Czujnik w ogólnym ujęciu to urządzenie przetwarzające jedną wielkość fizyczną na inną, którą można przetwarzać, przesyłać lub przekształcać. Pierwsza z nich to zazwyczaj wielkość fizyczna, której nie można bezpośrednio zmierzyć (temperatura, prędkość, przemieszczenie itp.), natomiast druga to sygnał elektryczny lub optyczny. Czujniki, których podstawowym elementem jest cewka indukcyjna, zajmują własną niszę w dziedzinie przyrządów pomiarowych.
O stronie
Jak są zaprojektowane i jak działają czujniki indukcyjne?
Czujniki indukcyjne ze względu na swoją zasadę działania są aktywne, tzn. wymagają zewnętrznego oscylatora. Generuje to w cewce indukcyjnej sygnał o określonej częstotliwości i amplitudzie.
Prąd płynący przez cewki wytwarza pole magnetyczne. Jeśli do pola magnetycznego dostanie się obiekt przewodzący prąd, parametry cewki ulegną zmianie. Pozostaje tylko wykryć tę zmianę.
Proste czujniki bezdotykowe reagują na obecność obiektów metalowych w polu bliskim cewki. Zmiana impedancji cewki musi zostać przekształcona w sygnał elektryczny, wzmocniony i/lub wykryty przez układ porównawczy.
Inny typ czujnika reaguje na zmiany położenia wzdłużnego obiektu, który służy jako rdzeń cewki. Gdy obiekt zmienia swoje położenie, wsuwa się lub wysuwa z cewki, zmieniając w ten sposób jej indukcyjność. Zmiana ta może być przekształcona w sygnał elektryczny i zmierzona. Inna wersja tego czujnika polega na wciśnięciu obiektu na cewkę od zewnątrz. Powoduje to zmniejszenie indukcyjności ze względu na efekt ekranu.
Inną odmianą indukcyjnego czujnika przemieszczenia jest liniowy zmienny transformator różnicowy (LVDT). Jest to cewka złożona, wykonana w następującej kolejności:
- cewka wtórna 1;
- uzwojenie pierwotne;
- uzwojenie wtórne 2.
Sygnał z generatora jest podawany na uzwojenie pierwotne. Pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę środkową indukuje EMF w każdej z cewek wtórnych (zasada działania transformatora).zasada działania transformatora). Rdzeń, poruszając się, zmienia wzajemne sprzężenie między cewkami, zmieniając siłę elektromotoryczną w każdym z uzwojeń. Zmiana ta może być wykryta przez układ pomiarowy. Ponieważ długość rdzenia jest mniejsza niż całkowita długość cewki kompozytowej, stosunek EMF w uzwojeniach wtórnych może jednoznacznie określić położenie obiektu.
Enkoder obrotowy opiera się na tej samej zasadzie zmiany sprzężenia indukcyjnego między uzwojeniami. Składa się z dwóch współosiowych cewek. Sygnał jest podawany do jednego z uzwojeń, a EMF w drugim uzwojeniu zależy od wzajemnego kąta obrotu.
Z zasady działania wynika, że czujniki indukcyjne, niezależnie od ich konstrukcji, są czujnikami bezdotykowymi. Działają one na odległość i nie wymagają bezpośredniego kontaktu z monitorowanym obiektem.
Zalety i wady czujników indukcyjnych
Zalety czujników indukcyjnych to przede wszystkim
- Wytrzymała konstrukcja;
- brak połączeń stykowych;
- duża moc wyjściowa, co zmniejsza wpływ zakłóceń i upraszcza układy sterowania;
- wysoka czułość;
- Możliwość pracy z zasilaniem prądem przemiennym o częstotliwości przemysłowej.
Głównymi wadami czujników indukcyjnych są ich rozmiar, masa i złożoność. Do nawijania cewek o wymaganych parametrach niezbędny jest specjalny sprzęt. Kolejną wadą jest konieczność dokładnego utrzymywania amplitudy sygnału z oscylatora głównego. Zakres czułości zmienia się również wraz ze zmianą amplitudy sygnału. Ponieważ czujniki działają tylko na prąd zmienny, utrzymanie amplitudy staje się poważnym problemem technicznym. Nie jest możliwe podłączenie czujnika bezpośrednio (lub za pomocą transformatora step-down) do domowej lub przemysłowej sieci zasilającej, w której zmiany napięcia pod względem amplitudy lub częstotliwości mogą wynosić do 10%, nawet podczas normalnej pracy, co sprawia, że dokładność pomiaru jest nie do przyjęcia.
Na dokładność pomiaru mogą mieć również wpływ:
- Zewnętrzne pola magnetyczne (ekranowanie czujnika nie jest możliwe ze względu na jego zasadę działania);
- indukcji ubocznych pól elektromagnetycznych w przewodach zasilających i pomiarowych
- niedokładności produkcyjne;
- Błędy w charakterystyce czujnika;
- Uderzenia lub odkształcenia w miejscu zamocowania sondy, które nie mają wpływu na ogólną charakterystykę pracy;
- Zależność dokładności od temperatury (zmieniają się parametry drutu nawojowego, w tym jego rezystancja).
Niezdolność czujników indukcyjnych do reagowania na obecność obiektów dielektrycznych w ich polu magnetycznym można uznać zarówno za zaletę, jak i wadę. Z jednej strony ogranicza to zakres zastosowań. Z drugiej strony czyni je niewrażliwymi na brud, smar, piasek itp. występujące na monitorowanych obiektach.
Dzięki zrozumieniu ograniczeń i możliwych ograniczeń czujników indukcyjnych można racjonalnie wykorzystać ich zalety.
Obszary zastosowań czujników indukcyjnych
Indukcyjne wyłączniki zbliżeniowe są często stosowane jako wyłączniki krańcowe. Urządzenia te są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach:
- w systemach bezpieczeństwa jako czujniki nieuprawnionego otwarcia okien i drzwi;
- w systemach telesterowania jako czujniki pozycji krańcowych dla zespołów i mechanizmów;
- w życiu codziennym w obwodach sygnalizacji położenia zamkniętego drzwi, skrzydeł;
- do liczenia obiektów (np. poruszających się na przenośniku taśmowym);
- do określania prędkości obrotowej kół zębatych (każdy ząb przechodzący przez czujnik generuje impuls);
- W innych sytuacjach.
Enkodery położenia kątowego mogą być stosowane do określania kątów obrotu wałów, kół zębatych i innych elementów obrotowych, a także jako enkodery absolutne. Można je również stosować w obrabiarkach i robotyce jako uzupełnienie enkoderów liniowych. Wszędzie tam, gdzie konieczna jest dokładna znajomość położenia elementów maszyny.
Praktyczne zastosowania czujników indukcyjnych
W praktyce czujniki indukcyjne można stosować na różne sposoby. Najprostszą konstrukcją i zastosowaniem jest dwuprzewodowy pojedynczy czujnik, który monitoruje obecność obiektów metalowych w swoim zasięgu. Urządzenia te są często wykonywane w oparciu o rdzeń w kształcie litery W, ale nie jest to kwestia kluczowa. Taka konstrukcja jest łatwiejsza w produkcji.
Gdy zmienia się rezystancja cewki, zmienia się natężenie prądu w obwodzie i spadek napięcia na obciążeniu. Zmiany te można wykryć. Problem polega na tym, że krytyczna staje się rezystancja obciążenia. Jeśli jest on zbyt duży, zmiana natężenia prądu w momencie pojawienia się metalowego obiektu będzie stosunkowo niewielka. Powoduje to zmniejszenie czułości i odporności systemu. Jeśli jest ona mała, prąd w obwodzie będzie duży i konieczny będzie bardziej odporny czujnik.
Z tego powodu istnieją konstrukcje, w których obwody czujnikowe są wbudowane w obudowę czujnika. Generator wytwarza impulsy, które zasilają cewkę indukcyjną. Po osiągnięciu określonego poziomu następuje uruchomienie wyzwalacza, co powoduje przejście ze stanu 0 do 1 lub odwrotnie. Wzmacniacz buforowy wzmacnia sygnał pod względem mocy i/lub napięcia, zapala (gasi) diodę LED i wysyła dyskretny sygnał do zewnętrznego obwodu.
Można wygenerować sygnał wyjściowy:
- za pomocą elektromagnetycznego lub przekaźnik półprzewodnikowy - poziom napięcia zero lub jedności;
- "styk bezprądowy" przekaźnik elektromagnetyczny;
- otwarty kolektor tranzystor (struktury n-p-n lub p-n-p).
W tym przypadku do podłączenia czujnika potrzebne są trzy przewody:
- zasilanie;
- przewód wspólny (0 V);
- przewód sygnałowy.
Czujniki takie mogą być również zasilane napięciem stałym. Ich impulsy indukcyjne są generowane przez wewnętrzny oscylator.
Czujniki różnicowe są wykorzystywane do monitorowania położenia. Jeśli monitorowany obiekt jest umieszczony symetrycznie względem obu cewek, prąd przepływający przez obie cewki jest taki sam. Jeśli któraś z cewek jest odchylona w stronę pola, następuje niezrównoważenie, całkowity prąd nie jest już równy zeru, co można wykryć za pomocą wskaźnika ze strzałką na środku skali. Za pomocą wskaźnika można określić zarówno wielkość przesunięcia, jak i jego kierunek. Zamiast czujnika zegarowego można zastosować obwód sterujący, który przekazuje sygnał po otrzymaniu informacji o zmianie położenia, podejmuje działania w celu wyrównania obiektu, dokonuje korekty procesu itp.
Czujniki oparte na zasadzie liniowo regulowanych transformatorów różnicowych są produkowane jako kompletne jednostki, składające się z ramy z uzwojeniem pierwotnym i wtórnym oraz poruszającego się wewnątrz pręta (może być sprężynowy). Przewody sygnału generatora i EMF uzwojenia wtórnego są podłączone do zewnątrz. Sterowany obiekt może być mechanicznie połączony z trzpieniem. Może być również wykonany z materiału dielektrycznego - dla pomiaru istotne jest tylko położenie trzpienia.
Pomimo pewnych wad, czujnik indukcyjny zamyka wiele obszarów związanych z bezkontaktowym wykrywaniem obiektów w przestrzeni. Pomimo ciągłego rozwoju technologii, urządzenia tego typu nie opuszczą rynku urządzeń pomiarowych w przewidywalnej przyszłości, ponieważ ich działanie opiera się na podstawowych prawach fizyki.
Powiązane artykuły:
