2.1 Индуктивные бесконтактные датчики приближения

Индуктивные бесконтактные датчики приближения без сомнения одни из самых распространенных устройств в составе низового оборудования систем управления автоматизированным производством и охраны объектов. Индуктив­ные датчики срабатывают только на металлы и не чувствительны к остальным материалам. Это увеличивает защищенность индуктивных датчиков от помех; например, введение в зону чувствительности выключателя рук оператора, эмульсии, воды, смазки и т.д. не приведет к ложному срабатыванию. Объектом воздействия для индуктивных выключателей (датчиков) являются металличе­ские детали: зубья шестерен, кулачки, ползуны; часто это металлическая пла­стина, прикрепленная к соответствующей детали оборудования. Согласно стати­стике 90% дискретных датчиков положения - индуктивные датчики. Это объ­ясняется высокими эксплуатационными характеристиками, надежностью и низ­кой стоимостью индуктивных датчиков по сравнению с другими типами датчи­ков.

Индуктивный датчик приближения состоит из (см. рис. 1.1):

• чувствительного элемента в виде катушки индуктивности с открытым магнитопроводом в сторону активной поверхности;

• генератора гармонических сигналов, выходная частота которого зависит от индуктивности чувствительного элемента;

• демодулятора, выделяющего резонансную частоту генератора при отсут­ствии объекта воздействия;

• порогового устройства (триггера) - обеспечивающего переключение со­стояния датчика при приближении объекта воздействия на расстояние срабатывания;

10

II

• коммутационного элемента, обеспечивающего коммутацию нагрузки из одного состояния в другое;

• индикатора состояния датчика.

При подаче напряжения питания перед активной поверхностью индуктив­ного выключателя образуется переменное магнитное поле, создаваемое катуш­кой индуктивности генератора. При попадании объекта воздействия в зону чув­ствительности выключателя, снижается добротность колебательного контура и амплитуда колебаний, а также их частота, что выделяется демодулятором и вы­зывает срабатывание триггера и изменение состояния выхода выключателя.

Используемые схемы индуктивных датчиков приближения бывают двух типов: генераторные и резонансные.

В генераторном датчике приближения основой является генератор коле­баний с двухобмоточным индуктивным чувствительным элементом. Параметры двух индуктивных катушек, уложенных на один сердечник, рассчитываются и подбираются так, что при подключении питания в генераторе самопроизвольно возникают колебания. Причём, достоинство генератора - в способности к коле­баниям в очень широком диапазоне питающих напряжений. Отсюда и получает­ся широкий диапазон допустимых напряжений питания во многих индуктивных датчиках: 10...30 В постоянного тока. Конструктивное исполнение катушек ин­дуктивности может быть самое разнообразное: обмотки, уложенные в броневой сердечник; обмотки, намотанные на сердечник произвольной формы; два стан­дартных сердечника типа ДМ, соединённые между собой; просто обмотки без сердечников. Сердечники лишь концентрируют, перераспределяют в простран­стве около обмоток потоки рассеяния. Большинство изготовителей применяют сердечник-"чашку", чтобы большую часть потоков сконцентрировать в откры­той области "чашки". Здесь и будет наблюдаться максимальная чувствитель­ность генератора к приближению металлов. Однако, главное - подобрать пара­метры колебательного контура так, чтобы обеспечивалось возникновение коле­баний при включении питания.

Теперь, если к катушкам близко поднести металлический предмет (объект воздействия), в котором могут наводиться вихревые токи, то способность коле­бательного контура к колебаниям резко падает из-за взаимоиндукции катушек и объекта воздействия. Если продолжить сближение катушек с объектом воздей­ствия, колебания практически прекратятся или их амплитуда уменьшится в не­сколько раз. Таким образом, чувствительность генератора к приближению ме­таллического или магнитного материала очень высока, что также является важ­ным достоинством схемы. После демодуляции на выходе демодулятора уже присутствует демодулированный сигнал, который поступает на вход триггера Шмита. Триггер создаёт релейный (бинарный) усиленный выходной сигнал. Ге­нераторной схема названа потому, что чувствительным элементом схемы явля­ется генератор: есть колебания в генераторе - объект воздействия находится вне чувствительной зоны катушек, колебания нарушились - объект воздействия на-

12

ходится внутри чувствительной зоны. Индикатор будет светиться, и к нагрузке будет прикладываться напряжение питания, когда объект воздействия прибли­жен к чувствительному элементу. Недостатком такой генераторной схемы ин­дуктивного датчика приближения является разное расстояние переключения датчика для разных материалов мишени - так называемый, коэффициент редук­ции. Производители приводят его в своих каталогах обычно для материалов из стали, алюминия, латуни (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Коэффициент чувствительности индуктивных датчиков приближения

для разных металлов

Материал объекта воздействия	Коэффициент чувствительности
Сталь Ст40	1,0
Сталь	0,40... 1,0
Алюминий	0,35.. .0,45
Медь	0,25...0,45
Нержавеющая сталь	0,6... 1,0
Латунь	0,35...0,50
Чугун	0,93... 1,0 1

В резонансных индуктивных датчиках приближения чувствительным элементом является катушка с сердечником, которая вместе с конденсатором составляет параллельный резонансный контур, запитываемый от RC генератора несущей частоты. Чувствительный элемент является составной частью генера­тора несущей частоты. Форма колебаний (синусоидальные, прямоугольные или иные) большого значения не имеет. Несущие колебания генератора через разде­лительный резистор поступают в резонансный контур. Частота резонанса конту­ра должна быть в пределах регулировки генератора. На частоте резонанса внут­реннее сопротивление параллельного резонансного контура наибольшее. По­этому, амплитуда колебаний будет максимальной. Реальный LC контур имеет и боковые резонансы, но амплитуда колебаний напряжения в контуре при боко­вых резонансах значительно меньше, чем на частоте основного резонанса. Гене­ратор настраивается на частоту колебаний, при которой напряжение на входе порогового элемента максимальное (в отсутствии объекта воздействия вблизи чувствительного элемента). Сигнал с LC контура усиливается усилителем на по­левом транзисторе. После усилителя сигнал детектируется диодом и фильтрует­ся резонансным фильтром. Таким образом, на входе порогового элемента суще­ствует сигнал постоянного напряжения. В отсутствии объекта воздействия у чувствительного элемента сигнал напряжения на входе порогового элемента максимален. После сближения активного чувствительного элемента и объекта воздействия, например, из углеродистой стали, в материале объекта будут наво­диться вихревые токи, которые начинают взаимодействовать с чувствительным элементом индуктивного датчика. Вследствие этого, нарушается резонанс, уменьшается амплитуда напряжения на LC контуре, уменьшается напряжение

п

Г

на выходе фильтра и на входе порогового элемента. При этом происходит пере­ключение выхода датчика.

Резонансная схема датчиков приближения обладает хорошей термоста­бильностью. Расстояние переключения индуктивного датчика с мишенями из разных материалов практически не изменяется, т. е. коэффициент редукции бли­зок к единице. Однако, несущая частота, а, значит, амплитуда напряжения на 1С контуре, существенно зависят от стабильности напряжения питания. Поэтому, реальный допуск на изменение питающего напряжения для таких датчиков не должен превышать ±5 %.

Номинальное расстояние срабатывания (£„), указанное в технических ха­рактеристиках индуктивных датчиков приближения, относятся к стандартному объекту воздействия - это квадратная пластина из стали Ст 40, толщиной 1мм, сторона квадрата равна большему из значений: диаметру активной поверхности выключателя или значению 3S_n. Если объект воздействия имеет размеры меньше

стандартного, то расстояние Гистерезис Положение объекта

срабатывания Sn следует ум­ножить на поправочный ко­эффициент К (см. рис. 1.5).

Для надежного и одно­значного переключения ин­дуктивного датчика прибли­жения расстояния срабатыва­ния и отпускания датчика де­лают разными (гистерезис срабатывания и отпускания), что показано на рис.1.6.