Принцип работы датчика: Электронные датчики, принцип работы и область применения емкостного, индуктивного, оптического датчиков

Электронные датчики, принцип работы и область применения емкостного, индуктивного, оптического датчиков

Электрика » Электрооборудование » Датчики

Электронные датчики

Электронные датчики (измерители) – важная составляющая в автоматизации любых технологических процессов и в управлении различными машинами и механизмами.

С помощью электронных устройств можно получить полную информацию о параметрах контролируемого оборудования.

Принцип работы любого электронного датчика построен на преобразовании контролируемых показателей в сигнал, который передается для дальнейшей обработки управляющим устройством. Возможно измерение любых величин – температуры, давления, электрического напряжения и силы тока, силы света и других показателей.

Популярность электронных измерителей обуславливается рядом конструкционных особенностей, в частности возможно:

  • передать измеряемые параметры на практически любое расстояние;
  • преобразовать показатели в цифровой код для достижения высокой чувствительности и быстродействия;
  • осуществлять передачу данных с максимально высокой скоростью.

По принципу действия электронные датчики разделяют на несколько категорий в зависимости от принципа действия. Одними из самых востребованных считаются:

  • емкостные;
  • индуктивные;
  • оптические.

Каждый из вариантов обладает определенными преимуществами, которые определяют оптимальную сферу его применения. Принцип работы любого типа измерителя может различаться в зависимости от конструкции и используемого контролирующего оборудования.

Содержание

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ

Принцип работы электронного емкостного датчика построен на изменении емкости плоского или цилиндрического конденсатора в зависимости от перемещения одной из обкладок. Также учитывается такой показатель как диэлектрическая проницаемость среды между обкладок.

Одно из преимуществ подобных устройств – очень простая конструкция, которая позволяет достичь хороших показателей прочности и надежности.

Также измерители этого типа не подвержены искажениям показателей при перепадах температуры. Единственно условие для точных показателей – защита от пыли, влажности и коррозии.

Емкостные датчики широко используются в самых разнообразных отраслях. Простые в изготовлении приборы отличаются низкой себестоимостью производства, при этом обладают длительным сроком эксплуатации и высокой чувствительностью.

В зависимости от исполнения устройства делятся на одноемкостные и духъемкостные. Второй вариант более сложен в изготовлении, но отличается повышенной точностью измерений.

Область применения.

Наиболее часто емкостные датчики используют для измерения линейных и угловых перемещений, причем конструкция устройства может различаться в зависимости от метода измерения (меняется площадь электродов, либо зазор между ними). Для измерения угловых перемещений используют датчики с переменной площадью обкладок конденсатора.

Также емкостные преобразователи используют для измерения давления. Конструкция предусматривает наличие одного электрода с диафрагмой, которая под действием давления изгибается, меняя емкость конденсатора, что фиксируется измерительной схемой.

Таким образом, емкостные измерители могут использоваться в любых системах управления и регулирования. В энергетике, машиностроении, строительстве обычно используют датчики линейных и угловых перемещений. Емкостные преобразователи уровня наиболее эффективны при работе с сыпучими материалами и жидкостями, и часто используются в химической и пищевой промышленности.

Электронные емкостные датчики применяются для точного измерения влажности воздуха, толщины диэлектриков, различных деформаций, линейных и угловых ускорений, гарантируя точность показателей в самых разных условиях.

ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Бесконтактные индуктивные датчики работают по принципу изменения показателя индуктивности катушки с сердечником. Ключевая особенность измерителей данного типа – они реагируют только на изменение местоположения металлических предметов.

Металл оказывает непосредственное влияние на электромагнитное поле катушки, что приводит к срабатыванию датчика.

Таким образом, с помощью индуктивного датчика можно эффективно отслеживать положение металлических предметов в пространстве. Это позволяет использовать индуктивные измерители в любой отрасли промышленности, где требуется наблюдение за положением различных конструктивных элементов.

Одна из интересных особенностей датчика – электромагнитное поле изменяется по-разному, в зависимости от вида металла, это несколько расширяет сферу применения устройств.

Индуктивные датчики обладают рядом преимуществ, из которых отдельного внимания заслуживает отсутствие подвижных частей, что существенно повышает надежность и прочность конструкции. Также датчики можно подключать к промышленным источникам напряжения, а принцип работы измерителя гарантирует высокую чувствительность.

Индуктивные датчики изготавливают в нескольких форм-факторах, для максимально удобной установки и эксплуатации, например двойные измерители (две катушки в одном корпусе).

Область применения.

Сфера использования индуктивных измерителей – автоматизация в любой сфере промышленности. Простой пример – устройство можно использовать в качестве альтернативы концевому выключателю, при этом будет увеличена скорость срабатывания. Датчики выполняют в пылевлагозащитном корпусе для эксплуатации в самых сложных условиях.

Устройства можно использовать для измерения самых различных величин – для этого используют преобразователи измеряемого показателя в величину перемещения, которая и фиксируется устройством.

ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Бесконтактные электронные оптические датчики – один из самых востребованных типов измерителей в отраслях промышленности, где требуется эффективное позиционирование любых объектов с максимальной точностью.

Принцип работы данного типа измерителей построен на фиксации изменения светового потока, при прохождении через него объекта. Самая простая схема устройства это излучатель (светодиод) и фотоприемник, преобразующий световое излучение в электрический сигнал.

В современных оптических измерителях используется современная электронная система кодирования, позволяющая исключить влияние посторонних источников света (защита от ложных срабатываний).

Конструктивно, оптические измерители могут выполняться как в отдельных корпусах для излучателя и приемника, так и в одном, в зависимости от принципа работы устройства и области его применения. Корпус дополнительно обеспечивает защиту от пыли и влаги (для работы при низких температурах используют специальные термокожухи).

Оптические датчики классифицируются в зависимости от схемы работы. Самый распространенный тип – барьерный, состоящий из излучателя и приемника, расположенных строго напротив друг друга. Когда постоянный световой поток прерывается объектом, устройство подает соответствующий сигнал.

Второй востребованный тип – диффузный оптический измеритель, в котором излучатель и фотоприемник располагаются в одном корпусе. Принцип действия основан на отражение луча от объекта. Отраженный световой поток улавливается фотоприемником, после чего происходит срабатывание электроники.

Третий вариант – рефлекторный оптический датчик. Как и в диффузном измерителе, излучатель и приемник конструктивно выполнены в одном корпусе, но световой поток отражается от специального рефлектора.

Использование.

Оптические датчики широко применяются в системах автоматизированного управления и служат для обнаружения предметов и их пересчета. Относительно простая конструкция обуславливает надежность и высокую точность измерения.

Кодированный световой сигнал обеспечивает защиту от внешних факторов, а электроника позволяет определять не только наличие объектов, но и определять их свойства (габариты, прозрачность и т.д.).

Широкое распространение оптические устройства получили в охранных системах, где используются в качестве эффективных датчиков движения. Вне зависимости от типа, электронные датчики это лучший вариант для современных систем управления и автоматического оборудования.

Высокая точность и скорость измерения обеспечивают надлежащее функционирование оборудования с минимальными отклонениями. При этом большинство электронных измерителей бесконтактные, что в несколько раз повышает надежность устройств и гарантирует длительный срок эксплуатации даже в сложных производственных условиях.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов


принцип работы, устройство, какие бывают, как проверить, как выбрать

При упоминании прибора под названием «датчик движения», в первую очередь возникают ассоциации с охраной банков, музеев и секретных объектов. Воображение рисует картинку пересекающихся лазерных лучей, через которые виртуозно пробирается шпион или грабитель.

Как работает датчик движения

Отчасти, это верно, поскольку некоторые виды датчиков обнаружения движения используются в охранных комплексах. Однако по мере удешевления технологии, эти устройства стали доступными для широких масс. Тем более что принцип работы датчика движения никогда не являлся секретом, и от использования его в домашних условиях удерживала только высокая стоимость.

