Принцип работы емкостного датчика


Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия. 2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ.

3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса.

4 — Подстроечный элемент. 5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя. 6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины. 7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения. 8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.

9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:

  • Переменным расстоянием между пластинами.
  • Площадью перекрытия пластин.
  • Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Классификация

По исполнению датчики делятся на:

  • Одноемкостные.
  • Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью. Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность. Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором. Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов. В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения.

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

  • С изменяемой площадью электродов.
  • С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Достоинства

Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:

  • Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
  • Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
  • Длительная эксплуатация.
  • Отсутствие подвижных контактов.
  • Повышенная чувствительность.
  • Малый расход электроэнергии.
  • Небольшие габаритные размеры и масса.
  • Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора. Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки
  • Работа на высокой частоте.
  • Повышенные требования к экранированию элементов.
  • Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию. Основными областями применения датчиков стали:

  • Подсчет штучного товара.
  • Регулировка натяжения конвейера.
  • Сигнализация обрыва проводника при намотке.
  • Контроль наполнения упаковки.
  • Сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.
Похожие темы:

electrosam.ru

Емкостные датчики — привлекательный вариант для бесконтактного измерения

Емкостное наблюдение или отслеживание – это метод бесконтактного наблюдения, который может работать с множеством различных приложений, таких как распознавание жестов, автомобильные датчики дождя, дистанционное измерение уровня жидкости при обработке различных материалов и других приложений.

Датчиком в системе емкостного наблюдения может быть любой проводник или металл, все будет зависеть от требований к гибкости системы. Благодаря низкому энергопотреблению, высоким разрешениям и низкой стоимости, емкостные датчики активно заменяют индуктивные, оптические и ультразвуковые во многих системах и устройствах. Содержание:

Измерение без прикосновения

Емкостное измерение это не емкостной сенсор (похожая технология, оптимизированная для выполнения функций цифрового коммутатора)! Емкостная сенсорная система использует множества каналов в строке и столбце расположения (как на сенсорном экране телефона или планшете). Сенсорный экран требует непосредственного контакта и работает в течении очень короткого диапазона – в большинстве случаев это несколько миллиметров.

В отличии от похожей системы – сенсорного экрана, емкостной датчик является аналоговой системой и работает на расстоянии до 70 см. Он имеет гораздо большую чувствительность и точность, поскольку происходит изменение емкости всего в несколько пикофарад.

Принцип емкостного измерения

Емкость системы – это ее способность хранить электрический заряд, который является одним из основных электрических параметров. Самая простая модель конденсатора (устройство для хранения электрического заряда) будет состоять из двух электрических проводников или пластин, разделенных диэлектриком:

Для модели конденсатора представленной выше емкость (в фарадах)  определяется по формуле:

Где: А – площадь пластины (WxL); εr – диэлектрическая проницаемость межпластинного материала; ε0 – электрическая постоянная 8,85х10-12 Ф/м; d – расстояние между пластинами в метрах;

Когда датчик заряжен, он создает электрическое поле:

Срабатывание емкостного датчика

Как превращается конденсатор в емкостной датчик? Смотрите ниже:

На рисунке а) показан датчик приближения, использующий палец в качестве «земли», на рисунке б) показано измерение уровня жидкости с параллельным датчиком и землей, а на рисунке с) показан датчик обнаружения и анализа материала.

Бесконтактный датчик формируется путем построения изолированного датчика пластины из проводящей области печатной платы и зарядки. Конденсатор будет формироваться в любое время в заземленном проводящем элементе или же в любом другом объекте, имеющем диэлектрическую проницаемость отличную от воздуха. Из рисунка а) видно, что такой принцип будет работать и в случае приближение части человеческого тела (в нашем случае пальца), так как, по сути, человеческое тело будет представлять собой потенциал земли.

По мере приближения пальца будет изменятся емкость. Даже с учетом того, что эта система нелинейна, обнаружение приближения не составит большого труда.

Для расширения возможностей данного измерительного устройства могут использовать несколько независимых датчиков – вниз/вверх и  влево/вправо:

По мере перемещения пальца изменяется емкость всех четырех датчиков. Многоканальный детектор считывает эти показания и передает в микроконтроллер, который проводит вычисления скорости и направления перемещения.

Во многих системах, таких как хранения химических веществ, промышленные системы контроля и автоматизации или коммерческие машины необходимо измерять уровень жидкости. В этом случае пластины датчика могут располагаться рядом друг с другом (см. рисунок б)), в результате чего получается повышенная чувствительность вдоль вертикальной оси.

По мере изменения уровня жидкости будет меняться и диэлектрическое значение, соответственно изменится и емкость. Такая конфигурация позволяет использовать края силовых линий. Соответственно и расчеты изменения емкости в данном случае будут значительно сложнее, чем в случае простой пластины.

Датчик анализа материалов состоит из основной пластины, показанной на рисунке с). Для анализа материала используется эффект изменения проницаемости между пластинами при добавлении или удалении материала. Незагруженный датчик использует в качестве диэлектрика воздух. При попадании в этот воздушный зазор материала, например бумаги, электрическая емкость полученного таким образом конденсатора увеличится, соответственно изменение отслеживаются и передаются в контроллер, который и обрабатывает данные значения, вычисляя, таким образом, тип и свойства материала.

Экранирование и емкостные измерения

Одной из проблем емкостных приборов измерения приближений является то, что силовые линии будут распространятся  на любые соседние ячейки с потенциалом земли. Многие паразитные явление (например, ground traces (путь на поверхности Земли оставленный самолетом или спутником )) влияют на чувствительность и расстояние обнаружения датчиком. Данное явление представляет собой проблему для чувствительных к шуму систем.

Паразитные эффекты на печатных платах (а), влияющие на качество работы устройства уменьшают с помощью защитных электродов. Драйверы защитного экрана включают в интерфейсные устройства емкостных датчиков и специализированных микроконтроллеров.

Добавление активного экрана может помочь избавится от паразитных влияний на окружающую среду и позволит использовать максимальный потенциал устройства. Хорошо спроектированный активный экран будет направлен на выход датчика и будет направлять его сигнал в нужном направлении.

Драйвер защиты является активным выходом, который работает от того же напряжения что и само устройство. Таким образом, не будет возникать никакой разности потенциалов между экраном и входом устройства. Любое внешнее вмешательство вызовет минимальное взаимодействие между экранированным электродом и измерительным электродом.

Блок диаграмма работы емкостного датчика

Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровую форму, которая пригодна для дальнейшей обработки:

Интерфейс периодически опрашивает измерительное устройство и подает сигнал, необходимый для зарядки сенсорной пластины. Частота дискретизации выходного сигнала относительно медленная, около 500 выборок в секунду, но с высоким разрешением. Это необходимо для определения небольших различий емкости. 16-разрядный сигма-дельта АЦП обеспечивает хороший компромисс между скоростью, разрешением и низким энергопотреблением.

Многоканальные устройства могут проводить дифференциальные измерения для точного представления разности емкости между двумя датчиками. Например, если на емкость оказывают существенное влияние погодные условия, то один канал может быть посвящен погодным условиям и отслеживать изменения в диэлектриках, вызванные температурой, влажностью, типом материала и так далее. Дифференциальное измерение способно повышать точность благодаря внесению правок, связанных с работой какого-то канала.

При измерении уровня жидкости один канал измеряет емкость, связанную с уровнем жидкости, а второй канал для опорного датчика, который измеряет электрическую емкость нулевого уровня. Так как емкость пропорциональна высоте уровня жидкости, то измеряемый уровень жидкости будет равен разности или отношению между датчиком уровня и датчиком нулевого уровня.

LC фильтры как основа емкостного измерения

Одной из главных проблем емкостного измерения является наличие паразитных шумов. Модификация измерительного устройства включающего в себя частотно-чувствительный компонент позволяет повысить помехоустойчивость. Дополнительно к датчику добавляется конденсатор и катушка индуктивности для формирования резонансного колебательного контура.

Где: а) схема фильтра; б) его характеристика.

Хотя архитектура LC фильтра проста, он имеет несколько существенных преимуществ при интеграции в состав емкостного измерительного устройства.

Во-первых, LC резонатор обеспечивает отличную устойчивость к электромагнитным помехам, а во-вторых, работающий на определенных частотах источник шума вполне может быть отфильтрована LC резонатором без использования внешних схем. Это уменьшает сложность системы и уменьшает ее стоимость.

Изменение емкости LC контура приведет к сдвигу резонансной частоты. Этот принцип использует FDC2214 в емкостно-цифровом преобразователе, который измеряет частоту колебаний LC фильтра. Устройство выдает цифровое значение, пропорциональное этой частоте. Данные измерения могут быть преобразованы в эквивалентную емкость нижестоящему микроконтроллеру.

Вывод

Емкостное измерение является гибкой технологией, которая становится все более популярна. Его низкая стоимость и низкое энергопотребление делают его идеальным выбором для широкого круга приложений, как в бытовой сфере, так и в промышленной.

elenergi.ru

Датчики приближения Autonics: индуктивные и емкостные

Бесконтактные датчики приближения можно встретить в медицинских приборах, в составе автоматизированных промышленных линий, в бытовой технике. Один из ведущих мировых производителей продукции для автоматизации, компания Autonics, предлагает бесконтактные датчики приближения серий PRDCM (индуктивные) и CR (емкостные).

Что общего между индуктосином фрезерного станка, сенсорным экраном смартфона, датчиком закрытия двери автомобиля и светильником с автоматическим включением? Ответ – во всех приведенных приложениях используются датчики приближения.

Датчики приближения – элементы, позволяющие обнаруживать присутствие, приближение или удаление различных объектов. Это достаточно широкий класс устройств (рисунок 1).

Рис. 1. Виды датчиков приближения

По типу взаимодействия с объектом датчики приближения делятся на контактные и бесконтактные.

Яркими примерами контактных датчиков являются концевые выключатели (например, датчики закрытия дверей в автомобилях).

Контактные датчики могут выполнять не только функцию включения и выключения, но и определять положение объекта, например, резистивные датчики уровня топлива. Для них выходным является аналоговый сигнал – значение сопротивления, пропорциональное уровню жидкости.

Достоинствами контактных датчиков является простота устройства и использования. Среди их недостатков можно отметить наличие механических подвижных частей и невозможность, в большинстве случаев, создать высокий уровень пыле- и влагозащищенности, что приводит к сокращению срока службы. Гораздо более длительный ресурс и максимальную защиту от негативного воздействия внешней среды имеют бесконтактные датчики.

Бесконтактные датчики делятся на две группы: датчики положения и выключатели. Основная функция бесконтактных выключателей состоит в релейном переключении состояния выхода при обнаружении объекта. В датчиках положения на выходе формируется сигнал, зависящий от расстояния до объекта.

Каждая из групп содержит сенсоры с различными технологиями обнаружения: индуктивные, емкостные и фотоэлектрические.

Рассмотрим бесконтактные индуктивные и емкостные выключатели производства компании Autonics.

Устройство и принцип действия индуктивных и емкостных датчиков приближения

Емкостные и индуктивные датчики способны обнаруживать присутствие объекта без непосредственного контакта с ним. При этом индуктивные выключатели чувствительны только к металлическим предметам, а емкостные способны детектировать любые предметы, диэлектрическая проницаемость которых отлична от воздуха (например, воду, дерево, металл, пластик и так далее). Рассмотрим принцип работы каждого датчика отдельно.

Основным элементом индуктивного датчика является катушка индуктивности (рисунок 2). Она подключена к генератору. Переменное электрическое напряжение на ее выводах вызывает переменное магнитное поле. Линии поля будут перпендикулярны направлению тока в витках катушки.

Рис. 2. Принцип работы индуктивного датчика приближения

При отсутствии вблизи катушки металлических объектов линии магнитного поля замыкаются по воздуху. А амплитуда электрических колебаний будет максимальной.

Если же к катушке приближать металлический объект, то все большая часть силовых линий начнет замыкаться через него. Индуктивность катушки начнет увеличиваться. Этот процесс схож с процессом введения сердечника. При этом рост индуктивности приведет к уменьшению амплитуды и/или частоты колебаний.

Если такую систему снабдить детектором, то по изменению амплитуды сигнала можно судить о наличии металлического объекта, его приближении или удалении.

В основе работы емкостного датчика, как следует из названия, положено использование емкостных связей. Сам датчик, по сути, представляет собой одну из обкладок пространственного конденсатора. Второй обкладкой является земля. В качестве диэлектрика выступает преимущественно воздух. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха мала (ε = 1), то емкость такого конденсатора невелика. Если же к датчику начинает приближаться некоторый объект с более высоким значением ε, то суммарная емкость начнет увеличиваться (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип работы емкостного датчика приближения

Таким образом, по величине емкости можно судить о наличии объекта, его приближении или удалении. При этом материал объекта может быть практически любым, важным является только значение его диэлектрической проницаемости.

Как правило, для измерения используются схемы с преобразованием емкости в частоту или амплитуду колебаний, которые измеряются с помощью детектора. В итоге, как и в случае с индуктивным датчиком, необходимо наличие двух обязательных элементов: генератора и детектора (рисунок 4).

Рис. 4. Структурные схемы датчиков приближения

Емкостные и индуктивные выключатели имеют выходной сигнал релейного типа – «включен» или «выключен» (рисунок 5). По этой причине схема датчиков имеет переключательный элемент – триггер, который для предотвращения ложных срабатываний снабжен гистерезисом.

Рис. 5. Формирование выходных сигналов выключателей

Основные характеристики и особенности датчиков приближения

Зона чувствительности или активная зона (Sensing Distance), мм. Как было показано выше, диапазон действия датчиков приближения ограничен. Значительное изменение измеряемой емкости и индуктивности наблюдается вблизи чувствительного элемента сенсора (рисунки 2, 3).

Сенсор начинает «чувствовать» объект только на достаточно близких расстояниях, сравнимых с размерами самого датчика. Эта зона чувствительности называется активной зоной. В случае индуктивных датчиков она определяет область наибольшей плотности линий магнитного поля.

Расстояние срабатывания, мм. После попадания объекта в активную зону датчик переключается не сразу, а при достижении некоего порогового значения, которое задается внутренним триггером с гистерезисом.

Гистерезис необходим для исключения ложных срабатываний. При этом включение и выключение датчика происходят при различном уровне колебаний.

Рабочий зазор (Setting Distance), мм – расстояние, на котором гарантированно обнаруживается заданный объект.

В последнем определении использовался термин «заданный объект». Необходимо сделать дополнительные пояснения. Дело в том, что все перечисленные характеристики не являются жестко заданными. На их величину влияет целый ряд факторов: материал и размер объекта, температурный дрейф, технологические параметры самого датчика. По этой причине все приведенные характеристики измеряются при использовании конкретного объекта при нормальной температуре (обычно 20 или 25°С).

Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры индуктивных датчиков. Как было показано выше, приближающийся металлический объект выступает в роли сердечника для чувствительной катушки. Очевидно, что материал и форма сердечника оказывают значительное влияние на значение индуктивности.

По этой причине все номинальные характеристики относятся к конкретному объекту, который всегда указывается в документации на датчик. Обычно это железная квадратная пластина с заданными размерами.

Если предполагается использовать другой материал, то необходимо использовать поправочный коэффициент редукции (таблица 1).

Таблица 1. Примеры коэффициентов редукции индуктивных датчиков

Материал Коэффициент
Сталь 1
Чугун 0,93…1,05
Никель 0,65…0,75
Нержавеющая сталь 0,60…1,00
Алюминий 0,30…0,45
Латунь 0,35…0,50
Медь 0,25…0,45

Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры емкостных датчиков. Емкость результирующего конденсатора также зависит от формы и материала объекта. Максимальная чувствительность у датчика наблюдается для материалов с большой диэлектрической проницаемостью (таблица 2).

Таблица 2. Значения диэлектрической проницаемости для различных материалов

Материал Диэлектрическая проницаемость
Воздух 1
Полиэтилен 1…2
Дерево 6…8
Стекло 5…10
Вода 80…81

Важно понимать, что при настройке и установке датчика следует учитывать возможность намокания или замасливания объекта наблюдения. Например, для воды ε = 80, поэтому даже тончайшая водяная пленка приведет к значительному изменению емкости. В этом может убедиться любой пользователь ноутбука с тачпадом. Если тачпад намочить – ноутбук потеряет управление до полного высыхания поверхности сенсора. Такая же картина наблюдается и в случае промышленных емкостных датчиков.

Размер объекта также имеет значение. Чем больше объект – тем больше емкость.

Температурный дрейф параметров датчиков приближения. Данная зависимость характеризует изменение характеристик датчика (размеров активной зоны и рабочего зазора) при изменении температуры.

Начальная точность, %. В документации на датчик кроме номинальных значений всегда указывается начальная точность – значение для заданной температуры и влажности. Этот разброс связан с технологическими особенностями производства датчика.

Частота срабатывания (Response Frequency), Гц, характеризует частоту переключений датчика.

Наибольшей частотой срабатывания обладают датчики, питающиеся от постоянного напряжения. При этом имеет место зависимость частоты от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта (таблица 3).

Таблица 3. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика постоянного тока 24 В

Диаметр, мм Расстояние, мм Частота, Гц
М08 1,5 1500
2 1000
M12 2 1500
4 500
M18 5 500
8 350
M30 10 400
15 200

Датчики, питающиеся от переменной сети, имеют меньшую частоту переключений. Однако зависимость от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта отсутствует (таблица 4).

Таблица 4. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика переменного тока 100…240 В

Диаметр, мм Расстояние, мм Частота, Гц
М12 2 20
4 20
М18 5 20
8 20
М30 10 20
15 20

Еще одной особенностью, о которой стоит помнить при использовании бесконтактных датчиков, является возможность взаимного влияния соседних сенсоров (рисунок 6). При монтаже датчиков не допускается их слишком близкое расположение на расстояниях меньших, чем указано в документации. Это касается случаев как встречной, так и параллельной установки.

Рис. 6. Ограничения при размещении соседних датчиков

Тип выходного каскада – одна из важнейших характеристик датчиков приближения. Датчики могут быть двух- и трехпроводными с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами (рисунок 7).

Рис. 7. Типы выходных каскадов датчиков приближения

Двухпроводные датчики Autonics выпускаются для работы с постоянным и переменным напряжением. Нагрузка может быть подключена как до, так и после датчика. При этом важно, чтобы величина сопротивления нагрузки обеспечивала протекание тока питания датчика. Если сопротивление нагрузки слишком велико – необходимо шунтировать его дополнительным резистором.

Трехпроводные сенсоры Autonics предназначены для работы в цепях постоянного тока и имеют два варианта исполнения с NPN- и PNP-выходным транзистором (рисунок 7). Если требуется постоянный контакт нагрузки с общей шиной – следует использовать датчик с PNP-выходом. Если же нагрузка требует подключения к шине питания – используется датчик с выходом NPN.

Выходной ток, мА – ток, который способен обеспечить выходной каскад датчика. Важный параметр, если сенсор напрямую управляет мощным потребителем. Если его мощности не хватает – следует использовать более мощный дополнительный внешний ключ.

Собственное падение напряжения, В, характеризует падение на датчике в замкнутом состоянии.

Собственный потребляемый ток, мА, измеряется для случая разомкнутых выходных контактов, то есть, когда через нагрузку не протекает ток.

Эксплуатационные характеристики. При использовании датчиков в жестких условиях промышленного производства следует помнить о таких параметрах как сопротивление изоляции, электрическая прочность, стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам, рейтинг пыле- и влагозащищенности, рабочий диапазон температуры влажности.

Компания Autonics выпускает огромное количество бесконтактных выключателей. Рассмотрим два популярных семейства: индуктивные датчики PRDCM и емкостные датчики CR.

Обзор индуктивных датчиков PRDCM

PRDCM – серия индуктивных цилиндрических выключателей с увеличенной зоной чувствительности и светодиодом состояния (рисунок 8).

Рис. 8. Внешний вид датчиков семейства PRDCM

Рис. 9. Внешний вид датчиков семейства CR

Датчики выпускаются в двухпроводном (таблица 6) и трехпроводном (таблица 5) исполнении. Активная зона представителей семейства достигает 25 мм, а рабочий зазор – 17,5 мм. Диапазон частот срабатываний составляет до 600 Гц.

Таблица 5. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства PRDCM

Параметр Наименование
PRDCM12-4DN, PRDCM12-4DP, PRDCM12-4DN2, PRDCM12-4DP2, PRDCML12-4DN, PRDCML12-4DP, PRDCML12-4DN2, PRDCML12-4DP2 PRDCM12-8DN, PRDCM12-8DP, PRDCM12-8DN2, PRDCM12-8DP2, PRDCML12-8DN, PRDCML12-8DP, PRDCML12-8DN2, PRDCML12-8DP2 PRDCM18-7DN, PRDCM18-7DP, PRDCM18-7DN2, PRDCM18-7DP2, PRDCML18-7DN, PRDCML18-7DP, PRDCML18-7DN2, PRDCML18-7DP2 PRDCM18-14DN, PRDCM18-14DP, PRDCM18-14DN2, PRDCM18-14DP2, PRDCML18-14DN, PRDCML18-14DP, PRDCML18-14DN2, PRDCML18-14DP2 PRDCM30-15DN, PRDCM30-15DP, PRDCM30-15DN2, PRDCM30-15DP2, PRDCML30-15DN, PRDCML30-15DP, PRDCML30-15DN2, PRDCML30-15DP2 PRDCM30-25DN, PRDCM30-25DP, PRDCM30-25DN2, PRDCM30-25DP2, PRDCML30-25DN, PRDCML30-25DP, PRDCML30-2SDN2, PRDCML30-25DP2
Зона чувствительности, мм 4 8 7 14 15 25
Гистерезис Макс. 10% от расстояния срабатывания
Стандартный объект для обнаружения (железо), мм 12x12x1 25x25x1 20x20x1 40x40x1 45x45x1 75x75x1
Рабочий зазор, мм 0…2,8 0…5,6 0…4,9 0…9,8 0…10,5 0…17,5
Напряжение питания ном., В 12/24
Предельное напряжение питания, В 0…30
Ток потребления, мА Макс. 10
Частота срабатывания*, Гц 500 400 300 200 100 100
Падение напряжения на датчике, В Макс. 1,5
Температурный дрейф Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температурной окружающей среды 20°С
Номинальный ток, мА Макс. 200
Сопротивление изоляции Мин. 50 МОм (500 В пост. тока)
Электрическая прочность диэлектрика 1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты
Стойкость к вибрациям Амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов
Стойкость к ударным нагрузкам 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза
Индикатор Индикатор работы (красный светодиод)
Рабочая температура, °C -25…70
Температура хранения, °C -30…80
Влажность, % 35…95
Встроенная защита От перенапряжения, обратной полярности, сверхтоков
Степень защиты (IP) IP67 (Стандарт МЭК)
Материал Корпус/гайка: никелированная латунь, шайба: никелированное железо, считывающая поверхность: термоустойчивый акрилонитрил-бутадиен-стирол
Масса, г PRDCM: 26 PRDCM: 48 PRDCM: 142
PRDCML: 34 PRDCML: 66 PRDCML: 182

* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального.

Таблица 6. Основные характеристики двухпроводных датчиков семейства PRDCM

Параметр Наименование Наименование
PRDCMT08-2DO, PRDCMT08-2DC, PRDCMT08-2DO-I, PRDCMT08-2DC-I PRDCMT08-4DO, PRDCMT08-4DC, PRDCMT08-4DO-I, PRDCMT08-4DC-I PRDCMT12-4DO, PRDCMT12-4DC, PRDCMT12-4DO-I, PRDCMT12-4DC-I,

PRDCMLT12-4DO, PRDCMLT12-4DC, PRDCMLT12-4DO-I, PRDCMLT12-4DC-I

PRDCMT18-7DO, PRDCMT18-7DC, PRDCMT18-7DO-I, PRDCMT18-7DC-I, PRDCMLT18-7DO, PRDCMLT18-7DC, PRDCMLT18-7DO-I,

PRDCMLT18-7DC-I

PRDCMT18-7DO, PRDCMT18-7DC, PRDCMT18-7DO-I, PRDCMT18-7DC-I, PRDCMLT18-7DO, PRDCMLT18-7DC, PRDCMLT18-7DO-I,

PRDCMLT18-7DC-I

PRDCMT18-14DO, PRDCMT18-14DC, PRDCMT18-14DO-I, PRDCMT18-14DC-I, PRDCMLT18-14DO, PRDCMLT18-14DC, PRDCMLT18-14DO-I,

PRDCMLT18-14DC-I

PRDCMT30-15DO, PRDCMT30-15DC, PRDCMT30-15DO-I, PRDCMT30-15DC-I, PRDCMLT30-15DO, PRDCMLT30-15DC, PRDCMLT30-15DO-I,

PRDCMLT30-15DC-I

PRDCMT30-25DO, PRDCMT30-25DC, PRDCMT30-25DO-I, PRDCMT30-25DC-I, PRDCMLT30-25DO, PRDCMLT30-25DC, PRDCMLT30-25DO-I,

PRDCMLT30-25DC-I

Зона чувствительности, мм 2 4 8 7 14 15 25
Гистерезис Макс, 10% от расстояния срабатывания Макс, 10% от расстояния срабатывания
Стандартный объект для обнаружения (железо), мм 8x8x1 12x12x1 25x25x1 20x20x1 40x40x1 45x45x1 75x75x1
Рабочий зазор, мм 0…1,4 0…2,8 0…5,6 0…5,6 0…9,8 0…10,5 0…17,5
Напряжение питания ном., В 12/24 12/24
Предельное напряжение питания, В 10…30 10…30
Ток потребления, мА Макс. 0,6 Макс. 0,6
Частота срабатывания*, Гц 600 500 500 400 250 200 100
Падение напряжения на датчике, В Макс. 3,5 Макс. 3,5
Температурный дрейф Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°C Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°C
Номинальный ток, мА 2…100 2…100
Сопротивление изоляции Мин. 50 МОм (=500 В) Мин. 50 МОм (=500 В)
Электрическая прочность диэлектрика ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты
Стойкость к вибрациям Амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов Амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов
Стойкость к ударным нагрузкам 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза
Индикатор Индикатор работы (красный светодиод) Индикатор работы (красный светодиод)
Рабочая температура, °C -25…70 -25…70
Температура хранения, °C -30…80 -30…80
Влажность, % 35…95% 35…95%
Встроенная защита От перенапряжения, обратной полярности, сверхтоков От перенапряжения, обратной полярности, сверхтоков
Материал Корпус/гайка: никелированная латунь, шайба: никелированное железо, считывающая поверхность: термоустойчивый акрилонитрил-бутадиен-стирол Корпус/гайка: никелированная латунь, шайба: никелированное железо, считывающая поверхность: термоустойчивый акрилонитрил-бутадиен-стирол
Степень защиты (IP) IP67 (Стандарт МЭК) IP67 (Стандарт МЭК)
Масса стандартной версии, г PRDCMT: 26 PRDCMT: 48 PRDCMT: 142
PRDCMLT: 36 PRDCMLT: 66 PRDCMLT: 182
Масса улучшенной версии**, г 15,5 15 23,5 22 46,5 42,5 160 165

* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального ** – Масса обновленной единицы относится только к PRDCMT

Особенностями данной серии являются расстояние срабатывания, увеличенное до 2,5 раз по сравнению с предыдущим поколением, и наличие коннектора на корпусе, что удобно в эксплуатации и сокращает временные и материальные затраты на монтаж.

Выходной каскад имеет шесть вариантов исполнения: двухпроводной нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной NPN нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной PNP нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый. Диапазон питающих напряжений для всех датчиков: 10…30 В.

Нагрузочные характеристики трехпроводных представителей несколько выше: ток – до 200 мА, собственное падение напряжения – до 1,5 В. У двухпроводных – 100 мА и 3,5 В соответственно. Однако у трехпроводных выше и собственное потребление – до 10 мА (против всего 0,6 мА у двухпроводных).

Все датчики серии имеют отличные изоляционные свойства (до 1500 В) и высокое сопротивление изоляции 50 МОм.

Состояние датчика можно определить по светодиоду: если он светится, то ток поступает в нагрузку.

Датчики устойчивы к высоким вибрациям и ударным нагрузкам. Степень защиты (IP) составляет 67. Все это делает их отличным выбором для бытовых и промышленных приложений, таких как:

  • концевые датчики координатных столов в станках;
  • детекторы положения карусели инструментов фрезерных станков с ЧПУ;
  • датчики открытия дверей;
  • датчики приближения в установках автоматической роботизированной сварки;
  • датчики приближения в системах автоматической сборки;
  • детекторы брака (например, в линиях по производству консервов);
  • детекторы положения каруселей автоматического розлива молочных продуктов и так далее.

Код для заказа датчиков PRDCM представляет собой восьмипозиционное обозначение (таблица 7).

Таблица 7. Именование датчиков семейства PRDCM

P R D CMT 18 -7 DN -I
Тип датчика Форма корпуса Особенности Тип подключения Диаметр головки датчика, мм Зона чувствительности, мм Тип выхода Тип кабеля
P – индуктивный R – цилиндр D – с увеличенным расстоянием срабатывания CMT 2-проводной, стандартный, коннектор 12 DN NPN, 3-проводной, нормально разомкнутый I – стандарт МЭК
CMLT 2-проводной, удлиненный коннектор 18 DN2 NPN, 3-проводной, нормально замкнутый
CM 3-проводной, стандартный, коннектор 30 DP PNP, 3-проводной, нормально разомкнутый
CML 3-проводной, удлиненный коннектор DP2 PNP, 3-проводной, нормально замкнутый
DO 2-проводной, нормально разомкнутый
2-проводной, нормально замкнутый

Обзор емкостных датчиков CR

CR – серия емкостных цилиндрических датчиков от Autonics (рисунок 9).

Выпускаются датчики двух типоразмеров – CR18 и CR30 с зонами чувствительности 8 и 15 мм соответственно.

Двухпроводные нормально разомкнутые версии CRxx-xAO и двухпроводные нормально замкнутые версии CRxx-xAС работают с переменным выходным напряжением 110…240 В и током 5…200 мА. Частота срабатывания – 20 Гц.

Трехпроводные версии предназначены для работы в цепях постоянного напряжения 10…30 В с выходными токами до 200 мА. Их частота срабатывания достигает 50 Гц (таблица 8).

Таблица 8. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства CR

Параметр Наименование
CR18-8DN, CR18-8DP, CR18-8DN2 CR30-15DN, CR30-15DP, CR30-15DN2 CR18-8AO, CR18-8AC CR30-15AO, CR30-15AC
Зона чувствительности, мм 8 15 8 15
Гистерезис Макс. 20% от расстояния срабатывания
Стандартный объект для обнаружения (железо), мм 50x50x1
Рабочий зазор, мм 0…5,6 0…10,5 0…5,6 0…10,5
Напряжение питания ном., В 12/24 100/240
Предельное напряжение питания, В 0…30 85…264
Ток потребления, мА Макс. 15 Макс. 2,2
Частота срабатывания *, Гц 50 20
Температурный дрейф Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°С
Номинальный ток, мА Макс. 200
Сопротивление изоляции Мин. 50 МОм (500 В=)
Электрическая прочность диэлектрика ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты
Стойкость к вибрациям амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов
Стойкость к ударным нагрузкам 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза
Индикатор Индикатор работы (красный светодиод)
Рабочая температура, °C -25…70
Температура хранения, °C -30…80
Влажность, % 35…95
Встроенная защита от перенапряжения, обратной полярности от перенапряжения
Степень защиты (IP) IP66 IP65 IP66 IP65
Масса, г 76 206 70 200

* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального.

Состояние датчика можно определить по светодиоду. Если он светится – ток поступает в нагрузку.

Код для заказа датчиков серии CR включает 5 позиций: тип датчика, форму, диаметр головки, код зоны чувствительности, код типа выходного каскада (таблица 9).

Таблица 9. Именование датчиков семейства CR

C R 30 -15 DN
Тип датчика Форма корпуса Диаметр головки датчика, мм Зона чувствительности, мм Тип выхода
С – емкостной R – цилиндр 18 8 DN 3-проводной, NPN, нормально разомкнутый, питание 24 В DC
30 15 DN2 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC
DP 3-проводной, PNP, нормально разомкнутый, питание 24 В DC
DP2 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC
AO 2-проводной, нормально разомкнутый, питание 110…240 В AC
2-проводной, нормально замкнутый, питание 110…240 В AC

Стоит отметить и высокую степень защиты: IP66 – для CR18, IP66 – для CR30. Изоляционные свойства также на высоте. Так как емкостные датчики способны обнаруживать не только металлические объекты, то спектр приложений серии CR еще шире, чем у индуктивных датчиков. Сфера их применения:

  • концевые выключатели станков;
  • детекторы автоматических линий розлива молока, пива, и тому подобное;
  • датчики уровня жидкости;
  • детекторы обнаружения брака в текстильном производстве.

Заключение

Серия индуктивных датчиков PRDCM производства компании Autonics предназначена для обнаружения металлических объектов на расстояниях до 25 мм. Существует шесть возможных конфигураций выходного каскада сенсоров этой серии: двухпроводной нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной NPN нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной PNP-нормально замкнутый и нормально разомкнутый.

Серия емкостных датчиков CR производства компании Autonics предназначена для обнаружения различных объектов (в том числе – деревянных, металлических и пластиковых) на расстояниях до 15 мм. Датчики выпускаются с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами для работы в цепях переменного напряжения 110…240 В (суффиксы AO и AC) и постоянного напряжения 10…30 В (суффиксы DN и DP).

Литература

http://autonics.ru/

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Компания Autonics Corporation (Южная Корея), основанная в 1977 году, на сегодняшний день является маркой мирового класса по производству разнообразных контроллеров, датчиков и приводных систем для промышленной автоматизации. Autonics — многолетний лауреат Министерства энергетики, промышленности и торговли Южной Кореи. Благодаря высокому качеству поставляемой продукции Autonics, в России с 2004 года не было ни одного гарантийного случая. Более чем 30-летний опыт в производстве компонентов ...читать далее

www.compel.ru

ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ

ЕМКОСТНЫЕ - ИНДУКТИВНЫЕ - ОПТИЧЕСКИЕ

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.

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.

В начало

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.

В начало

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.

В начало

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

eltechbook.ru

1. Принцип действия. Типы емкостных датчиков

Работа емкостных датчиков заключается в преобразовании измеряемой величины в емкостное сопротивление. Поэтому емкостные датчики относятся к параметрическим. Принцип действия емкостных датчиков основан на зависимости емкости конденсатора от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды между обкладками.

Емкость конденсатора, имеющего две плоские обкладки,

(1)

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; ε0 — диэлектрическая постоянная (Ф/м);s — площадь обкладок; d — расстояние между обкладками.

Из (1) следует, что изменение емкости конденсатора может происходить из-за изменения любой из трех величин: d, s, e. Наибольшее распространение получили емкостные датчики, измеряющие линейные перемещения. На рис. 1, а, б показаны схема емкостного датчика линейного перемещения и зависимость емкости датчика от входного сигнала — перемещения х.

На рис. 2, а, б показаны схема емкостного датчика углового перемещения и зависимость емкости датчика от входного сигнала — угла поворота α. В этом датчике емкость изменяется из-за изменения площади взаимного перекрытия двух обкладок — пластин 1 и 2. Одна из пластин (1) неподвижна, другая (2) — может поворачиваться на оси относительно пластины 1. Расстояние между пластинами не меняется, при повороте пластины 2 меняется активная площадь между пластинами 1 и 2 (на рис. 2, а отмечена штриховкой).

Рис. 1. Емкостный датчик линейного перемещения

Рис. 2. Емкостный датчик углового перемещения

На рис. 3 показан емкостный датчик уровня. В этом датчике емкость изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами.

Рис. 3. Емкостный датчик уровня

Емкостные датчики используются в цепях переменного тока. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте питания: , где— угловая частота;f— частота, Гц.

При малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что изменение тока в цепи с емкостным датчиком очень трудно зафиксировать даже высокочувствительным прибором. Применение емкостных датчиков предпочтительнее при питании повышенной частотой (400 Гц и больше).

2. Характеристики и схемы включения емкостных датчиков

Чувствительность емкостного датчика определяется как отношение приращения емкости к вызвавшему это приращение изменению измеряемой величины. Для простого плоского двухобкладочного емкостного датчика линейного перемещения с воздушным зазором емкость (2)

где — начальное расстояние между пластинами площадью s.

Начальное расстояние выбирается по конструктивным соображениям, но оно не должно быть меньше некоторого значения, при котором возможен электрический пробой конденсатора. Для воздуха пробивное напряжение составляет порядка 3 кВ на 1 мм. Минимальное расстояние воздушного промежутка в высокочувствительных емкостных микрометрах принимают порядка 30 мкм. Чувствительность плоского емкостного датчика получаем дифференцированием уравнения (2):

(3)

Рис. 4. Емкостный датчик давления

Чувствительность, как следует из (3) и графика (рис. 1, б), не постоянна в диапазоне возможных перемещений х. Она максимальна при малых входных сигналах (когда пластины расположены близко друг к другу) и быстро уменьшается при удалении пластин.

При включении емкостного датчика в измерительную мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно увеличить повышением напряжения питания моста. Однако и здесь необходимо иметь в виду опасность пробоя между пластинами. Для значительного увеличения напряжения питания между обкладками конденсатора помещают тонкую слюдяную пластинку. Для повышения чувствительности измерительной схемы с емкостным датчиком необходимо повышать частоту питающего напряжения. Однако при этом необходимы специальные меры по экранированию схемы и подводящих проводов для уменьшения погрешности измерения, вызванной токами утечки и токами наводки.

В емкостном датчике давления (рис. 4) одной из обкладок конденсатора является плоская круглая мембрана 1, воспринимающая давление Р. Другая обкладка 2 датчика неподвижна и имеет такой же радиус R, что и мембрана 1. Между обкладками конденсатора имеется начальный воздушный промежуток . Под воздействием измеряемого давления Р мембрана прогибается, причем наибольшее перемещение δ имеет центр мембраны. Неравномерное изменение воздушного промежутка между пластинами затрудняет вывод формулы для емкости такого датчика. Приведем ее в окончательном виде:

(4)

Непосредственное объединение чувствительного элемента (мембраны) с датчиком без промежуточных кинематических элементов обеспечивает простоту конструкции и высокую надежность, а отсутствие потерь на трение обусловливает высокую чувствительность по давлению такого датчика. При взаимном перемещении пластин в конденсаторе изменяется энергия электрического поля, что приводит к появлению усилий, приложенных к пластинам.

Энергия электрического поля в конденсаторе

(5)

Сила, действующая на пластины, определяется как производная энергии по перемещению:

(6)

Для повышения точности и чувствительности, а также с целью уменьшения влияния механических сил емкостный датчик можно выполнить дифференциальным (рис. 5) и включить в мостовую схему.

Дифференциальный емкостый датчик представляет собой плоский конденсатор с металлической обкладкой 1, на которую действует измеряемая сила F. Обкладка 1 закреплена на упругой подвеске 6 и под действием силы F перемешается параллельно самой себе.

Две неподвижные обкладки 2 и 3 изолированы от корпуса специальными прокладками 4 и 5. При отсутствии силы F обкладка 1 занимает симметричное положение относительно неподвижных обкладок 2 и 3. При этом емкость конденсатора, образованного пластинами и2, равна емкости конденсатора, образованного пластинами 1 и 3: .Под воздействием измеряемой силы F, преодолевающей противодействие упругой подвески 6, обкладка 1 перемещается и емкости верхнего и нижнего конденсаторов получают приращения разных знаков:

;

Поскольку эти емкости включены в смежные плечи мостовой схемы; чувствительность измерительной схемы возрастает вдвое. Силы, действующие между парами обкладок, направлены противоположено друг другу, т. е. взаимно компенсируются.

Питание моста осуществляется от генератора высокой частоты (ГВЧ). Частота питания составляет несколько килогерц. Напряжение в измерительной диагонали моста ΔU зависит от измеряемой силы. При изменении направления силы изменяется фаза выходного напряжения на 180°.

Рис 5 Дифференциальный емкостный датчик в мостовой схеме

Для повышения чувствительности емкостных датчиков углового перемещения с изменяющейся площадью взаимного перекрытия пластин по рис. 2 применяют систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Такие воздушные конденсаторы переменной емкости применяются, например, для настройки радиоприемников.

Если пластины имеют форму половины круга (как на рис. 2), а ось вращения подвижных пластин проходит через центры окружности всех пластин, то емкость датчика изменяется в зависимости от угла поворота:

(7)

где п — общее количество неподвижных и подвижных пластин; s — площадь взаимного перекрытия пластин при α = 0 (подвижные пластины полностью вдвинуты между неподвижными); d — постоянное расстояние между подвижными и неподвижными пластинами.

Диапазон изменения угла поворота α от 0 до 180°. Все подвижные пластины электрически соединены между собой, а все неподвижные также соединены между собой. Таким образом, имеется параллельное соединение конденсаторов, при котором общая емкость, как известно, равна сумме емкостей параллельно соединенных конденсаторов.

Чувствительность такого датчика определяется как изменение емкости при повороте на 1º, т. е.

(8)

Датчики угловых перемещений используют в мостовых измерительных схемах. Для повышения чувствительности возможно применение дифференциального датчика, показанного на рис. 6. При повороте по часовой стрелке подвижной пластины 1 увеличивается емкость между этой пластиной и неподвижной пластиной 2 и уменьшается емкость между пластиной 1 и неподвижной пластиной 3.

Рис. 6. Дифференциальный емкостный датчик повышенной чувствительности

Дифференциальная схема, как уже отмечалось, обеспечивает компенсацию противодействующего момента, поскольку суммарная емкость датчика остается неизменной.

На рис. 7 показан емкостный датчик с цилиндрическими обкладками, применяемый для измерения уровня токонепроводящей жидкости или сыпучих тел. Одной обкладкой может служить металлический бак или резервуар с внутренним радиусом r1, вторая обкладка выполнена в виде металлического стержня или цилиндра с наружным радиусом r2. Если резервуар заполнен до уровня х жидкостью с диэлектрической проницаемостью , то емкость датчика можно представить как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов:

(9)

где Сх — емкость нижней части резервуара, заполненной жидкостью; — емкость верхней части резервуара, заполненной воздухом. Чувствительность такого датчика тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость материала, уровень которого измеряется.

Рис.7. Емкостный датчик уровня с цилиндрическими обкладками

Общая формула для емкости конденсатора с цилиндрическими обкладками

(10)

где l— длина обкладок.

Для емкости нижней части датчика

(11)

Для емкости верхней части датчика

(12)

Подставляя (11) и (12) в (9), получим

(13)

где L— высота обкладок датчика, т. е. максимальный уровень заполнения резервуара.

Чувствительность датчика определяем, дифференцируя (13) по уровню

(14)

Из уравнения (14) видно, что чувствительность датчика постоянна во всем диапазоне измерений. При измерении уровня химически агрессивных жидкостей наружная и внутренняя обкладки покрываются защитным покрытием. Измерение уровня с помощью емкостных датчиков используется в космической и авиационной технике, химии, нефтехимии, других отраслях промышленности.

Емкостные датчики нашли применение также для автоматического измерения толщины различных материалов и покрытий в процессе их изготовления.

Рассмотрим емкостный датчик (рис. 8) для измерения толщины материала из диэлектрика (например, изоляционной ленты). Между неподвижными обкладками конденсатора 1 протягивается с помощью роликов 2 контролируемый материал 3.

Емкость датчика, представляющего собой плоский двухобкладочный конденсатор с двухслойным диэлектриком,

(15)

где s — площадь обкладок; d — расстояние между обкладками; Δ — толщина контролируемого материала; — диэлектрическая проницаемость контролируемого материала. Чувствительность датчика

(16)

Чем меньше разница между d и Δ, чем больше диэлектрическая проницаемость материала , тем выше чувствительность. Повысить чувствительность измерения с помощью емкостных датчиков можно за счет выбора соответствующей измерительной схемы.

Рис. 8. Емкостный датчик толщины ленты

Включение емкостного датчика в мостовую схему (см. рис. 5), питаемую от источника повышенной частоты, позволяет зафиксировать изменения емкости на 0,1 %. Более высокую чувствительность позволяет получить так называемая резонансная схема. В этом случае емкостный датчик включается в колебательный контур совместно с индуктивным сопротивлением. Резонансная схема показана на рис. 9, а. Высокочастотный генератор 1 имеет частоту напряжения fг и питает индуктивно связанный с ним контур, состоящий из индуктивности Lк, подстроечного конденсатора С0 и емкостного датчика Сд. Напряжение UK, снимаемое с контура, усиливается усилителем 2 и измеряется прибором 3, шкала которого может быть проградуирована в единицах измеряемой величины. При помощи подстроенного конденсатора С0 контур настраивается на частоту f0, близкую (но не равную) к частоте генератора.

Рис. 9. Резонансная измерительная схема включения емкостного датчика

Настройка производится при средней емкости датчика в диапазоне возможных изменений измеряемой величины

В результате настройки напряжение UK, снимаемое с контура, должно быть примерно вдвое меньше (точка Б на рис. 9, б), чем напряжение при резонансе Up (точка О на рис. 9, б). Таким образом, рабочая точка Б будет находиться примерно посередине одного из склонов резонансной характеристики. Этим обеспечиваются высокая чувствительность измерения (до 0,001 %) и примерно линейная шкала измерительного прибора 3. Малейшее перемещение подвижной пластины датчика Сд приводит к резкому изменению напряжения контура. Уменьшение емкости приводит к резкому увеличению напряжения, увеличение емкости— к резкому уменьшению напряжения. При выборе рабочей точки на левом склоне резонансной характеристики (с помощью подстроенного конденсатора) уменьшение емкости приводит к уменьшению напряжения, и наоборот.

Резонансная частота контура определяется из условия резонанса (равенства емкостного и индуктивного сопротивлений)

(17)

Резонансная кривая идет тем круче, чем меньше активная составляющая сопротивления контура.

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

studfiles.net

Мега-К: бесконтактные датчики, Устройство и принцип работы емкостного датчика

В основе принципа работы емкостного датчика лежит изменение емкости конденсатора при внесении в его электрическое поле какого-либо материала.

Устройство емкостного датчика общего применения показано на рисунке ниже:

Электроды конденсатора, являющегося частью генератора, создают электрическое поле для взаимодействия с объектом.

Генератор обеспечивает переменное электрическое поле перед электродами конденсатора.

Демодулятор преобразует изменение высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

Триггер обеспечивает необходимый порог срабатывания, гистерезис, крутизну фронтов сигнала управления.

Усилитель увеличивает амплитуду и рабочий ток выходного сигнала до необходимых значений.

Подстроечный элемент служит для регулировки чувствительности датчика и отстройки от помех (росы, инея и пр.)

Индикатор - обычно светодиодный обеспечивает визуальный контроль срабатывания датчика, увеличивая удобство эксплуатации, уменьшая время настройки.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от вредного воздействия твердых частиц и влаги.

Корпус. В цилиндрических датчиках чаще всего выполняется из латуни и нержавеющей стали. В прямоугольных и других исполнениях применяются ударопрочные пластики. Корпус служит для обеспечения монтажа датчика и защиты от механических и прочих внешних воздействий.

Принцип работы

При подаче напряжения питания, перед поверхностью электродов как бы «развернутого» конденсатора возникает электрическое поле. Данное поле так же считается зоной чувствительности емкостного датчика. Параметры генератора выбраны таким образом, что при отсутствии каких либо материалов в зоне чувствительности датчика, кроме воздуха, имеющего диэлектрическую проницаемость близкую к единице, электрических колебаний в генераторе не возникает.

При попадании какого-либо материала в поле конденсатора с большей диэлектрической проницаемостью, увеличивается емкость конденсатора. В генераторе возникают колебания с амплитудой, зависящей от расстояния до материала, размеров его, а также от его диэлектрической проницаемости. Амплитуда колебаний преобразуется демодулятором в изменение уровня постоянного напряжения, что вызывает срабатывание триггера и изменение состояния выхода датчика.

mega-k.com

Ёмкостные датчики, конструкция, принцип действия

Ёмкостной датчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический. Различают емкостные датчики, действие которых основано на изменении зазора между пластинами или площади их взаимного перекрытия, деформации диэлектрика, изменении его положения, состава или диэлектрической проницаемости. Наиболее часто емкостные датчики применяют для измерений меняющихся давления или уровня, точных измерений механических перемещений и т. п.

Устройство и принципы работы емкостного датчика

Рис. 1. Устройство емкостного датчика

Ёмкостный бесконтактный датчик функционирует следующим образом:

  • 1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.
  • 2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
  • 3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
  • 4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
  • 5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.
  • 6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
  • 7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д. В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности.

Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

  • - сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;
  • - контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;
  • - сигнализация обрыва обмоточного провода;
  • - регулирование натяжения ленты;
  • - поштучный счет любого вида и др.

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

  • - простота изготовления, использование недорогих материалов для производства;
  • - малые габариты и вес;
  • - низкое потребление энергии;
  • - высокая чувствительность;
  • - отсутствие контактов (в некоторых случаях - один токосъем);
  • - долгий срок эксплуатации;
  • - потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;
  • - простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям.

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

  • - сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);
  • - высокие требования к экранировке деталей;
  • - необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте.

Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его влияние за границы поверхности обкладок, реально используемой при измерении.

Page 2

Применяются три измерительных схемы: мостовая, дифференциальная и компенсационная.

Мостовые схемы применяются на постоянном или на переменном токе. Схема на постоянном токе (рис. 13 ) включает постоянные сопротивления плеч моста R1, R2 ,R4, выходное сопротивление датчика R3, а также установочное сопротивление Rу, включенное в диагональ моста вместе с источником постоянного тока с напряжением Uо. В данном случае в схему включен гальванометр с выходным током моста 1 и выходным напряжением Uвых. На схеме: I - ток от батареи, i1 и i2 - ток в ветвях моста. По этой схеме измерение сопротивления одного плеча (в данном случае R3) компенсируется изменением сопротивления другого плеча (Rу).

Мостовая схема, работающая на переменном токе вместо источника постоянного тока с установочным сопротивлением Ну содержит трансформатор. терморезистор магнитный пускатель электродвигатель

Дифференциальная схема (рис.1) представляет собой электрическую цепь, состоящую из двух смежных контуров, в каждом из которых действует отдельное напряжение.

Рис.1 Мостовая измерительная схема на постоянном токе.

Компенсационная схема приведена на рис. 2

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемое напряжение какого-либо датчика уравновешивают равным и противоположным по знаку падением напряжения, величина которого может быть определена с высокой точностью. Схема состоит из образцовых резисторов Ко и К1 реостата К2 переключателя S нормального элемента Gh и источника питания U. Для контроля в схему включен нормальный элемент Р1 с неизменным напряжением и сопротивлением. Схема позво­ляет измерять сопротивление r, не меняя общего сопротивления R1.

Рис2. Компенсационная измерительная схема.

Дифференциальная измерительная схема. Для измерения емкостного сопротивления обычно используется дифференциальная схема. Такая схема также существует в двух вариантах.

Рис3. Дифференциальные измерительные схемы.

По первому варианту дифференциальной схемы, изображенному на рисунке, я, как эталонное сопротивление 4, так и измеряемое емкостное сопротивление 1 включаются в электрические контуры, симметрично запитываемые переменным напряжением от трансформатора 2. При равенстве эталонного 4 и измеряемого 7 емкостного сопротивлений противоположно направленные токи в этих контурах , будут равными по величине, так что результирующий ток через измерительный прибор 3 оказывается равным нулю, поскольку этот ток представляет собой разность токов 1 и 2. При изменении величины измеряемого емкостного сопротивления показания измерительного прибора 3 будут отличаться от нуля и однозначно изображать эти изменения емкостного сопротивления. Такая схема называется дифференциальной именно потому, что она основана на вычитании токов 1 и 2.

Другой вариант измерения изменяющегося емкостного сопротивления с помощью дифференциальной схемы приведен на рисунке, б. Здесь также происходит вычитание токов 1 и 2, но изменение измеряемого емкостного сопротивления 1 компенсируется изменением напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора 2, так что ток через измерительный прибор 3 остается равным нулю. Величина АЕ, на которую нужно изменить исходное напряжение Е, однозначно определяет величину изменения измеряемого емкостного сопротивления.

Приравнивание к нулю тока через измерительный прибор позволяет использовать его как нульиндикатор, что повышает точность измерений. Для этой цели и применяется такой вариант дифференциальной схемы.

studwood.ru


Смотрите также