Индуктивные датчики: назначение и принцип работы, устройство индуктивного датчика
Различные промышленные устройства предполагают использование всевозможных датчиков, которые отличаются своими особенностями и принципами работы. Одним из вариантов, получивших достаточно широкое распространение, является индуктивный датчик, который активно применяется в низовом оборудовании у различных систем, обеспечивающих автоматизированное управление линиями производства. Встретить такие датчики можно в устройствах, которые отвечают за работу линий пищевой и текстильной промышленности, предприятий машиностроения и многих других.
Что представляет собой индуктивный датчик?
Как действует датчик?
Индуктивный датчик за счет своего внутреннего устройства имеет определенный принцип действия. В нем используется специальный генератор, который выдает определенную амплитуду колебаний. Когда в поле действия агрегата попадает объект, состоящий из металлического или ферромагнитного материала, то колебания начинают меняться, что и сигнализирует о наличии предмета. Из-за этого датчики работают только с подобными материалами и бесполезны в других случаях.
Конструкция устройства
Индуктивный датчик положения имеет своеобразное устройство и состоит из нескольких важных узлов, которые обеспечивают полноценную работу этого агрегата.
Что следует знать о работе датчика?
Достоинства и недостатки индуктивных датчиков
Как и различные другие приборы, эти обладают своими плюсами и минусами, которые становятся заметными в эксплуатации. Датчики стали довольно популярными благодаря тому, что у них есть несколько важных преимуществ.
К минусам можно отнести то, что при работе датчики могут выдавать погрешности из-за наличия различных факторов. На них может влиять температура, а также воздействие других полей похожего типа. Поэтому для качественной работы нужно обеспечить подходящие условия, которые не мешали бы датчикам правильно функционировать.
— персональную информацию, которую Пользователь сознательно раскрыл Администрации Сайта в целях пользования ресурсами Сайта;
— техническую информацию, автоматически собираемую программным обеспечением Сайта во время его посещения.
Принцип работы и виды индуктивных датчиков, способы подключения
Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.
Общее описание и назначение
Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.
По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.
Одинарные
Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.
Дифференциальные
Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.
Устройство и схема
Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.
Генератор
Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.
Триггер Шмидта
Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.
Усилитель
Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.
Специальный индикатор
Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.
Компаунд
Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.
Принцип работы
Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.
В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.
Параметры
Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.
Напряжение питания
Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.
Минимальный ток переключения
Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.
Рабочие расстояния
Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.
Частота переключения
Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.
Способ подключения
Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.
Трехпроводные
Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.
Четырехпроводные
Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.
Двухпроводные
Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.
Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.
Пятипроводные
Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.
Цветовая маркировка
Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:
Погрешности
Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.
Электромагнитная
Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.
От температуры
Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.
Магнитной упругости
Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.
Деформация элементов
Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.
Кабеля
Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.
Старение
Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.
Технологии
Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.
Сферы использования
Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.
Медицинские аппараты
Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.
Бытовая техника
В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».
Автомобильная промышленность
Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.
Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации.
Робототехническое оборудование
В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.
Промышленная техника регулирования и измерения
Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.
Индукционные датчики следующего поколения
Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.
К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:
Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.
Как работают индукционные датчики положения и зачем нужна технология CIPOS
Что объединяет ускорение, торможение, рулевое управление и переключение передач? Все эти относящиеся к безопасному вождению процессы требуют точной регистрации положения механических узлов и управления их перемещением. В современном автомобиле эти функции реализуются при участии бесконтактных индукционных датчиков положения, которые также известны как датчики траектории или датчики угла положения. Они и сейчас играют ключевую роль во всё большем числе автомобилей, а скоро без них и вовсе будет не обойтись. Объясняем, почему так, как они работают, что такое технология CIPOS и причём тут Hella.
Принципиальное устройство индукционных датчиков
Работа датчика основана на явлении электромагнитной индукции. Оно, кратко напомним школьный курс физики, состоит в том, что в замкнутом проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электрический ток. Помните опыт, когда к выводам катушки из нескольких витков провода подсоединяли вольтметр, а затем вносили в катушку магнит? При этом стрелка вольтметра отклоняется — это происходит благодаря электромагнитной индукции.
Вот в этом видеоролике о самом явлении и истории его открытия рассказывается подробнее. Потратьте три минуты времени, чтобы освежить знания:
Обратите внимание: металлический магнит не касается витков катушки, но она реагирует на его приближение и удаление.
Теперь рассмотрим, как устроен индукционный датчик. Его принципиальная схема изображена на рисунке:
Под действием электрического тока, протекающего по катушке (2), в ней возникает магнитное поле. Поскольку магнитная проводимость у железного сердечника (1) лучше, чем у воздуха, магнитное поле концентрируется в сердечнике и рассеивается в воздухе.
Если вблизи сердечника катушки появляется металлический предмет (3), рассеивание магнитного поля уменьшается, магнитный поток в сердечнике возрастает. Изменение магнитного поля вызывает изменение величины электрического тока в катушке — на резисторе R меняется напряжение — датчик срабатывает. Другими словами, появление в магнитном поле катушки металлического предмета изменяет её индуктивность — изменение индукции фиксируется электроникой. (Разумеется, в реальности картина сложнее, но для принципиального понимания работы индукционного датчика подробности можно опустить.)
Очевидно, что индукционный датчик реагирует только на металлические элементы — неметаллические предметы не проводят электрический ток, поэтому на переменное магнитное поле никак не влияют. Помимо этого, поскольку магнитное поле быстро уменьшается с расстоянием, контролируемый объект должен располагаться в зоне чувствительности датчика.
В этом видеоролике принцип работы индукционных датчиков рассмотрен на более высоком уровне — для его понимания нужно знание физики:
Преимущества индукционных датчиков
Из описания устройства индукционных датчиков следует два их важных (в частности, для автомобилестроения) свойства во-первых, они в процессе эксплуатации не изнашиваются — в них просто нечему ломаться; во-вторых, появляется возможность сделать корпус датчика водонепроницаемым.
Использование для питания катушки переменного тока высокой частоты повышает помехозащищённость датчиков: они не реагируют на магнитные поля, возникающие при работе электромоторов и при протекании больших токов по проводам, проложенным вблизи датчиков.
Индукционные датчики отличаются от других типов сенсоров также другими преимуществами:
— высокой точностью;
— быстрым срабатыванием и безынерционностью;
— способностью работать в широком диапазоне температур;
— способностью работать во влажной и химически агрессивной среде;
— конструктивной гибкостью.
В работе индукционных датчиков очень мало систематических погрешностей. Датчики чувствительны к нестабильности питающего напряжения, но это компенсируется незначительным усложнением электрической схемы их подключения.
Что такое технология CIPOS и почему она важна
CIPOS® (от англ. Contactless Inductive Position Sensors) — технология компании Hella, на основе которой разработаны бесконтактные индукционные датчики положения, отвечающие требованиям электромагнитной совместимости.
Hella разработала технологию CIPOS в конце 1990-х годов. Сегодня она применяется в электронных датчиках педалей, рулевого механизма, датчиках выравнивания положения кузова, а также датчиках положения, установленных на валу двигателя. Эта же технология используется в приводном механизме турбонаддува, в дроссельных заслонках, реле радиаторной решетки и в электромагнитных клапанах.
Особенность бесконтактных датчиков CIPOS заключается не только в их высокой надёжности и безотказности. Помимо этого, они позволяют определять положение контролируемого элемента в абсолютных величинах. Благодаря этому датчик может сообщить в блок управления правильные данные сразу же после включения питания. В этом преимущество абсолютных датчиков перед инкрементальными датчиками, которым после включения нужна калибровка для определения «точки отсчёта». Цифровую обработку сигналов производят разработанные Hella чипы, входящие в конструкцию каждого датчика CIPOS.
Поскольку усилия инженеров направлены на уменьшение массы и габаритов автомобилей с целью экономии энергоресурсов, компоновка агрегатов становится всё более плотной. В результате в моторном отсеке становится теснее — и жарче. Компактные и конструктивно гибкие датчики CIPOS способны работать в условиях вибрации, повышенной влажности и при экстремальных температурах от –40°C до +170°C и более. При этом их форма, габариты и диапазон измерений легко адаптируются для решения конкретных задач.
Технология CIPOS остается одним из ключевых компонентов автомобилей с режимом автономного вождения и электромобилей. Электромобили с использованием бесщёточных двигателей обладают внушительным КПД и, соответственно, генерируют большую выработку тока. В датчиках CIPOS, работающих индуктивно в диапазоне 3–4 МГц, не используются постоянные электромагниты, а следовательно, в силу естественных свойств они не подвержены действию магнитных полей, создаваемых током двигателя.
Где найти индукционные датчики в автомобиле
Составить общее представление о местах размещения индукционных датчиков в современном автомобиле вам поможет этот короткий видеоролик от Hella:
Если предпочитаете читать, а не смотреть, то вот вам примерный, но не полный, список узлов и агрегатов, где в современных автомобилях применяются индукционные датчики:
— датчики положения дроссельной заслонки и педали газа;
— датчики педали тормоза и сцепления;
— приводной механизм турбонаддува;
— датчик реле управления радиаторной решёткой (в просторечии «жабры»);
— различные электромагнитные клапаны.
В продуктовой линейке Hella имеется множество индукционных датчиков. Вот несколько примеров, которые помогут читателю составить более предметное представление о них.
750 миллионов и будет больше
Сочетание возможностей и надёжности индукционных датчиков обеспечивают им широкую область применения. Они являются примером по-настоящему массового изделия. За два десятилетия компания Hella произвела более 750 миллионов датчиков, и их выпуск растёт.
Индукционные датчики являются необходимым компонентом автоматики, широко применяются в электромобилях. Это закономерно, ведь в движение электромобиль приводится электромоторами, создающими неблагоприятную электромагнитную среду, в которой трудно работать сенсорам, устроенным по альтернативным принципам. В ближайшие пару десятилетий электромобилей будет выпускаться гораздо больше. Даже General Motors объявила об отказе от выпуска автомобилей с ДВС после 2035 года. А значит, и производство и применение индукционных датчиков будет всё шире и шире.
Познакомиться с ассортиментом датчиков Hella можно в каталоге по ссылке. Если же у вас появились вопросы, задавайте их в комментариях под этим постом — мы постараемся на них ответить.