Для чего нужен датчик движения

В шпионских боевиках он показан, как грозный страж, включающий пулеметы при проникновении на важный объект. Может быть, такая система и существует, проверять не будем. На самом деле, датчики движения регистрируют любые виды перемещения объектов, и сообщают информацию в некую электронную систему.

Что происходит дальше

В зависимости от того, как устроен алгоритм работы, после срабатывания сенсора может произойти следующее:

  • включение (отключение) освещения;
  • запуск вентиляции;
  • начало (прекращение) работы некоего механизма;
  • включение отопительной системы;
  • срабатывание охранной тревоги;
  • старт видеозаписи;
  • передача информации на центральный пульт управления объектом либо механизмом.

Список можно продолжить, но из него уже понятно назначение прибора: любые его разновидности предназначены для подключения некоего алгоритма при появлении в секторе обзора предмета или живого организма.

Принцип действия датчика движения

За исключением механических приспособлений, вроде натянутой проволоки или веревки (такие типы датчиков движения существовали до изобретения электричества), сенсоры представляют собой электронное устройство. Для того чтобы обнаружить перемещение объекта, необходимо работа по принципу радара. Собственно, радары и эхолокаторы — это разновидности вышеупомянутых датчиков, только покрупнее масштабом. Принцип работы бытового (гражданского) датчика движения также основан на пересечении любого вида излучения. По принципу работы с сигналом, сенсоры бывают трех видов:

  • Прерывающие (линейные): в основе излучатель линейного сигнала (как правило, лазерный луч), и приемник. Пока фотодатчик фиксирует излучение — прибор в состоянии покоя. При пересечении луча движущимся объектом — устройство подает сигнал.Прерывающий сенсор
    Преимущество такой технологии в простоте реализации. Недостаток — одиночный луч легко обойти. Кроме того, такой сенсор состоит из двух частей, что не всегда удобно.
  • Отражающие (объемные): в основе лежит принцип работы радара. Излучатель посылает рассеянный или концентрированный сигнал (по выбору заказчика). Если на его пути нет препятствия, датчик в состоянии покоя. Любой попавший в сектор действия предмет, отразит часть излучения.Отражающий сенсорОтраженные волны улавливаются приемником, установленным в том же корпусе, и сенсор переводится в состояние тревоги. Преимущества: широкий сектор обзора, удобно монтировать (электроника в одном корпусе), возможность настройки. Недостаток: нужно отсекать ложные срабатывания, иначе прибор будет функционировать невпопад.
  • Пассивные: сами ничего не излучают. Как же работают такие датчики движения? Их чувствительные сенсоры улавливают волны, испускаемые другими предметами. Преимущество — простота и дешевизна, отсутствие ненужного волнового фона.
    Недостаток:
    улавливают только одушевленные предметы (люди, животные). Большинство сенсоров этого типа настроены на тепловой фон живых существ.

Какой прибор выбрать? Зависит от задач. Для защиты или фиксации появления объекта в коридоре или некоем портале (дверь, проем, окно), подойдет прерывающий комплект сенсоров. Если необходимо зафиксировать перемещение в замкнутом пространстве или на территории — лучше выбрать отражающий или объемный датчик.

Именно по этому принципу работают популярные датчики движения для включения (выключения) света. Только при попадании объекта в сектор действия, не срабатывает сигнал тревоги, а включается освещение.

Освещение

Информация: Экономистами подсчитано, сколько электроэнергии сохраняет использование датчиков движения для автоматического включения света. Деньги, затраченные на приобретение этого оборудования, окупаются в течение 1–2 лет.

Правда, есть несколько оговорок:

  • использование сенсора для освещения разумно только на территориях (в помещениях), где редко находятся люди;
  • при многократном подключении (отключении), люминесцентные и спиральные лампы быстро выходят из строя: лучше использовать LED или галогеновые светильники.

Устройство и технологии датчика движения

  • Начнем с прерывающих. Как мы уже знаем, прибор состоит из излучателя и приемника. Простейшая реализация — фото пара с линзой, формирующей направленный луч. Однако подобные устройств не применяются уже несколько десятков лет. Какой датчик можно считать современным? Тот, который использует когерентный или поляризованный луч. То есть, лазер.

    Для справки: Лазерный луч может быть видимым или невидимым. Это расширяет возможности прибора при использовании в охранных системах.

    Вариантов исполнения два: в одном корпусе или с разделенным приемником и передатчиком. В первом случае необходимо электрическое объединение двух узлов в единую электрическую систему. Второй вариант использует отражающую поверхность, и луч возвращается в приемный сенсор, расположенный рядом с излучателем.Лазер

    Для улицы такое исполнение не подойдет, слишком много потенциальных предметов для срабатывания (птицы, животные). Поэтому необходимо дублировать лучи, расположенные на расстоянии (чтобы не было ложных срабатывания на малые объекты).

  • Отражающие также являются излучателями, со своим приемником в корпусе. По использованию волн, делятся на три группы:
    • Как работает микроволновый датчик движения? Он излучает СВЧ волны, которые формируют вокруг него некий фон из волн высокой частоты. Они отражаются от предметов, и «мозг» датчика запоминает объемную картинку в виде уровня излучения в разных плоскостях. При появлении внутри этого фона постороннего предмета, уровень отраженного излучения меняется. Это фиксируется приемником, и включается сигнал оповещения. После исчезновения объекта, датчик возвращается в состояние покоя.
    • Еще один похожий вариант — электромагнитный сенсор. Регистрирует изменение магнитного поля при попадании в сектор объемных предметов. Чувствительность ниже, высокая зависимость от помех.
    • Ультразвук. Практическое его применение мы знаем по прибору УЗИ, который применяется в медицине. Бывают и другие варианты использования: датчики движения. Генератор ультразвука постоянно испускает УЗ волны в заданном секторе. Проверить (засечь) работу прибора сложно, поэтому эти виды сенсоров популярны в охранных системах. При возникновении препятствия, звуковые волны возвращаются и регистрируются приемником. Происходит срабатывание датчика.

    Несмотря на высокое качество и скрытность, эти виды сенсоров применяются и в системах автоматического включения освещения.

    Информация: Единственное ограничение — нежелательно применение на объектах с домашними животными. Некоторые особи негативно реагируют на ультразвук.

    Такие датчики отлично работают в помещении и на улице. Выглядят они по-разному, но обязательно с цилиндрическим окошком в корпусе.

    Отражающие датчики

  • Пассивные инфракрасные системы редко применяются в охранной сигнализации, зато активно работают с источниками освещения. Задайтесь вопросом: как выбрать датчик движения для включения света? Он не должен регистрировать неодушевленные предметы (например, автомобили) и птиц с животными. При этом прибор обязан фиксировать появление в зоне действия человека. Получаем единственно верное решение: приемник инфракрасного излучения. Сенсор настраивается на тепло человеческого организма и соответствующий размер источника излучения. Для этого чувствительный инфракрасный сенсор располагается за специальной линзой Френеля, концентрирующей тепло в одной точке. Далее сигнал поступает в электронный блок управления, оснащенный вспомогательными модулями:07
    • реле времени задерживает момент включения от случайных кратковременных срабатываний;
    • сумеречный выключатель отключает прибор в светлое время суток;
    • блок ступеней переключения настраивается под определенный размер «объекта», чтобы кошки и птицы не включали свет.
  • Комбинированные приборы сочетают в себе сенсоры разных типов, и применяются для решения особо ответственных задач, где не допускаются ошибки в срабатывании.

Можно ли изготовить такой прибор самому, и как его отключить

Любой домашний умелец задается вопросом: как сделать датчик движения своими руками? Саму электросхему управления собрать несложно. Проблема в источнике и приемнике излучения. Проще использовать готовый излучатель волн, просто интегрируя его в свой проект. Наиболее удачными являются датчики для систем на базе Arduino.

Arduino

Еще одна популярная самоделка — лазерная указка с фотоприемником, размещенным на линии пересечения. Но это не более чем развлечение: для серьезных задач такой прибор не подходит.

Еще одна мысль, которая приходит в некоторые беспокойные головы: как отключить датчик движения.

Важное предупреждение: Информация не предназначена для криминального применения!

Если отключение связано с режимом использования — нет проблем. Просто отсоедините сенсор от блока питания, и он перестанет включать свет. Например, когда объект закрыт. В остальных случаях поступайте так (не для злого умысла):

  • инфракрасные сенсоры заклеиваются металлическим скотчем;
  • микроволновый прибор перестает принимать сигналы, если покрыть окошко прозрачным лаком из аэрозольного баллончика;
  • УЗ датчик экранируется только металлом или металлизированным скотчем в 2–3 слоя.

В любом случае, информация о том, что на объекте не работает датчик движения, будет зарегистрирована владельцем. Кроме того, прежде чем вам удастся отключить сенсор, ваше появление будет зафиксировано.

Какой датчик выбрать

О производителе мы не говорим, это личное предпочтение каждого. Исходя из информации в данной статье, вы можете выбрать тип сенсора по виду излучения, подходящий для ваших целей.

Совет: Не пытайтесь получить высокие показатели качества от прибора в нижнем ценовом сегменте.

Равно как и нет смысла искать универсальный датчик: тип определяется условиями применения.

Видео по теме

Хорошая реклама

виды, устройство, принцип работы, применение

Датчик — это миниатюрное, сложное устройство, которое преобразует физические параметры в сигнал. Подает он сигнал в удобной форме. Основной характеристикой датчика является его чувствительность. Датчики положения осуществляют связь между механической и электронной частью оборудования. Пользуются им для автоматизации процессов. Используются эти устройства во многих отраслях производства.

Описание и назначение

Датчики положения могут быть разными по форме. Изготавливают их для определенных целей. С помощью прибора можно определить месторасположение объекта. Причем физическое состояние не имеет значение. Объект может иметь твердое тело, быть в жидком состоянии, либо даже сыпучим.

При помощи прибора можно решить разные задачи:

  • Измеряют положение и перемещение (угловое и линейное) органов в рабочих машинах, механизмах. Измерение может совмещаться с передачей данных.
  • В АСУ, робототехнике может быть звеном обратной связи.
  • Контроль степени открытия/закрытия элементов.
  • Регулировка направляющих шкивов.
  • Электропривод.
  • Определение данных расстояния до предметов без привязки к ним.
  • Проверку функций механизмов в лабораториях, то есть провести испытания.

Датчик положенияДатчик положения

Классификация, устройство и принцип действия

Датчики положения бывают бесконтактные и контактные.

  • Бесконтактные, это приборы являются индуктивными, магнитными, емкостными, ультразвуковыми и оптическими. Они при помощи магнитного, электромагнитного или электростатического поля образуют связь с объектом.
  • Контактные. Самым распространенным из этой категории, является энкодер.

Бесконтактный

Бесконтактные датчики положения или сенсорный выключатель, срабатывают без контакта с подвижным объектом. Они способны быстро реагировать и часто включаться.

По прицепу действия бесконтактные бывают:

  • емкостными,
  • индуктивными,
  • оптическими,
  • лазерные,
  • ультразвуковые,
  • микроволновые,
  • магниточувствительные.

Бесконтактные могут применяться для перехода на частоту вращения ниже, или остановки.

Датчик положения старыйДатчик положения старый

Индуктивные

Индуктивный датчик бесконтактный работает за счет изменений в электромагнитном поле.

Основные узлы индуктивного датчика изготовлены из латуни либо полиамида. Узлы связанны между собой. Конструкция надежна, способна выдерживать большие нагрузки.

  • Генератор создает электромагнитное поле.
  • Триггер Шмидта перерабатывает информацию, и передает другим узлам.
  • Усилитель способен передавать сигнал на большие расстояния.
  • Светодиодный индикатор помогает контролировать его работу и отслеживать изменение настроек.
  • Компаунд — фильтр.

Работа индуктивного прибора начинается с момента включения генератора, создается электромагнитное поле. Поле влияет на вихревые токи, которые меняют амплитуду колебаний генератора. Но генератор первый реагирует на изменения. Когда в поле попадает двигающийся металлический предмет, сигнал подается на блок управления.

После поступления сигнала, происходит его обработка. Величина сигнала зависит от объема предмета, и от расстояния, разделяющего предмет и прибор. Затем происходит преобразование сигнала.

датчик положениядатчик положения

Емкостные

Емкостной датчик внешне может иметь обычный плоский или цилиндрический корпус, внутри которого штыревые электроды, и диэлектрическая прокладка. Одна из пластин стабильно отслеживает перемещение предмета в пространстве, в результате изменяется емкость. С помощью этих приборов измеряют угловое и линейное перемещение предметов, их размеры.

Емкостные изделия простоты, обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью. Внешнее влияние электрических полей влияет на чувствительность прибора.

Оптические

Оптические датчики называют глазами авторизованного производства. В основном это фотодатчики, работающие в инфракрасной области. Они способны:

  • Измерять положение, перемещение предметов, после концевых выключателей.
  • Выполнять бесконтактное измерение.
  • Выявить положение предметов двигающихся на большой скорости.

Синий датчикСиний датчик

Барьерный

Барьерный оптический датчик обозначают латинской буквой «Т». Этот оптический прибор двухблочный. Используется для обнаружения предметов попавших в зону обзора между передатчиком и приемником. Зона действия до 100м.

Рефлекторный

Буквой «R» обозначается рефлекторный оптический датчик. Изделие рефлекторное вмещает в одном корпусе передатчик и приемник. Рефлектор служит отражением луча. Чтобы обнаружить предмет с зеркальной поверхностью в датчике устанавливают поляризационный фильтр. Дальность действия до 8м.

Диффузионный

Датчик диффузионный обозначается буквой «D». Корпус прибора моноблочный. Этим приборам не требуется точная фокусировка. Конструкция рассчитана на работу с предметами, находящиеся на близком расстоянии. Дальность действия 2 м.

Датчик новыйДатчик новый

Лазерные

Лазерные датчики обладают высокой точностью. Они могут определить место, где происходит движение и дать точные размеры объекта. Приборы эти небольших габаритов. Потреблении энергии приборами минимальное. Изделие моментально способно выявить чужого и сразу включить сигнализацию.

Основа работы лазерного прибора — измерить расстояние до предмета с помощью треугольника. Излучается лазерный луч из приемника с высокой параллельностью, попадая на поверхность предмета, отражается. Отражение происходит под определенным углом. Величина угла зависит от расстояния, на котором находится предмет. Отраженный луч возвращается в приемник. Считывает информацию интегрированный микроконтроллер – он определяет параметры объекта и его расположение.

Ультразвуковые

Ультразвуковые датчики – это сенсорные приборы, которые используются для преобразования электрического тока в волны ультразвука. Их работа основана на взаимодействии колебаний ультразвука с контролируемым пространством.

Работают приборы по принципу радара — улавливают объект по отраженному сигналу. Звуковая скорость постоянная величина. Прибор способен вычислить расстояние до объекта в соответствии с диапазоном времени, когда вышел сигнал и вернулся.

Два датчика положения синие новыеДва датчика положения синие новые

Микроволновые

Микроволновые датчики движения излучают высокочастотные электромагнитные волны. Изделие чувствительно к изменению отражаемых волн, которые создаются объектами в контролируемой зоне. Объект же может быть теплокровным, живым, или просто предметом. Важно чтобы объект отражал радиоволны.

Используемый принцип радиолокации, позволяет обнаружить объект и вычислить скорость его перемещения. При движении срабатывает прибор. Это эффект Допплера.

Магниточувствительные

Этот вид приборов изготавливают двух видов:

  • на основе механических контактов;
  • на основе эффекта Холла.

Первый может работать при переменном и постоянном токе до 300V или при напряжении близком к 0.

Изделие на основе эффекта Холла чувствительным элементом отслеживает изменение характеристик при действии внешнего магнитного поля.

Датчик Датчик

Контактный

Контактные датчики — это изделия параметрического типа. Если наблюдаются трансформации механической величины, у них изменяется электрическое сопротивление. В конструкции изделия два электрода, которые обеспечивают контакт входа приемника с грунтом. Емкостной преобразователь состоит из двух металлических пластин, держат они два оператора, установленных на удалении друг от друга. Одной пластиной может быть корпус приемника.

Контактный угловой датчик называют энкодер, используется для определения угла поворота вращающегося предмета. Нейтральный отвечает за режимом работы двигателя.

Ртутный

Ртутные датчики положения имеют стеклянный корпус и по размерам схожи с неоновой лампой. Имеется два вывода-контакта с капелькой ртутного шарика внутри стеклянной вакуумной, запаянной колбы.

Используется автомобилистами для контроля угла наклона подвески, открытия капота, багажника. Используют его и радиолюбители.

Сферы применения

Области использования миниатюрных устройств обширны:

  • Используют в машиностроении для сборки, тестирования, упаковки, сварки, заклепки.
  • В лабораториях применяют для контроля, измерения.
  • Автомобильной технике, в транспортной промышленности, подвижной технике. Наиболее популярен датчик нейтральной передачи для МКПП. Во многих системах управления автомобилей присутствуют датчики. Они есть в механизме рулевого управления, клапана, педали, в подкапотных системах, в системах управления зеркалами, креслами, откидными крышами.
  • Применяют их в конструкциях роботов, в научной сфере и сфере образования.
  • Медицинской технике.
  • Сельском хозяйстве и спецтехнике.
  • Деревообрабатывающей промышленности.
  • Металлообрабатывающей области, в станках металлорежущих.
  • Проволочном производстве.
  • Конструкциях прокатных станов, в станках с программным управлением.
  • Системы слежения.
  • В охранных системах.
  • Гидравлических и пневматических системах.
Емкостной датчик: принцип работы, разновидности, схема

Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения  емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.

Емкостной датчик

Как работает такой измеритель

По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

С=Ɛ×Ɛ0×S/d

Где:

  • Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
  • Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
  • d — зазор между обкладками;
  • S — площадь обкладок.

Схема

В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.

Принцип работы емкостного измерителя

Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.

Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать  изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.

Схема 2

Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.

Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.

Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.

Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.

Какие бывают датчики

Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:

  • одноемкостные;
  • двухемкостные.

Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:

  • плоскими;
  • цилиндрическими;
  • поворотными.

Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:

  • измерителей уровня;
  • приборов контроля углового перемещения;
  • датчиков перемещения;
  • инклинометров;
  • датчиков давления.

Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.

Одноемкостные датчики

Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.

Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.

Схема 3

Двухемкостные датчики

Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.

Схема 4

Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.

Датчики уровня

Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.

Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).

Схема 5

Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.

Датчики линейного перемещения

Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:

  • контроля начала-окончания рабочего хода исполнительного устройства в автоматических станках;
  • позиционирования различных объектов;
  • фиксации появления стороннего объекта в системе охраной сигнализации;
  • как концевой выключатель.

Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.

  • На основе изменения зазора между пластинами конденсатора. Схема 6В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию.
  • В представленном ниже варианте работа датчика основана на изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками.Схема 7

Датчики углового перемещения

По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.

Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.

Инклинометр

Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является  другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.

Инклинометр

Датчик давления

В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.

Датчик давления

Емкостные датчики прикосновения

Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования  как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:

  • на использовании собственной емкости;
  • на использовании взаимной емкости.

Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.

Датчик на основе собственной емкости

Конденсатор существует  не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.

Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.

Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.

сенсорная кнопка

Как изменить состояние кнопки

прикоснуться пальцем

Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:

  • из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
  • из-за собственной проводимости

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

сенсорная кнопка- зкмля

Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.

Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

Дополнительная емкость

И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.

Использование емкостных датчиков прикосновения

Подобные сенсоры нашли широкое применение не так давно, хотя в повседневной жизни они встречаются повсеместно. Можно ожидать, что благодаря им использование механических переключателей и кнопок будет минимизировано. Самое главное — такая технология позволяет определить момент касания, а уж современная  электроника его обработает без каких либо проблем.

Датчики присутствия

Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.

Как это работает

Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.

Как это работает

На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная  результирующая емкость у всей системы.

При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости:  Са — между электродом  и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.

Еще один способ обнаружения присутствия

В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.

Схема 8

В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.

При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.

При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.

Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля.  В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

  • нефтегазовая промышленность;
  • добыча и переработка металлов;
  • горнодобывающая промышленность;
  • сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
  • деревообрабатывающая промышленность;
  • производство напитков и продуктов питания;
  • станкостроение и роботизированные комплексы;
  • целлюлозно-бумажная промышленность;
  • химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

  • указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
  • сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
  • подсчет количества штучных изделий;
  • контроль натяжения ленты;
  • использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Преимущества емкостных датчиков

Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:

  • малый вес, габариты, незначительное потребление электроэнергии;
  • отсутствие контактов;
  • длительный срок эксплуатации;
  • возможность адаптировать датчики к использованию для решения различных задач;
  • незначительные усилия для перемещения подвижных частей.
  • простоту изготовления, а также применение для этих целей доступных, недорогих материалов;

Недостатки датчиков

Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:

  • ошибки и погрешности, порой значительные, в процессе измерений;
  • необходимость использования преобразователей и измерителей, работающих на высоких частотах;
  • экранирование измерительных и высокочастотных цепей;

Датчики

Заключение

Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность.

Видео по теме

Хорошая реклама

«Принцип работы индуктивных датчиков?» – Яндекс.Кью

Чтобы понять принцип работы индуктивного датчика, разберём его составляющие.

Состоит индуктивный датчик:

1. Электромагнитная система → 2. Генератор → 3. Демодулятор → 4. Пороговое устройство → 5. Выходной усилитель

1электромагнитная система.
Её также называют чувствительным элементом датчика. Электромагнитная система является частью генератора.
Она представляет собой катушку индуктивности, помещенную в магнитопровод. Чаще всего это круглая ферритовая чашка. Чашки в зависимости от габаритов датчика могут иметь диаметр от 3,3 мм до 150 мм.

С внешней стороны ферритовый сердечник закрыт диэлектрическим колпачком. Его торцевая часть называется чувствительной поверхностью.

Область перед чувствительной поверхностью является зоной чувствительности датчика. Там сконцентрировано магнитное поле. Оно распространяется примерно на половину диаметра датчика.

2 - генератор.
Это та часть электронной схемы датчика, которая вырабатывает электрические колебания. Генератор формирует переменное электромагнитное поле, в сечении напоминающее букву М.
Катушка индуктивности и конденсатор (устройство для накопления заряда и энергии электрического поля) образуют колебательный контур. Генератор вырабатывает незатухающие синусоидальные колебания. При попадании металлического объекта в зону чувствительности датчика в нём образуются вихревые токи. Они создают встречный магнитный поток, демпфирующий колебания контура. Другими словами, происходит затухание электромагнитных колебаний, уменьшается их амплитуда. Чем ближе металлический объект к чувствительной поверхности датчика и чем больше его размер, тем сильнее затухание.

3 - демодулятор или детектор, он же выпрямитель.

Преобразует изменение высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

4 - пороговое устройство сравнивает переданное демодулятором напряжение с заранее установленным порогом срабатывания.
При достижении порога формируется логический сигнал "0 или 1" (т. е. "выключение / или включение"). Таким образом, пороговое устройство преобразует аналоговый сигнал детектора в «цифровой»выходной, его ещё называют дискретным.

В качестве порогового устройства используются как транзисторные, так и микросхемные варианты компараторов и триггеров Шмитта.

Особенностью порогового устройства является то, что пороги переключения из "0" в "1" и из "1" в "0" не совпадают. Это делается преднамеренно для повышения помехоустойчивости датчика. Данное свойство называют гистерезисом.

5 - выходной усилитель увеличивает мощность выходного сигнала до необходимого значения для передачи последующим устройствам.

Выходной усилитель часто называют выходным ключом, так как он оперирует логическими значениями 0 и 1.

В качестве выходного ключа могут использоваться транзисторы разных типов, тиристоры (симисторы), реле электромагнитные, реле твердотельные, оптроны, специализированные микросхемы (интеллектуальные ключи).

Электромагнитная система, генератор, демодулятор, пороговое устройство и выходной усилитель являются основой индуктивных датчиков.

Подытожим:
Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении параметров электромагнитного поля при вхождении металлического объекта в зону чувствительности. Эти изменения фиксируются электронной схемой датчика и изменяют его состояние. В результате этого происходит коммутация выходных цепей: размыкание нормально замкнутого, замыкание нормально разомкнутого или переключение контактов.

Применение датчиков в промышленном оборудовании / Статьи и обзоры / Элек.ру

В промышленной электронике индуктивные, оптические и другие датчики применяются очень широко. Долго и постоянно имею с ними дело, так как работаю инженером-электронщиком на крупном предприятии. Статья будет обзорной, но есть и реальные примеры.

Датчики в промышленном оборудование

Типы датчиков

Итак, что вообще такое датчик. Датчик — это устройство, которое выдает определенный сигнал при наступлении какого-либо определенного события. Иначе говоря, датчик при определенном условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал. Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.

Оптический датчик

Оптический датчик отслеживает перемещение
деталей по конвейеру

Датчиков великое множество. Перечислю лишь те разновидности, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.

Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия — датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут «proximity sensor». Фактически это — датчик металла.

Оптические. Другие названия — фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются «датчик освещенности». Разновидность оптических датчиков — инфракрасные датчики движения, которые срабатывают на изменение температуры в зоне действия.

Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.

Давления. Если этот датчик дискретный, то принцип работы очень прост. Давления воздуха или масла нет — датчик выдает сигнал на контроллер или рвет аварийную цепь. Может быть датчик для измерения давления с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.

Пример работы концевых выключателей

Пример работы концевых выключателей — нижний датчик активирован

Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него надавливает объект (активатор).

Итак, мы выяснили, что воздействие (активация) может быть любым, а реакции может быть две — дискретный либо аналоговый сигнал. Поэтому, все датчики можно считать одинаковыми, различия могут быть только в способе активации (принципе действия) и схеме включения.

Для примера рассмотрим индуктивный датчик, поскольку он наиболее распространен.

Применение индуктивного датчика

Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма.

Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, контактора или другого исполнительного устройства. Единственное условие — соответствие по току и напряжению.

Принцип работы индуктивного датчика

Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.

В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.

Металлический активатор меняет резонансную частоту колебательного контура и схема, содержащая компаратор, выдает сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла — нет сигнала.

Чем отличаются индуктивные датчики

Индуктивный датчик определяет положение рычага

Индуктивные датчики определяют, в левом
или в правом положении находится рычаг

Индуктивный датчик подсчета импульсов

Индуктивный датчик подсчета импульсов

Почти все, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим, емкостным и другим датчикам.

  1. Конструкция, вид корпуса.

    Тут два основных варианта — цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса — металл (различные сплавы) или пластик.

  2. Диаметр цилиндрического датчика.

    Основные размеры — 12 и 18 мм. Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.

  3. Расстояние переключения (рабочий зазор).

    Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надежное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние — до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм — до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков — до 20...30 мм.

  4. Количество проводов для подключения.

    2-х проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки. Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением — не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Главное — обеспечить рабочий ток.

    3-х проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один — для нагрузки. Подробнее расскажу ниже.

    4-х и 5-ти проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод — выбор режима работы или состояния выхода.

  5. Виды выходов датчиков по полярности.

    У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента.

Релейный. Реле коммутирует в простейшем случае один из проводов питания, как это делается в бытовых датчиках движения или освещенности. Универсальный вариант с «сухим» контактом, когда выходные контакты реле не связаны с питанием датчика. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением.

Транзисторный PNP. На выходе — транзистор PNP, то есть коммутируется «плюсовой» провод. К «минусу» нагрузка подключена постоянно.

Транзисторный NPN. На выходе — транзистор NPN, то есть коммутируется «минусовой», или нулевой провод. К «плюсу» нагрузка подключена постоянно.

Пример оптического датчика с релейным выходом

Пример оптического датчика с релейным выходом

Можно четко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод питания и коммутируется. Другой полюс подключен к нагрузке постоянно. Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.

  1. Виды датчиков по состоянию выхода.

    Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров — электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).

    Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание), либо выключен. Соответственно, говорят — нормально открытый (НО) контакт или нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт. В иностранном обозначении — NO и NC.

    То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков — то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода: PNP NO, PNP NC, NPN NO, NPN NC.

  2. Положительная и отрицательная логика работы.

    Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле). Отрицательная или положительная логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.

Отрицательная логика: вход контроллера активизируется (логическая «1») при подключении к НУЛЮ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

Положительная логика: вход активизируется при подключении к +24 В. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с нулем. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.

В следующей статье мы рассмотрим реальные индуктивные датчики и их схемы включения.

Автор: Александр Ярошенко, автор блога «СамЭлектрик»

виды, принцип работы, схема подключения, как проверить

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.

Индуктивный датчикИндуктивный датчик

Виды

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.

ДатчикДатчик

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.

Схема индуктивного датчикаСхема индуктивного датчика

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.

Датчик индуктивныйДатчик индуктивный

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:

  • минус обычно указывается синим;
  • плюс — красным;
  • выход — черным;
  • белый — дополнительный выход или же вход управления, что определяется типом используемого датчика.

Погрешности

Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.

Датчик индуктивныйДатчик индуктивный

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.

Индуктивные датчикиИндуктивные датчики

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.

Датчик индуктивный с кабелемДатчик индуктивный с кабелем

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.

ДатчикДатчик

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.

Составляющие датчика индуктивногоСоставляющие датчика индуктивного

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:

  • снижение стоимости и веса, более компактные размеры;
  • возможность выбора практически любых форм-факторов;
  • повышение точности реагирования на металлические объекты;
  • возможность проведения замеров, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
  • упрощение конструкции;
  • возможность устанавливать несколько индукционных датчиков близко друг к другу из-за высокой электромагнитной совместимости.

Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.

Тактильный датчик

и его принцип работы

WSG-DSA - это захват для пальцев, который объединяет тактильные ощущения для обратной связи профиля высокого разрешения во время захвата. Для целей зондирования используется интеллектуальный тактильный датчик DSA9205i. Он устанавливается поверх базовых кулачков WSG и напрямую соединен с контроллером захвата через встроенный сенсорный порт в базовых кулачках, так что не требуется никаких внешних компонентов и кабелей, чтобы включить тактильное устройство для ваших задач обработки.Эти типы датчиков пальцев обнаруживаются автоматически и параметризуются WSG. Профиль давления можно использовать изнутри контроллера захвата с помощью мощного скриптового интерфейса. В этой статье рассматриваются типы тактильных датчиков и их работа.

Что такое тактильный датчик?

Тактильный датчик - это устройство. Он измеряет поступающую информацию в ответ на физическое взаимодействие с окружающей средой. Чувство осязания у человека обычно моделируется, то есть кожное чувство и кинестетическое чувство.Кожное прикосновение обладает способностью обнаруживать раздражители, возникающие в результате механического раздражения, боли и температуры. Кинестетическое прикосновение получает сенсорные сигналы от рецепторов, присутствующих в мышцах, сухожилиях и суставах.


Tactile Sensor Tactile Sensor Тактильный датчик

Типы тактильных датчиков

Существуют различные типы тактильных датчиков, которые приведены ниже

  • Датчик силы / крутящего момента
  • Динамический датчик
  • Тепловой датчик
Датчик силы / крутящего момента

Сила / Датчики крутящего момента используются в сочетании с тактильным массивом для предоставления информации для управления силой.Датчики этих типов могут воспринимать нагрузку в любом месте, например, в дистальном звене манипулятора, и в ограничениях, например, в качестве датчика кожи. Датчик кожи обычно обеспечивает более точное измерение силы при более высокой ширине полосы. Если звено манипулятора определено в целом, и предполагается, что сигнальный контакт точечный, то датчик силы / крутящего момента может дать информацию о месте контакта силы и моментов - это называется внутренним тактильным восприятием. Изображение датчика крутящего момента показано ниже.

Force or Torque Sensor Force or Torque Sensor Датчик силы или крутящего момента
Динамический датчик

Динамические датчики - это небольшие акселерометры на полосках пальцев или на коже робота-пальца.Общая функция подобна тельцам Пачини в людях и имеет одинаково большие соответствующие поля; таким образом одного или двух скинов акселерометра достаточно для всего пальца. Эти датчики эффективно обнаруживают замыкание и размыкание контакта, вибрации, связанные со скольжением по текстурированным поверхностям.

Dynamic Sensor Dynamic Sensor Динамический датчик

Датчик скорости напряжения - это второй тип динамического тактильного датчика. Если кончик пальца скользит со скоростью всего нескольких см / с мелких мелких выпуклостей или ямок на поверхности, временные изменения кожи становятся важными.Пьезоэлектрический полимер, такой как PVDF, производит заряд в ответ на повреждение, которое может быть применено для создания тока, который прямо пропорционален диапазону изменения.

PCBWay PCBWay
Термодатчик

Термодатчики важны для способности человека определять материалы изготовленных объектов, но некоторые также используются в робототехнике. Тепловое зондирование включает в себя обнаружение тепловых градиентов в коже, которые соответствуют как температуре, так и теплопроводности объекта.Роботизированные термодатчики используются в переходах Пельтье в сочетании с термисторами.

Thermal Sensor Thermal Sensor Термодатчик
Принцип работы и принципиальная схема тактильного датчика

Тактильные датчики разработаны для обеспечения способности тактильного восприятия телеуправляемых манипуляторов и интеллектуальных роботов. Тактильные датчики могут идентифицировать нормальное усилие, приложенное к тактильным пикселям, для гипнотизации управления силой и тактильных изображений и для генерации распознавания объекта.Однако для получения тактильных изображений и нормальных сил информация о тангенциальных является критически важной для управления силой и предотвращения скольжения, что гипнотизирует успех задачи - поэтому требуются трехмерные тактильные датчики.

Circuit Diagram of Tactile Sensor Circuit Diagram of Tactile Sensor Принципиальная схема тактильного датчика

Существует несколько трехмерных тактильных датчиков, разработанных с использованием пьезорезистивных, емкостных и дополнительных чувствительных элементов, и эти тактильные датчики изготовлены по технологии MEMS. Интегрированные чувствительные элементы и схемы предварительной обработки предназначены для компактности, но они слишком слабы и легко ломаются для большинства применений; и, например, диапазон силы тактильного датчика составляет всего 0.01 N w4x и другие тактильные датчики не предусмотрены технологией MEMS. На схеме ниже показана схема тактильного датчика.

Тактильный датчик в робототехнике

Тактильный датчик, который используется в роботах NASA, приведен ниже

  • Один из примеров, непосредственно связанных с исследованием планет.
  • НАСА использует эти датчики на международной космической станции для помощи людям в ремонте / обслуживании в окружающей среде.
    • НАСА испробовало множество тактильных датчиков в робототехнике, которые находятся на начальной стадии.Они использовали резистор, чувствительный к силе, и в настоящее время используются композиты для квантового туннелирования
  • Для разработки тактильных датчиков, изготовленных промышленным роботом, изготовлены многочисленные кнопки и ячейки
  • Применения тактильных датчиков
Применения тактильных датчиков используется в

Преимущества тактильного датчика

Преимущества тактильного датчика приведены ниже:

  • Они предлагают простые в использовании решения для тактильного датчика
  • Тактильный датчик не имеет внешних компонентов и кабелей
  • Компактное извлечение
  • Проверенный тактильный датчик технология зондирования от робототехники.

Речь идет о принципе действия и применениях тактильного датчика. Мы надеемся, что данная информация будет полезна для предоставления полезной информации и понимания проекта. Кроме того, если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой концепции в электрических и электронных проектах, вы можете оставить комментарий в следующем разделе. Вот вам вопрос - каковы функции тактильных датчиков?

Фото Кредиты:

.
Принцип работы, области применения и ограничения ультразвуковых датчиков

Рисунок 1. Ультразвуковой датчик HC SR04. (Источник: Digikey

Ультразвуковой датчик (или преобразователь) работает по тем же принципам, что и радиолокационная система. Ультразвуковой датчик может преобразовывать электрическую энергию в акустические волны и наоборот. Сигнал акустической волны - это ультразвуковая волна, распространяющаяся с частотой выше 18 кГц. Знаменитый ультразвуковой датчик HC SR04 генерирует ультразвуковые волны с частотой 40 кГц.

Как правило, микроконтроллер используется для связи с ультразвуковым датчиком. Чтобы начать измерение расстояния, микроконтроллер отправляет сигнал запуска на ультразвуковой датчик. Рабочий цикл этого триггерного сигнала составляет 10 мкс для ультразвукового датчика HC-SR04. При срабатывании ультразвуковой датчик генерирует восемь акустических (ультразвуковых) всплесков и запускает счетчик времени. Как только отраженный (эхо) сигнал получен, таймер останавливается. Выходной сигнал ультразвукового датчика представляет собой высокий импульс с той же длительностью, что и разница во времени между переданными ультразвуковыми импульсами и принятым эхо-сигналом.

Рисунок 2: Представление триггерного сигнала, акустических импульсов, отраженного сигнала и выхода эхо-сигнала. (Источник: руководство пользователя HC-SR04)

Микроконтроллер интерпретирует сигнал времени на расстоянии, используя следующие функции:

Теоретически, расстояние можно рассчитать по формуле измерения TRD (время / скорость / расстояние). Поскольку рассчитанное расстояние - это расстояние, пройденное от ультразвукового преобразователя до объекта - и обратно до преобразователя, - это двусторонняя поездка.Разделив это расстояние на 2, вы можете определить фактическое расстояние от преобразователя до объекта. Ультразвуковые волны распространяются со скоростью звука (343 м / с при 20 ° C). Расстояние между объектом и датчиком равно половине расстояния, пройденного звуковой волной. [Iv] Следующее уравнение вычисляет расстояние до объекта, помещенного перед ультразвуковым датчиком:

Заявки

Во многих областях техники используются ультразвуковые датчики.Бесконтактное измерение расстояния очень полезно в автоматизации, робототехнике и приборостроении. Ниже мы исследуем применение ультразвуковых датчиков:

Ультразвуковые анемометры

Рисунок 3: 2D Ультразвуковой анемометр обнаруживает горизонтальную составляющую скорости и направления ветра (Источник: Biral)

Метеостанции обычно используют анемометры, так как они эффективно определяют скорость и направление ветра. 2D анемометры могут измерять только горизонтальную составляющую скорости и направления ветра, тогда как 3D анемометры могут измерять и вертикальную составляющую ветра.

Помимо измерения скорости и направления ветра, ультразвуковые анемометры также могут измерять температуру, поскольку скорость ультразвуковых звуковых волн зависит от колебаний температуры, сохраняя независимость от изменений давления. Температура рассчитывается путем измерения изменений скорости ультразвукового звука.

Ультразвуковой анемометр более долговечен по сравнению с чашечным анемометром и лопастным анемометром, поскольку он не имеет движущихся частей и работает с использованием ультразвуковых звуковых волн.[vi]

Рисунок 4: Ультразвуковой 3D-анемометр измеряет горизонтальную и вертикальную составляющие скорости и направления ветра. (Источник: Бирал)

Указатель прилива

Прилив используется для контроля уровня моря. Он также обнаруживает приливы, штормовые нагоны, цунами, зыби и другие прибрежные процессы. [vii] В приборе можно использовать ультразвуковой датчик для определения уровня воды в режиме реального времени. Датчик часто связан с онлайновой базой данных, где ведется запись, и в случае рискованной ситуации система может вызвать тревогу.

Уровень бака

Измерение уровня жидкости в резервуаре аналогично мареографу. Однако в этом случае жидкость может быть чистой водой, коррозийным химическим веществом или горючей жидкостью. В отличие от оптических датчиков и поплавковых переключателей, ультразвуковые датчики менее подвержены коррозии, поскольку они не вступают в контакт с жидкостью.

Функционально в солнечном свете

Солнечный свет на поверхности Земли состоит из примерно 52-55% инфракрасного света. [Ix] Если инфракрасный датчик обнаруживает объект, использующий инфракрасный свет, процесс нарушается из-за интерференции инфракрасного света, присутствующего в солнечном свете.Однако на ультразвуковые датчики не влияет инфракрасный спектр, присутствующий в солнечном свете.

Системы веб-управления

Системы веб-ориентирования позиционируют плоские материалы (например, газету, пластиковую пленку) и широко используют ультразвуковые датчики. По словам Максцесса, «в 1939 году Ирвин Файф изобрел первого веб-гида в своем гараже в Оклахома-Сити, штат Оклахома, решая задачу владельца газеты по выравниванию бумаги в его высокоскоростной газетной прессе». [X] Система веб-ориентирования использует бесконтактный датчик для обнаружения и отслеживания объектов на нескольких этапах.Цель состоит в том, чтобы материал был правильно расположен. Если материал выходит из выравнивания, система механически помещает его обратно на путь обработки станка. Ультразвуковые датчики подходят для веб-направляющих систем, поскольку процесс требует бесконтактной, высокоскоростной и эффективной функциональности.

БПЛА навигация

Рисунок 5: Ультразвуковой датчик измерения высоты во время полета дрона. (Источник: RadioLink)

Беспилотные летательные аппараты (БЛА) - или беспилотники - обычно используют ультразвуковые датчики для контроля любых объектов на пути и расстоянии от земли БПЛА.

Автономная функция определения безопасных расстояний позволяет самолету избежать крушения. А так как полет траектории изменяется мгновенно, ультразвуковое обнаружение расстояний может предотвратить сбой дрона.

Рисунок 6: Ультразвуковой датчик измерения расстояния от объекта во время полета дрона. (Источник: RadioLink)

Ограничения ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики, такие как HC-SR04, могут эффективно измерять расстояния до 400 см с небольшим допуском 3 мм.[xiii] Однако, если целевой объект расположен так, что ультразвуковой сигнал отклоняется, а не отражается обратно на ультразвуковой датчик, вычисленное расстояние может быть неверным. В некоторых случаях целевой объект настолько мал, что отраженного ультразвукового сигнала недостаточно для обнаружения, и расстояние не может быть правильно измерено.

Кроме того, такие объекты, как ткань и ковер, могут поглощать акустические сигналы. Если сигнал поглощается на конце целевого объекта, он не может отражаться обратно к датчику, и, следовательно, расстояние не может быть измерено.

Рисунок 7: Представление ультразвукового сигнала, отклоненного из-за положения целевого объекта, что приводит к ошибке. (Источник: Macduino)

Высокая чувствительность ультразвуковых датчиков делает их эффективными, но эта чувствительность также может вызвать проблемы. Ультразвуковые датчики могут обнаруживать ложные сигналы, поступающие от воздушных волн, нарушенных системой кондиционирования воздуха, и, например, импульс от потолочного вентилятора.

Ультразвуковые датчики могут обнаруживать объекты, находящиеся в пределах их диапазона, но они не могут различать различные формы и размеры.Однако преодолеть это ограничение можно, используя два датчика вместо одного. Можно установить оба датчика на расстоянии друг от друга, или они могут быть смежными. Наблюдая за перекрытой заштрихованной областью, можно лучше понять форму и размер целевого объекта.

Рис. 8: Представление перекрывающейся области, когда один размещает два ультразвуковых датчика на расстоянии или рядом друг с другом. (Источник: msu.edu)

https: // www.mouser.com/ds/2/813/HCSR04-1022824.pdf[ii] https://www.mpja.com/download/hc-sr04_ultrasonic_module_user_guidejohn.pdf
https://www.mpja.com/download/hc- sr04_ultrasonic_module_user_guidejohn.pdf
https://www.teachengineering.org/activities/view/nyu_soundwaves_activity1
https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/ultrasonic-sensors-how-they- и как их использовать с arduino
https://en.wikipedia.org/wiki/Anemometer

Ультразвуковые датчики ToughSonic® помогают предупредить о цунами


Принципы термальной экологии: температура, энергия и жизнь; Кларк, Эндрю.2017
http://www.maxcessintl.com/fife
https://en.wikipedia.org/wiki/Web-guiding_systems
https://www.maxbotix.com/uav-ultrasonic-sensors.htm
https: //www.mouser.com/ds/2/813/HCSR04-1022824.pdf
http://cmra.rec.ri.cmu.edu/content/electronics/boe/ultrasonic_sensor/1.html
https: // www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/fall09/group05/docs/ece480_dt5_application_note_nkelly.pdf
https://www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/fall09/group05/d80_t_0_5_d5.pdf

,
Назначение и принцип действия индуктивных датчиков
Purpose and Working Principle of Inductive Sensors Purpose and Working Principle of Inductive Sensors Назначение и принцип действия индуктивных датчиков (на фото: Omron 5mm 6-36VDC индуктивный датчик приближения PNP NC)

Индуктивные датчики используют токи, индуцированные магнитными полями, для обнаружения близлежащих металлических объектов. Индуктивный датчик использует катушку (катушку индуктивности) для генерации высокочастотного магнитного поля, как показано в на Рисунке 1 ниже. Если рядом с изменяющимся магнитным полем находится металлический предмет, в объекте будет течь ток.

Этот результирующий поток тока создает новое магнитное поле, противоположное исходному магнитному полю. Конечным эффектом является то, что он изменяет индуктивность катушки в индуктивном датчике.

С помощью измерения индуктивности датчик может определить, когда металл был поднесен поблизости.

Эти датчики будут обнаруживать любые металлы, при обнаружении нескольких типов металлов часто используются несколько датчиков.

Inductive Proximity Sensor Inductive Proximity Sensor Рисунок 1 - Индуктивный датчик приближения

Примечание: эти работают, устанавливая высокочастотное поле.Если цель приближается к полю, это вызовет вихревые токи. Эти токи потребляют энергию из-за сопротивления, поэтому энергия в поле теряется, а амплитуда сигнала уменьшается. Детектор проверяет значение поля, чтобы определить, когда оно уменьшилось достаточно для переключения.

Датчики могут обнаруживать объекты в нескольких сантиметрах от конца. Но направление к объекту может быть произвольным, как показано в на Рисунке 2 ниже.

Shielded and Unshielded Sensors Shielded and Unshielded Sensors Рисунок 2 - Экранированные и неэкранированные датчики

Магнитное поле неэкранированного датчика охватывает больший объем вокруг головки катушки.При добавлении экрана (металлическая оболочка вокруг сторон катушки) магнитное поле становится меньше, но также и более направленным. Часто экраны будут доступны для индуктивных датчиков, чтобы улучшить их направленность и точность.

Ссылка: Автоматизированные производственные системы с ПЛК - Хью Джек

,Принцип работы измерительного прибора датчика перепада давления

Инструменты

Еще одна распространенная конструкция датчика электрического давления работает по принципу дифференциальной емкости. В этой конструкции чувствительный элемент представляет собой жесткую металлическую диафрагму, расположенную на равном расстоянии между двумя неподвижными металлическими поверхностями, содержащую три пластины для дополнительной пары конденсаторов. Электроизоляционная заполняющая жидкость (обычно жидкий силиконовый состав) передает движение от изолирующих диафрагм к чувствительной диафрагме, а также удваивается в качестве эффективного диэлектрика для двух конденсаторов:

capacitance pressure sensors

Любая разница давления в ячейке вызывает появление диафрагмы прогнуться в направлении наименьшего давления.Чувствительная диафрагма представляет собой изготовленный с высокой точностью пружинный элемент, что означает, что его смещение является предсказуемой функцией приложенного усилия. Приложенная сила в этом случае может быть только функцией перепада давления, действующего на площадь поверхности диафрагмы в соответствии со стандартным уравнением силы-области давления F = PA.

В этом случае у нас есть две силы, вызванные двумя давлениями жидкости, работающими друг против друга, поэтому наше уравнение сила-давление-площадь может быть переписано для описания результирующей силы как функции перепада давления (P1 - P2) и площади диафрагмы: F = (P1 - P2) A.Поскольку площадь диафрагмы постоянна, а сила, как и ожидалось, связана со смещением диафрагмы, все, что нам теперь нужно для того, чтобы вывести перепад давления, - это точное измерение смещения диафрагмы.

Вторичная функция мембраны в виде одной пластины из двух конденсаторов обеспечивает удобный метод измерения смещения. Поскольку емкость между проводниками обратно пропорциональна расстоянию между ними, емкость на стороне низкого давления будет увеличиваться, а емкость на стороне высокого давления будет уменьшаться:

capacitance pressure sensors principle

В цепи детектора емкости, подключенной к этой ячейке, используется Частота переменного сигнала возбуждения измеряет разную емкость между двумя половинами, переводя ее в постоянный сигнал, который в конечном итоге становится выходным сигналом прибора, представляющего давление.

Эти датчики давления очень точные, стабильные и прочные. Интересная особенность этой конструкции - использование двух изолирующих диафрагм для передачи давления рабочей жидкости на одну чувствительную мембрану через внутреннюю «заполняющую жидкость» - заключается в том, что сплошная рама ограничивает движение двух изолирующих диафрагм так, что ни одна из них не может заставить чувствительная диафрагма превышает предел упругости.

Как показано на рисунке, изолирующая мембрана более высокого давления толкается к металлической раме, передавая свое движение чувствительной диафрагме через наполняющую жидкость.Если к этой стороне приложить слишком большое давление, изолирующая диафрагма просто «сгладится» относительно твердой рамы капсулы и прекратит движение. Это положительно ограничивает движение изолирующей диафрагмы, так что она не может оказывать больше давления на чувствительную диафрагму, даже если применяется дополнительное давление технологической жидкости. Такое использование изолирующих диафрагм и заполняющей жидкости для передачи движения чувствительной диафрагме, которое используется и в других типах датчиков дифференциального давления, дает современным приборам дифференциального давления отличную устойчивость к повреждениям от избыточного давления.

Следует отметить, что использование жидкого наполнителя является ключом к этой конструкции, устойчивой к избыточному давлению. Чтобы чувствительная диафрагма точно переводила приложенное давление в пропорциональную емкость, она не должна касаться проводящей металлической рамки, окружающей ее. Однако для того, чтобы любая диафрагма была защищена от избыточного давления, она должна контактировать со сплошной задней опорой, чтобы ограничить дальнейшее перемещение. Таким образом, необходимость бесконтактного (емкостного) и контактного (защита от избыточного давления) взаимоисключающие, что делает практически невозможным выполнение обеих функций с одной чувствительной диафрагмой.Использование заполняющей жидкости для передачи давления от изолирующих диафрагм к чувствительной диафрагме позволяет отделить функцию емкостного измерения (чувствительной диафрагмы) от функции защиты от избыточного давления (изолирующих диафрагм), так что каждая диафрагма может быть оптимизирована для отдельной цели.

Классическим примером прибора для измерения давления на основе датчика дифференциальной емкости является преобразователь дифференциального давления модели 1151 Rosemount, показанный в собранном виде на следующей фотографии:

Capacitance Pressure Transmitter

Сняв четыре болта с преобразователя, мы можем удалить два фланец из капсулы под давлением, подвергая разделительные мембраны на простое представление:

Pressure Transmitter Internal Parts

крупного план фотография показывает строительство одного из изолирующих диафрагм, которые в отличие от чувствительной мембраны предназначены быть очень гибкими.Концентрические гофры в металле диафрагмы позволяют ей легко сгибаться при приложении давления, передавая давление рабочей жидкости через силиконовую заполняющую жидкость на упругую чувствительную мембрану внутри ячейки дифференциальной емкости:

Pressure sensing diaphragm

Внутренняя часть той же дифференциальной емкости Датчик (обнаруженный путем разрезания датчика Rosemount модели 1151 пополам с помощью режущей пилы) показывает изолирующие диафрагмы, чувствительную диафрагму и порты, соединяющие их вместе:

interior of differential capacitance sensor

Здесь левая изолирующая диафрагма более ясна для наблюдения чем правосторонняя изолирующая диафрагма.На этой фотографии отчетливо видна особенность малого зазора между левой изолирующей диафрагмой и внутренней металлической рамой по сравнению с просторной камерой, в которой находится чувствительная диафрагма.

Напомним, что эти внутренние пространства обычно заняты заполняющей жидкостью, целью которой является передача давления от изолирующих диафрагм к чувствительной диафрагме. Как упоминалось ранее, цельнометаллическая рама ограничивает перемещение каждой изолирующей диафрагмы таким образом, что изолирующая диафрагма более высокого давления «выдвигается» на металлическую раму, прежде чем чувствительная диафрагма может быть вытолкнута за предел упругости.Таким образом, чувствительная диафрагма защищена от повреждения избыточным давлением, потому что изолирующим диафрагмам просто не позволяют двигаться дальше.

Датчик дифференциальной емкости по своей природе измеряет разницу в давлении, приложенном между его двумя сторонами. В соответствии с этой функциональностью этот прибор давления имеет два резьбовых отверстия, в которые может быть подано давление жидкости. В следующем разделе этой главы будет подробно рассказано об использовании преобразователей перепада давления.Все электронные схемы, необходимые для преобразования дифференциальной емкости датчика в электронный сигнал, представляющий давление, размещены в синей структуре над капсулой и фланцами. Более современной реализацией принципа измерения давления дифференциальной емкости является преобразователь дифференциального давления модели 3051 Rosemount:

Rosemount Pressure Transmitter

Как и в случае со всеми устройствами дифференциального давления, этот прибор имеет два порта, через которые можно подавать давление жидкости к датчик.Датчик, в свою очередь, реагирует только на разницу давлений между портами.

Конструкция датчика дифференциальной емкости является более сложной в этом конкретном приборе давления, при этом плоскость чувствительной диафрагмы перпендикулярна плоскости двух изолирующих диафрагм. Эта «компланарная» конструкция является более компактной, чем датчик более старого типа, и, что более важно, она изолирует чувствительную мембрану от напряжения фланцевого болта.

Pressure Transmitter Working

Обратите особое внимание на то, что узел датчика не встроен в цельнометаллическую раму, как в случае с оригинальной конструкцией Rosemount.Вместо этого узел датчика относительно изолирован от рамы и соединен только двумя капиллярными трубками, соединяющими его с изолирующими диафрагмами. Таким образом, напряжения внутри металлической рамы, создаваемые фланцевыми болтами, практически не влияют на датчик.

Модель выреза DP-преобразователя Rosemount модели 3051S («супермодуль») показывает, как все это выглядит в реальной жизни:

Pressure Transmitter Parts

Давление рабочей жидкости, приложенное к изолирующей диафрагме (ам), передается для заполнения жидкости внутри капиллярных трубок , передавая давление на натянутую диафрагму внутри датчика дифференциальной емкости.Как и в классической модели Rosemount модели 1151, мы видим, что заполняющая жидкость выполняет несколько функций:

  • Заполняющая жидкость защищает чувствительную чувствительную мембрану от контакта с грязными или коррозийными технологическими жидкостями
  • Заполняющая жидкость позволяет изолирующим мембранам обеспечивать защиту от избыточного давления для чувствительная диафрагма
  • Заполняющая жидкость обеспечивает постоянную диэлектрическую проницаемость для функционирования цепи дифференциальной емкости

Серия «супермодулей» преобразователей давления Rosemount имеет тот же компланарный дизайн, что и более ранние модели 3051, но добавляет новую конструктивную особенность : включение электроники внутри модуля из нержавеющей стали, а не синего верхнего корпуса.Эта функция позволяет значительно уменьшить размер передатчика, если это необходимо для приложений с ограниченным пространством.

Кредиты: Тони Р. Купалдт - Creative Commons Attribution 4.0 License

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о