Senzor v splošnem pomenu je naprava, ki pretvarja eno fizikalno količino v drugo, primerno za obdelavo, prenos ali kasnejšo pretvorbo. Prva je praviloma fizikalna veličina, ki je ni mogoče neposredno izmeriti (temperatura, hitrost, premik itd.), druga pa električni ali optični signal. Svojo nišo na področju merilnih instrumentov zasedajo senzorji, katerih osnovni element je tuljava.
Vsebina
Kako so zasnovani in kako delujejo induktivni senzorji
Induktivni senzorji so po principu delovanja aktivni senzorji, kar pomeni, da potrebujejo zunanji oscilator. Induktorsko tuljavo oskrbuje s signalom vnaprej določene frekvence in amplitude.
Tok, ki teče skozi tuljave, ustvarja magnetno polje. Če prevodni predmet vstopi v magnetno polje, se parametri tuljave spremenijo. Vse kar ostane je to spremembo zaznati.
Preprosti brezkontaktni senzorji reagirajo na pojav kovinskih predmetov v bližnjem območju tuljave. To spremeni impedanco tuljave, to spremembo je treba pretvoriti v električni signal, ojačati in (ali) popraviti prehod praga s pomočjo primerjalnega vezja.
Senzorji druge vrste se odzivajo na spremembe v vzdolžni legi predmeta, ki služi kot jedro tuljave. Ko se položaj predmeta spremeni, zdrsne v tuljavo ali iz nje, s čimer se spremeni njegova induktivnost. To spremembo je mogoče pretvoriti v električni signal in izmeriti. Druga različica tega senzorja je, ko predmet potisnemo na tuljavo od zunaj. To povzroči zmanjšanje induktivnosti zaradi učinka zaslona.
Druga različica induktivnega senzorja pomika je linearni variabilni diferencialni transformator (LVDT). To je sestavljena tuljava, izdelana v naslednjem vrstnem redu:
- sekundarno navitje 1;
- primarno navitje;
- sekundarno navitje 2.
Signal iz generatorja se nanaša na primarno navitje. Magnetno polje, ki ga ustvari srednja tuljava, inducira EMF v vsakem od sekundarjev (transformatorski princip). Jedro, ko se premika, spreminja medsebojno sklopitev med tuljavami, spreminja elektromotorno silo v vsakem od navitij. To spremembo lahko zazna merilno vezje. Ker je dolžina jedra manjša od skupne dolžine sestavljene tuljave, lahko razmerje EMF v sekundarnih navitjih nedvoumno določi položaj predmeta.
Isti princip - spreminjanje induktivne sklopke med navitji - se uporablja za izdelavo senzorja vrtenja. Sestavljen je iz dveh koaksialnih tuljav. Signal se nanaša na enega od navitij, EMF v drugem navitju je odvisen od medsebojnega kota vrtenja.
Iz principa delovanja je razvidno, da so induktivni senzorji, ne glede na obliko, brezkontaktni senzorji. Delujejo na daljavo in ne potrebujejo neposrednega stika z objektom, ki ga spremljamo.
Prednosti in slabosti induktivnih senzorjev
Prednosti induktivnih senzorjev vključujejo predvsem:
- zanesljivost oblikovanja;
- Odsotnost kontaktnih povezav;
- visoka izhodna moč, ki zmanjša vpliv hrupa in poenostavi krmilno vezje;
- visoka občutljivost;
- Možnost delovanja iz virov izmenične napetosti industrijske frekvence.
Glavna pomanjkljivost induktivnih senzorjev je njihova velikost, teža in zahtevnost izdelave. Za navijanje tuljav z določenimi parametri je potrebna posebna oprema. Druga pomanjkljivost je potreba po natančnem vzdrževanju amplitude signala iz glavnega oscilatorja. Ko se spremeni, se spremeni tudi obseg občutljivosti. Ker senzorji delujejo samo z izmeničnim tokom, postane vzdrževanje amplitude nedvomno tehnični problem. Neposredno (ali prek padajočega transformatorja) v domačem ali industrijskem omrežju ni mogoče priključiti senzorja - v njem lahko napetostna nihanja amplitude ali frekvence celo v normalnem načinu dosežejo 10%, zaradi česar je natančnost meritev nesprejemljiva.
Na natančnost meritev lahko vpliva tudi:
- tuja magnetna polja (zaščita senzorja ni mogoča glede na načelo njegovega delovanja);
- Zunanje elektromagnetne indukcije v napajalnih in merilnih kablih;
- proizvodne napake;
- Netočnost senzorske karakteristike;
- zračnosti ali deformacije na mestu namestitve senzorja, ki ne vplivajo na splošno delovanje;
- odvisnost natančnosti od temperature (spremembe parametrov žice za navijanje, vključno z njeno odpornostjo).
Nezmožnost senzorjev induktivnosti, da se odzovejo na pojav dielektričnih predmetov v njihovem magnetnem polju, lahko označimo tako kot prednost kot kot pomanjkljivost. Po eni strani to omejuje obseg njihove uporabe. Po drugi strani pa jih naredi neobčutljive na prisotnost umazanije, maščobe, peska ipd. na opazovanih predmetih.
Poznavanje slabosti in morebitnih omejitev induktivnih senzorjev omogoča racionalno uporabo njihovih prednosti.
Področja uporabe induktivnih senzorjev
Induktivni senzorji bližine se pogosto uporabljajo kot končna stikala. Te naprave so postale običajne:
- v varnostnih sistemih kot senzorji nepooblaščenega odpiranja oken in vrat;
- v telemehanskih sistemih kot senzorji končnega položaja enot in mehanizmov;
- v vsakdanjem življenju v shemah indikacije zaprtega položaja vrat, kril;
- za štetje predmetov (npr. premikanje po tekočem traku);
- za določanje hitrosti vrtenja zobnikov (vsak zob, ki gre mimo senzorja, ustvari impulz);
- V drugih situacijah.
Dajalnike kotnega položaja lahko uporabljamo za določanje kotov vrtenja gredi, zobnikov in drugih vrtljivih enot ter tudi kot absolutne dajalnike. Uporabljajo se lahko tudi v strojnih orodjih in robotskih aplikacijah skupaj z linearnimi kodirniki. Povsod, kjer je treba položaj strojnih komponent natančno poznati.
Primeri praktične izvedbe induktivnih senzorjev
V praksi se lahko zasnove induktivnih senzorjev izvajajo na različne načine. Najenostavnejša zasnova in vgradnja je dvožilni enojni senzor, ki nadzoruje prisotnost kovinskih predmetov v območju zaznavanja. Takšne naprave so pogosto izdelane na osnovi jedra v obliki črke W, vendar je to nenačelna točka. Takšno zasnovo je lažje izdelati.
Ko spremenite upor tuljave, se spremenita tok v tokokrogu in padec napetosti na bremenu. Te spremembe je mogoče zaznati. Težava je v tem, da odpornost na obremenitev postane kritična. Če je prevelika, bo sprememba toka ob pojavu kovinskega predmeta razmeroma majhna. To zmanjša občutljivost in odpornost sistema. Če je majhen, bo tok v tokokrogu visok in potreben bo bolj prožen senzor.
Zato obstajajo izvedbe z merilnim vezjem, vgrajenim v ohišje senzorja. Generator ustvarja impulze, ki napajajo tuljavo induktorja. Ko je dosežena določena raven, se sproži sprožilec, ki preklopi z 0 na 1 ali obratno.Ojačevalnik vmesnega pomnilnika ojača signal z močjo in/ali napetostjo, osvetli (ugasne) LED in odda diskretni signal v zunanje vezje.
Izhodni signal se lahko ustvari:
- s pomočjo elektromagnetnega oz polprevodniški rele - nivo ničelne ali enotne napetosti;
- "suh kontakt" elektromagnetni rele;
- odprt zbiralnik tranzistor (struktura n-p-n ali p-n-p).
V tem primeru boste za priključitev senzorja potrebovali tri žice:
- moč;
- skupna žica (0 voltov);
- signalna žica.
Takšni senzorji se lahko napajajo tudi z enosmerno napetostjo. Njihove impulze induktivnosti generira notranji oscilator.
Za nadzor položaja se uporabljajo diferencialni senzorji. Če je objekt, ki ga je treba spremljati, simetričen glede na obe tuljavi, je tok skozi njiju enak. Če se katera od tuljav premakne proti polju, pride do neuravnoteženosti, skupni tok preneha biti enak nič, kar lahko zazna indikator s puščico na sredini skale. Indikator se lahko uporablja za določanje količine premika in njegove smeri. Namesto puščične naprave je mogoče uporabiti krmilno vezje, ki bo ob prejemu informacij o spremembi položaja dalo signal, sprejelo ukrepe za poravnavo predmeta, prilagodilo tehnološki proces itd.
Senzorji, izdelani po principu linearno reguliranih diferencialnih transformatorjev, so izdelani kot celovite izvedbe, ki predstavljajo ogrodje s primarnim in sekundarnim navitjem ter palico, ki se premika znotraj (lahko je vzmetno obremenjena). Obstajajo žice za signal generatorja in ekstrakcijo EMF iz sekundarnih navitij. Predmet, ki ga je treba krmiliti, je lahko mehansko povezan s steblom. Lahko je tudi iz dielektrika - za meritev je pomemben le položaj palice.
Induktivni senzor kljub nekaterim inherentnim slabostim zapre mnoga področja, povezana z brezkontaktno detekcijo objektov v prostoru. Kljub nenehnemu razvoju tehnologije tovrstne naprave še v doglednem času ne bodo zapustile trga merilnih naprav, saj njeno delovanje temelji na temeljnih zakonih fizike.
Povezani članki:
