Senzor je obecně zařízení, které převádí jednu fyzikální veličinu na jinou, kterou lze zpracovat, přenést nebo převést. Prvním je obvykle fyzikální veličina, kterou nelze přímo měřit (teplota, rychlost, posun atd.), zatímco druhým je elektrický nebo optický signál. Snímače, jejichž základním prvkem je indukční cívka, zaujímají v oblasti měřicích přístrojů vlastní mezeru.
O stránkách
Jak jsou indukční senzory konstruovány a jak fungují
Indukční senzory jsou ze svého principu činnosti aktivní, tj. vyžadují externí oscilátor. Tím se v cívce induktoru generuje signál s definovanou frekvencí a amplitudou.
Proud protékající cívkami vytváří magnetické pole. Pokud do magnetického pole vstoupí vodivý předmět, změní se parametry cívky. Zbývá jen tuto změnu odhalit.
Jednoduché bezkontaktní senzory reagují na přítomnost kovových předmětů v blízkém poli cívky. Tím se změní impedance cívky a tato změna musí být převedena na elektrický signál, zesílený a/nebo detekovaný srovnávacím obvodem.
Jiný typ snímače reaguje na změny podélné polohy objektu, který slouží jako jádro cívky. Jak se mění poloha předmětu, zasouvá se do cívky nebo se z ní vysouvá, čímž se mění její indukčnost. Tuto změnu lze převést na elektrický signál a změřit ji. Jiná verze tohoto snímače spočívá v tom, že se na cívku zvenčí přitlačí nějaký předmět. To způsobuje snížení indukčnosti v důsledku stínicího efektu.
Další verzí indukčního snímače posunutí je lineární diferenciální transformátor (LVDT). Jedná se o složenou cívku vyrobenou v následujícím pořadí:
- sekundární cívka 1;
- primární vinutí;
- sekundární vinutí 2.
Signál z generátoru se přivádí na primární vinutí. Magnetické pole vytvořené střední cívkou indukuje EMP v každé ze sekundárních cívek (princip transformátoru).princip transformátoru). Při pohybu jádra se mění vzájemná vazba mezi cívkami, čímž se mění elektromotorická síla v každém z vinutí. Tuto změnu lze detekovat pomocí měřicího obvodu. Protože délka jádra je menší než celková délka složené cívky, poměr EMP v sekundárních vinutích může jednoznačně určit polohu objektu.
Rotační snímač je založen na stejném principu změny indukční vazby mezi vinutími. Skládá se ze dvou koaxiálních cívek. Signál se přivádí na jedno z vinutí, EMF v druhém vinutí závisí na vzájemném úhlu natočení.
Z principu činnosti je zřejmé, že indukční snímače jsou bez ohledu na jejich konstrukci bezkontaktní snímače. Pracují na dálku a nevyžadují přímý kontakt s monitorovaným objektem.
Výhody a nevýhody indukčních senzorů
Výhody indukčních snímačů jsou především
- Robustní konstrukce;
- žádná kontaktní spojení;
- vysoký výstupní výkon, který snižuje vliv šumu a zjednodušuje řídicí obvody;
- vysoká citlivost;
- Možnost provozu se střídavým napájením o průmyslové frekvenci.
Hlavní nevýhodou indukčních snímačů je jejich velikost, hmotnost a složitost. K navíjení cívek s požadovanými parametry je zapotřebí speciální zařízení. Další nevýhodou je, že je třeba přesně udržovat amplitudu signálu z hlavního oscilátoru. Se změnou amplitudy signálu se mění i rozsah citlivosti. Vzhledem k tomu, že senzory pracují pouze se střídavým proudem, stává se udržování amplitudy určitým technickým problémem. Snímač není možné připojit přímo (nebo přes snižovací transformátor) k domácí nebo průmyslové elektrické síti, kde mohou odchylky napětí v amplitudě nebo frekvenci dosahovat až 10 %, a to i při běžném provozu, takže přesnost měření je nepřijatelná.
Přesnost měření může být také ovlivněna:
- Vnější magnetické pole (stínění senzoru není na základě jeho principu činnosti možné);
- indukce bočního elektromagnetického pole v přívodních a měřicích kabelech.
- výrobní nepřesnosti;
- Chyby v charakteristice senzoru;
- Vrásky nebo deformace v místě montáže sondy, které nemají vliv na celkový výkon;
- Závislost přesnosti na teplotě (mění se parametry vinutí, včetně jeho odporu).
Neschopnost indukčních snímačů reagovat na přítomnost dielektrických objektů v jejich magnetickém poli lze považovat za výhodu i nevýhodu. To na jedné straně omezuje rozsah použití. Na druhou stranu jsou necitlivé na nečistoty, mastnotu, písek atd. na sledovaných objektech.
Pochopením omezení a možných limitů indukčních senzorů lze racionálně využít jejich výhod.
Oblasti použití indukčních senzorů
Indukční bezdotykové spínače se často používají jako koncové spínače. Tato zařízení se používají pro širokou škálu aplikací:
- v bezpečnostních systémech jako čidla neoprávněného otevření oken a dveří;
- v systémech dálkového ovládání jako snímače mezní polohy pro sestavy a mechanismy;
- v každodenním životě v indikačních obvodech zavřené polohy dveří, křídel;
- pro počítání předmětů (např. pohybujících se na dopravním pásu);
- pro určení rychlosti otáčení ozubených kol (každý zub procházející kolem snímače generuje impuls);
- V jiných situacích.
Snímače úhlové polohy lze použít k určení úhlů natočení hřídelí, ozubených kol a jiných rotujících jednotek a také jako absolutní snímače. Vedle lineárních snímačů je lze použít také v obráběcích strojích a v robotice. Všude tam, kde je třeba znát přesnou polohu součástí stroje.
Praktické aplikace indukčních senzorů
V praxi lze konstrukce indukčních senzorů realizovat různými způsoby. Nejjednodušší implementací a začleněním je dvouvodičový jednoduchý senzor, který sleduje přítomnost kovových předmětů v oblasti snímání. Tato zařízení se často vyrábějí na základě jádra ve tvaru W, ale to není rozhodující. Tato konstrukce je jednodušší na výrobu.
Při změně odporu cívky se mění proud v obvodu a úbytek napětí na zátěži. Tyto změny lze zjistit. Problém je v tom, že zatěžovací odpor se stává kritickým. Pokud je příliš velký, bude změna proudu při objevení kovového předmětu relativně malá. Tím se snižuje citlivost a odolnost systému. Pokud je malý, proud v obvodu bude vysoký a bude zapotřebí odolnějšího senzoru.
Z tohoto důvodu existují konstrukce, kde jsou snímací obvody zabudovány do pouzdra snímače. Generátor generuje impulsy, které napájejí cívku induktoru. Po dosažení určité úrovně se aktivuje spouštěč, který překlopí stav 0 na 1 nebo naopak. Nárazníkový zesilovač zesiluje signál z hlediska výkonu a/nebo napětí, rozsvěcuje (zhasíná) LED diodu a vydává diskrétní signál pro externí obvod.
Výstupní signál lze generovat:
- pomocí elektromagnetického nebo polovodičové relé - nulová nebo jednotná úroveň napětí;
- "suchý kontakt" elektromagnetické relé;
- otevřený kolektor tranzistor (struktury n-p-n nebo p-n-p).
V tomto případě jsou k připojení senzoru zapotřebí tři vodiče:
- napájení;
- společný vodič (0 V);
- signální vodič.
Tyto senzory mohou být napájeny také stejnosměrným napětím. Jejich indukční impulsy jsou generovány vnitřním oscilátorem.
Pro sledování polohy se používají diferenciální snímače. Pokud je sledovaný objekt vůči oběma cívkám symetrický, je proud procházející oběma cívkami stejný. Pokud je některá z cívek vychýlena směrem k poli, dochází k nevyváženosti, celkový proud již není nulový, což lze zjistit pomocí indikátoru se šipkou uprostřed stupnice. Pomocí indikátoru lze určit velikost posunu i jeho směr. Místo číselníkového měřidla lze použít řídicí obvod, který po obdržení informace o změně polohy vydá signál, provede opatření k vyrovnání objektu, provede korekce procesu atd.
Snímače založené na principu lineárně regulovaných diferenciálních transformátorů se vyrábějí jako kompletní konstrukce sestávající z rámu s primárním a sekundárním vinutím a tyče, která se uvnitř pohybuje (může být odpružená). Vodiče pro signál generátoru a EMF sekundárního vinutí jsou připojeny ven. Ovládaný předmět může být mechanicky spojen s dříkem. Může být také vyroben z dielektrického materiálu - pro měření je důležitá pouze poloha dříku.
Navzdory určitým vnitřním nevýhodám indukční senzor uzavírá mnoho oblastí souvisejících s bezkontaktní detekcí objektů v prostoru. Navzdory neustálému technologickému vývoji tento typ zařízení v dohledné době trh s měřicími přístroji neopustí, protože jeho působení je založeno na základních fyzikálních zákonech.
Související články:
