Γενικά, ένας αισθητήρας είναι μια συσκευή που μετατρέπει ένα φυσικό μέγεθος σε ένα άλλο που μπορεί να επεξεργαστεί, να μεταδοθεί ή να μετατραπεί. Το πρώτο είναι συνήθως ένα φυσικό μέγεθος που δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα (θερμοκρασία, ταχύτητα, μετατόπιση κ.λπ.), ενώ το δεύτερο είναι ένα ηλεκτρικό ή οπτικό σήμα. Οι αισθητήρες, των οποίων το βασικό στοιχείο είναι το πηνίο επαγωγής, καταλαμβάνουν τη δική τους θέση στον τομέα των οργάνων μέτρησης.
Σχετικά με το
Πώς σχεδιάζονται και πώς λειτουργούν οι επαγωγικοί αισθητήρες
Οι επαγωγικοί αισθητήρες από την αρχή λειτουργίας τους είναι ενεργοί, δηλαδή απαιτούν εξωτερικό ταλαντωτή. Αυτό παράγει ένα σήμα με καθορισμένη συχνότητα και πλάτος στο πηνίο του πηνίου.
Το ρεύμα που διαρρέει τα πηνία δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Εάν ένα αγώγιμο αντικείμενο εισέλθει στο μαγνητικό πεδίο, οι παράμετροι του πηνίου αλλάζουν. Το μόνο που απομένει είναι να ανιχνεύσουμε αυτή την αλλαγή.
Οι απλοί αισθητήρες μη επαφής ανταποκρίνονται στην παρουσία μεταλλικών αντικειμένων στο κοντινό πεδίο του πηνίου. Η αλλαγή αυτή πρέπει να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα, να ενισχυθεί και/ή να ανιχνευθεί από ένα κύκλωμα σύγκρισης.
Ένας άλλος τύπος αισθητήρα ανταποκρίνεται στις μεταβολές της διαμήκους θέσης ενός αντικειμένου που χρησιμεύει ως πυρήνας του πηνίου. Καθώς αλλάζει η θέση του αντικειμένου, αυτό ολισθαίνει μέσα ή έξω από το πηνίο, αλλάζοντας έτσι την αυτεπαγωγή του. Αυτή η αλλαγή μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα και να μετρηθεί. Μια άλλη εκδοχή αυτού του αισθητήρα είναι όταν ένα αντικείμενο ωθείται στο πηνίο από το εξωτερικό. Αυτό προκαλεί μείωση της αυτεπαγωγής λόγω του φαινομένου της οθόνης.
Μια άλλη εκδοχή του επαγωγικού αισθητήρα μετατόπισης είναι ο γραμμικός μεταβλητός διαφορικός μετασχηματιστής (LVDT). Πρόκειται για ένα σύνθετο πηνίο που κατασκευάζεται με την ακόλουθη σειρά:
- δευτερεύον πηνίο 1,
- πρωτεύον τύλιγμα,
- δευτερεύον τύλιγμα 2.
Το σήμα από τη γεννήτρια εφαρμόζεται στο πρωτεύον τύλιγμα. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το μεσαίο πηνίο επάγει μια ΗΕΔ σε κάθε ένα από τα δευτερεύοντα πηνία (αρχή του μετασχηματιστή).αρχή του μετασχηματιστή). Ο πυρήνας, καθώς κινείται, μεταβάλλει την αμοιβαία σύζευξη μεταξύ των σπειρών, μεταβάλλοντας την ηλεκτροκινητική δύναμη σε κάθε ένα από τα τυλίγματα. Αυτή η αλλαγή μπορεί να ανιχνευθεί από το κύκλωμα μέτρησης. Δεδομένου ότι το μήκος του πυρήνα είναι μικρότερο από το συνολικό μήκος του σύνθετου πηνίου, ο λόγος της ΗΕΔ στα δευτερεύοντα τυλίγματα μπορεί να καθορίσει με σαφήνεια τη θέση του αντικειμένου.
Ένας περιστροφικός κωδικοποιητής βασίζεται στην ίδια αρχή της αλλαγής της επαγωγικής σύζευξης μεταξύ των περιελίξεων. Αποτελείται από δύο ομοαξονικά πηνία. Το σήμα εφαρμόζεται σε ένα από τα τυλίγματα, η ΗΕΔ στο δεύτερο τύλιγμα εξαρτάται από την αμοιβαία γωνία περιστροφής.
Είναι προφανές από την αρχή λειτουργίας ότι οι επαγωγικοί αισθητήρες, ανεξάρτητα από τον σχεδιασμό τους, είναι αισθητήρες μη επαφής. Λειτουργούν από απόσταση και δεν απαιτούν άμεση επαφή με το αντικείμενο που πρόκειται να παρακολουθηθεί.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των επαγωγικών αισθητήρων
Τα πλεονεκτήματα των επαγωγικών αισθητήρων είναι κυρίως
- Στιβαρή κατασκευή,
- χωρίς συνδέσεις επαφής,
- υψηλή ισχύς εξόδου, γεγονός που μειώνει την επίδραση του θορύβου και απλοποιεί το κύκλωμα ελέγχου,
- υψηλή ευαισθησία,
- Δυνατότητα λειτουργίας με τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος βιομηχανικής συχνότητας.
Τα κύρια μειονεκτήματα των επαγωγικών αισθητήρων είναι το μέγεθος, το βάρος και η πολυπλοκότητά τους. Απαιτείται ειδικός εξοπλισμός για την περιέλιξη των πηνίων με τις απαιτούμενες παραμέτρους. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι το πλάτος του σήματος από τον κύριο ταλαντωτή πρέπει να διατηρείται με ακρίβεια. Το εύρος ευαισθησίας μεταβάλλεται επίσης καθώς μεταβάλλεται το πλάτος του σήματος. Δεδομένου ότι οι αισθητήρες λειτουργούν μόνο με εναλλασσόμενο ρεύμα, η διατήρηση του πλάτους γίνεται ένα σαφές τεχνικό πρόβλημα. Δεν είναι δυνατή η απευθείας σύνδεση του αισθητήρα (ή μέσω μετασχηματιστή υποβιβασμού) σε οικιακό ή βιομηχανικό δίκτυο, όπου οι διακυμάνσεις της τάσης σε πλάτος ή συχνότητα μπορεί να είναι έως και 10%, ακόμη και σε κανονική λειτουργία, καθιστώντας την ακρίβεια των μετρήσεων απαράδεκτη.
Η ακρίβεια της μέτρησης μπορεί επίσης να επηρεαστεί από:
- Εξωτερικά μαγνητικά πεδία (η θωράκιση του αισθητήρα δεν είναι δυνατή με βάση την αρχή λειτουργίας του),
- επαγωγές πλευρικών ΗΜΠ στα καλώδια τροφοδοσίας και μέτρησης
- κατασκευαστικές ανακρίβειες,
- Σφάλματα στο χαρακτηριστικό του αισθητήρα,
- Οπισθοδρομήσεις ή παραμορφώσεις στη θέση τοποθέτησης του αισθητήρα που δεν επηρεάζουν τη γενική απόδοση,
- Εξάρτηση της ακρίβειας από τη θερμοκρασία (οι παράμετροι του σύρματος περιέλιξης, συμπεριλαμβανομένης της αντίστασής του, μεταβάλλονται).
Η αδυναμία των αισθητήρων επαγωγής να ανταποκριθούν στην παρουσία διηλεκτρικών αντικειμένων στο μαγνητικό τους πεδίο μπορεί να θεωρηθεί τόσο πλεονέκτημα όσο και μειονέκτημα. Από τη μία πλευρά, αυτό περιορίζει το εύρος των εφαρμογών. Από την άλλη πλευρά, τα καθιστά αναίσθητα στη βρωμιά, το λίπος, την άμμο κ.λπ. στα αντικείμενα που παρακολουθούνται.
Μέσω της κατανόησης των περιορισμών και των πιθανών περιορισμών των επαγωγικών αισθητήρων, τα πλεονεκτήματα των επαγωγικών αισθητήρων μπορούν να αξιοποιηθούν ορθολογικά.
Πεδία εφαρμογής των επαγωγικών αισθητήρων
Οι επαγωγικοί διακόπτες προσέγγισης χρησιμοποιούνται συχνά ως διακόπτες ορίου. Οι συσκευές αυτές χρησιμοποιούνται για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών:
- σε συστήματα ασφαλείας ως αισθητήρες για το μη εξουσιοδοτημένο άνοιγμα παραθύρων και θυρών,
- σε συστήματα τηλεελέγχου ως αισθητήρες οριακής θέσης για συγκροτήματα και μηχανισμούς,
- στην καθημερινή ζωή σε κυκλώματα ένδειξης της κλειστής θέσης θυρών, παραθύρων,
- για την καταμέτρηση αντικειμένων (π.χ. που κινούνται σε μια μεταφορική ταινία),
- για τον προσδιορισμό της ταχύτητας περιστροφής των οδοντωτών τροχών (κάθε δόντι που περνά από τον αισθητήρα παράγει έναν παλμό),
- Σε άλλες περιπτώσεις.
Οι κωδικοποιητές γωνιακής θέσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των γωνιών περιστροφής των αξόνων, των γραναζιών και άλλων περιστρεφόμενων μονάδων, καθώς και ως απόλυτοι κωδικοποιητές. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές εργαλειομηχανών και ρομποτικής μαζί με γραμμικούς κωδικοποιητές. Όπου είναι απαραίτητο να γνωρίζετε την ακριβή θέση των εξαρτημάτων της μηχανής.
Πρακτικές εφαρμογές για επαγωγικούς αισθητήρες
Στην πράξη, τα σχέδια επαγωγικών αισθητήρων μπορούν να υλοποιηθούν με διάφορους τρόπους. Η απλούστερη υλοποίηση και ενσωμάτωση είναι ο απλός αισθητήρας δύο καλωδίων, ο οποίος παρακολουθεί την παρουσία μεταλλικών αντικειμένων εντός της περιοχής ανίχνευσής του. Οι συσκευές αυτές κατασκευάζονται συχνά με βάση έναν πυρήνα σχήματος W, αλλά αυτό δεν είναι κρίσιμο σημείο. Αυτός ο σχεδιασμός είναι ευκολότερος στην κατασκευή.
Όταν αλλάζει η αντίσταση του πηνίου, αλλάζει το ρεύμα στο κύκλωμα και η πτώση τάσης στο φορτίο. Αυτές οι αλλαγές μπορούν να ανιχνευθούν. Το πρόβλημα είναι ότι η αντίσταση του φορτίου γίνεται κρίσιμη. Αν είναι πολύ μεγάλο, η αλλαγή στο ρεύμα όταν εμφανίζεται ένα μεταλλικό αντικείμενο θα είναι σχετικά μικρή. Αυτό μειώνει την ευαισθησία και την ανοσία του συστήματος. Εάν είναι μικρό, το ρεύμα στο κύκλωμα θα είναι υψηλό και θα απαιτείται ένας πιο ανθεκτικός αισθητήρας.
Για το λόγο αυτό, υπάρχουν κατασκευές όπου το κύκλωμα ανίχνευσης είναι ενσωματωμένο στο περίβλημα του αισθητήρα. Μια γεννήτρια παράγει παλμούς που τροφοδοτούν το πηνίο του επαγωγέα. Όταν επιτευχθεί ένα ορισμένο επίπεδο, ενεργοποιείται μια σκανδάλη, η οποία γυρίζει από την κατάσταση 0 σε 1 ή αντίστροφα. Ένας ρυθμιστικός ενισχυτής ενισχύει το σήμα ως προς την ισχύ ή/και την τάση, ανάβει (σβήνει) το LED και εξάγει ένα διακριτό σήμα για το εξωτερικό κύκλωμα.
Το σήμα εξόδου μπορεί να παραχθεί:
- μέσω ηλεκτρομαγνητικού ή ρελέ στερεάς κατάστασης - μηδενικό ή μοναδιαίο επίπεδο τάσης,
- "ξηρή επαφή" ηλεκτρομαγνητικό ρελέ;
- ανοικτός συλλέκτης τρανζίστορ (δομές n-p-n ή p-n-p).
Στην περίπτωση αυτή απαιτούνται τρία καλώδια για τη σύνδεση του αισθητήρα:
- παροχή ρεύματος,
- κοινό καλώδιο (0 volt),
- καλώδιο σήματος.
Αυτοί οι αισθητήρες μπορούν επίσης να τροφοδοτούνται από τάση συνεχούς ρεύματος. Οι επαγωγικοί παλμοί τους παράγονται από έναν εσωτερικό ταλαντωτή.
Οι διαφορικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της θέσης. Εάν το προς παρακολούθηση αντικείμενο βρίσκεται συμμετρικά σε σχέση με τα δύο πηνία, το ρεύμα που διαρρέει και τα δύο πηνία είναι το ίδιο. Εάν ένα από τα δύο πηνία είναι στραμμένο προς το πεδίο, εμφανίζεται ανισορροπία, το συνολικό ρεύμα δεν είναι πλέον μηδέν, γεγονός που μπορεί να ανιχνευθεί από μια ένδειξη με ένα βέλος στο κέντρο της κλίμακας. Ο δείκτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό τόσο του μεγέθους της μετατόπισης όσο και της κατεύθυνσής της. Ένα κύκλωμα ελέγχου μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί για ένα μετρητή με καντράν για να παρέχει ένα σήμα όταν λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με μια αλλαγή στη θέση, να αναλαμβάνει δράση για την ευθυγράμμιση του αντικειμένου, να κάνει διορθώσεις της διαδικασίας κ.λπ.
Οι αισθητήρες που βασίζονται στην αρχή των γραμμικά ρυθμιζόμενων διαφορικών μετασχηματιστών κατασκευάζονται ως πλήρεις μονάδες, αποτελούμενες από ένα πλαίσιο με πρωτεύοντα και δευτερεύοντα τυλίγματα και μια ράβδο που κινείται στο εσωτερικό της (μπορεί να είναι ελατηριωτή). Τα καλώδια για το σήμα της γεννήτριας και την ΗΕΔ των δευτερευουσών περιελίξεων συνδέονται προς τα έξω. Το ελεγχόμενο αντικείμενο μπορεί να συνδεθεί μηχανικά με το στέλεχος. Μπορεί επίσης να είναι κατασκευασμένο από διηλεκτρικό υλικό - μόνο η θέση του στελέχους έχει σημασία για τη μέτρηση.
Παρά ορισμένα εγγενή μειονεκτήματα, ο επαγωγικός αισθητήρας κλείνει πολλούς τομείς που σχετίζονται με την ανίχνευση αντικειμένων στο χώρο χωρίς επαφή. Παρά τη συνεχή εξέλιξη της τεχνολογίας, αυτός ο τύπος συσκευής δεν πρόκειται να εγκαταλείψει την αγορά συσκευών μέτρησης στο ορατό μέλλον, επειδή η δράση του βασίζεται στους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής.
Σχετικά άρθρα:
