przedmiot przewodzący wejdzie w pole magnetyczne, zmienią się parametry cewki.Pozostaje tylko naprawić tę zmianę.
Proste czujniki bezdotykowe reagują na pojawienie się metalowych przedmiotów w bliskiej strefie uzwojenia. Zmienia to impedancję cewki, zmiana ta musi zostać zamieniona na sygnał elektryczny, wzmocnić i (lub) naprawić przekroczenie progu za pomocą obwodu porównawczego.
Czujniki innego typu reagują na zmiany położenia wzdłużnego obiektu stanowiącego rdzeń cewki. Kiedy pozycja obiektu się zmienia, porusza się on do lub z cewki, zmieniając w ten sposób jej indukcyjność. Ta zmiana może zostać przetworzona na sygnał elektryczny i zmierzona. Inną wersją takiego czujnika jest sytuacja, gdy obiekt zbliża się do cewki z zewnątrz. Powoduje to zmniejszenie indukcyjności ze względu na efekt gruntu.
Inną wersją indukcyjnego czujnika przemieszczenia jest liniowo regulowany transformator różnicowy (LVDT). Jest to cewka kompozytowa, wykonana w następującej kolejności:
- uzwojenie wtórne 1;
- uzwojenie pierwotne;
- uzwojenie wtórne 2.
Sygnał z generatora podawany jest do uzwojenia pierwotnego. Pole magnetyczne wytworzone przez środkową cewkę indukuje EMF w każdym z wtórnych (zasada transformatora). Rdzeń, gdy się porusza, zmienia wzajemne połączenie między cewkami, zmieniając siłę elektromotoryczną w każdym z uzwojeń. Ta zmiana może być naprawiona przez obwód pomiarowy. Ponieważ długość rdzenia jest mniejsza niż całkowita długość cewki kompozytowej, położenie obiektu może być jednoznacznie określone przez współczynnik EMF w uzwojeniach wtórnych.
Na tej samej zasadzie - zmianie sprzężenia indukcyjnego między uzwojeniami - zbudowany jest czujnik skrętu.Składa się z dwóch cewek współosiowych. Sygnał jest podawany na jedno z uzwojeń, siła elektromotoryczna w drugim zależy od wzajemnego kąta obrotu.
Z zasady działania wynika, że czujniki indukcyjne, niezależnie od konstrukcji, są bezkontaktowe. Działają na odległość i nie wymagają bezpośredniego kontaktu z kontrolowanym obiektem.
Zalety i wady czujników indukcyjnych
Do zalet czujników typu indukcyjnego należą przede wszystkim:
- niezawodność projektu;
- brak połączeń kontaktowych;
- wysoka moc wyjściowa, która zmniejsza wpływ szumów i upraszcza obwód sterowania;
- wysoka czułość;
- możliwość pracy ze źródeł napięcia przemiennego o częstotliwości przemysłowej.
Główną wadą czujników typu indukcyjnego jest ich rozmiar, waga i złożoność produkcji. Do nawijania cewek o zadanych parametrach wymagane jest specjalne wyposażenie. Również potrzeba dokładnego utrzymania amplitudy sygnału z oscylatora głównego jest uważana za minus. Kiedy się zmienia, zmienia się również obszar wrażliwości. Ponieważ czujniki działają tylko na prąd zmienny, utrzymanie amplitudy staje się pewnym problemem technicznym. Bezpośrednio (lub przez transformator obniżający napięcie) nie będzie można podłączyć czujnika do sieci domowej lub przemysłowej – w nim wahania napięcia amplitudy lub częstotliwości mogą w trybie normalnym sięgać nawet 10%, co sprawia, że dokładność pomiaru jest nie do zaakceptowania .
Ponadto na dokładność pomiaru mogą mieć wpływ:
- pola magnetyczne stron trzecich (ekranowanie czujnika jest niemożliwe ze względu na zasadę jego działania);
- przetworniki EMF innych producentów w kablach zasilających i pomiarowych;
- błędy produkcyjne;
- błąd charakterystyki czujnika;
- luzy lub deformacje w miejscu instalacji czujnika, które nie wpływają na ogólną wydajność;
- zależność dokładności od temperatury (zmiany parametrów drutu nawojowego, w tym jego rezystancji).
Niezdolność czujników indukcyjnych do reagowania na pojawienie się obiektów dielektrycznych w ich polu magnetycznym można przypisać zarówno zaletom, jak i wadom. Z jednej strony ogranicza to zakres ich stosowania. Z drugiej strony czyni go niewrażliwym na obecność brudu, tłuszczu, piasku itp. na monitorowanych obiektach.
Znajomość niedociągnięć i ewentualnych ograniczeń w działaniu czujników indukcyjnych pozwala na racjonalne wykorzystanie ich zalet.
Zakres czujników indukcyjnych
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe są często używane jako wyłączniki krańcowe. Takie urządzenia stały się powszechne:
- w systemach bezpieczeństwa, jako czujniki do nieuprawnionego otwierania okien i drzwi;
- w systemach telemechaniki, jako czujniki położenia końcowego zespołów i mechanizmów;
- w życiu codziennym w schematach wskazywania pozycji zamkniętej drzwi, rolet;
- do liczenia przedmiotów (np. poruszających się po taśmie przenośnika);
- określić prędkość obrotową kół zębatych (każdy ząb przechodzący przez czujnik wytwarza impuls);
- w innych sytuacjach.
Enkodery kątowe mogą być używane do określania kątów obrotu wałów, kół zębatych i innych elementów obrotowych, a także enkoderów absolutnych. Również takie urządzenia mogą być stosowane w obrabiarkach i urządzeniach zrobotyzowanych wraz z liniowymi czujnikami położenia. Gdzie musisz dokładnie znać położenie węzłów mechanizmów.
Praktyczne przykłady realizacji czujników indukcyjnych
W praktyce projekty czujników indukcyjnych można realizować na różne sposoby. Najprostsze wykonanie i włączenie dotyczy dwuprzewodowego pojedynczego czujnika, który monitoruje obecność metalowych przedmiotów w swojej strefie czułości. Takie urządzenia są często wykonane na bazie rdzenia w kształcie litery E, ale nie jest to zasadnicza kwestia. Taka implementacja jest łatwiejsza do wykonania.
Gdy zmienia się rezystancja cewki, zmienia się prąd w obwodzie i spadek napięcia na obciążeniu. Te zmiany mogą zostać zatwierdzone. Problem polega na tym, że rezystancja obciążenia staje się krytyczna. Jeśli jest zbyt duży, to zmiany prądu, gdy pojawi się metalowy przedmiot, będą stosunkowo niewielkie. Zmniejsza to czułość i odporność systemu na zakłócenia. Jeśli jest mały, to prąd w obwodzie będzie duży, wymagany będzie bardziej odporny czujnik.
Dlatego zdarzają się konstrukcje, w których obwód pomiarowy jest wbudowany w obudowę czujnika. Generator generuje impulsy, które zasilają cewkę indukcyjną. Po osiągnięciu pewnego poziomu wyzwalacz uruchamia się, przechodząc ze stanu 0 do 1 lub odwrotnie. Wzmacniacz buforowy wzmacnia sygnał pod względem mocy i (lub) napięcia, zapala (gaśnie) diodę LED i wysyła dyskretny sygnał do obwodu zewnętrznego.
Sygnał wyjściowy może być utworzony:
- przez elektromagnetyczne lub przekaźnik półprzewodnikowy – zero lub jeden poziom napięcia;
- "suchy kontakt" przekaźnik elektromagnetyczny;
- otwarty kolektor tranzystor (struktury n-p-n lub p-n-p).
W takim przypadku do podłączenia czujnika potrzebne są trzy przewody:
- jedzenie;
- wspólny przewód (0 V);
- przewód sygnałowy.
Takie czujniki mogą być również zasilane napięciem stałym. Impulsy do indukcyjności są formowane za pomocą wewnętrznego generatora.
Enkodery różnicowe służą do monitorowania położenia. Jeżeli kontrolowany obiekt jest symetryczny względem obu cewek, prąd płynący przez nie jest taki sam. Gdy jakiekolwiek uzwojenie zostanie przesunięte w kierunku pola, pojawia się nierównowaga, całkowity prąd przestaje być równy zeru, co można zarejestrować za pomocą wskaźnika ze strzałką w środku skali. Wskaźnika można użyć do określenia zarówno wielkości przesunięcia, jak i jego kierunku. Zamiast urządzenia wskazującego możesz użyć schematu sterowania, który po otrzymaniu informacji o zmianie położenia wyda sygnał, podejmie działania w celu wyrównania obiektu, dokona korekty procesu technologicznego itp.
Czujniki wykonane zgodnie z zasadą liniowo regulowanych transformatorów różnicowych produkowane są w postaci kompletnych konstrukcji, które są ramą z uzwojeniem pierwotnym i wtórnym oraz poruszającym się wewnątrz prętem (może być obciążony sprężyną). Przewody są wyprowadzone w celu wysłania sygnału z generatora i usunięcia pola elektromagnetycznego z uzwojeń wtórnych. Kontrolowany przedmiot może być mechanicznie przymocowany do pręta. Może być również wykonany z dielektryka - do pomiaru liczy się tylko pozycja trzpienia.
Pomimo pewnych nieodłącznych niedociągnięć czujnik indukcyjny zamyka wiele obszarów związanych z bezdotykowym wykrywaniem obiektów w przestrzeni.Mimo ciągłego rozwoju technologii tego typu urządzenie nie opuści rynku urządzeń pomiarowych w dającej się przewidzieć przyszłości, ponieważ jego działanie opiera się na fundamentalnych prawach fizyki.
Podobne artykuły:
