În termeni generali, un senzor este un dispozitiv care transformă o mărime fizică într-o altă mărime care poate fi prelucrată, transmisă sau convertită. Prima este de obicei o mărime fizică care nu poate fi măsurată direct (temperatură, viteză, deplasare etc.), în timp ce a doua este un semnal electric sau optic. Senzorii, al căror element de bază este bobina de inductanță, ocupă o nișă proprie în domeniul instrumentelor de măsură.
Despre
Cum sunt proiectați senzorii inductivi și cum funcționează aceștia
Prin principiul lor de funcționare, senzorii inductivi sunt activi, adică necesită un oscilator extern. Acest lucru generează un semnal cu o frecvență și o amplitudine definite în bobina de inducție.
Curentul care circulă prin bobine creează un câmp magnetic. Dacă un obiect conductiv intră în câmpul magnetic, parametrii bobinei se vor modifica. Tot ce rămâne de făcut este să detectăm această schimbare.
Senzorii simpli fără contact răspund la prezența obiectelor metalice în câmpul apropiat al bobinei. Acest lucru modifică impedanța bobinei, iar această modificare trebuie transformată într-un semnal electric, amplificat și/sau detectat de un circuit de comparație.
Un alt tip de senzor reacționează la schimbările în poziția longitudinală a unui obiect care servește drept miez de bobină. Pe măsură ce poziția obiectului se schimbă, acesta alunecă în interiorul sau în afara bobinei, modificând astfel inductanța acesteia. Această modificare poate fi transformată într-un semnal electric și măsurată. O altă versiune a acestui senzor este cea în care un obiect este împins pe bobină din exterior. Acest lucru determină o reducere a inductanței datorită efectului de ecranare.
O altă versiune de senzor de deplasare inductiv este transformatorul diferențial variabil liniar (LVDT). Este o bobină compusă, realizată în următoarea ordine:
- bobina secundară 1;
- înfășurarea primară;
- înfășurarea secundară 2.
Semnalul de la generator este aplicat la înfășurarea primară. Câmpul magnetic creat de bobina centrală induce un câmp electromagnetic în fiecare dintre bobinele secundare (principiul transformatorului).principiul transformatorului). Miezul, pe măsură ce se mișcă, modifică cuplajul reciproc dintre bobine, modificând forța electromotoare în fiecare dintre înfășurări. Această modificare poate fi detectată de circuitul de măsurare. Deoarece lungimea miezului este mai mică decât lungimea totală a bobinei compozite, raportul dintre CEM în înfășurările secundare poate determina fără ambiguitate poziția obiectului.
Un codificator rotativ se bazează pe același principiu de modificare a cuplării inductive dintre înfășurări. Acesta este format din două bobine coaxiale. Semnalul este aplicat uneia dintre înfășurări, iar câmpul electromagnetic din cea de-a doua înfășurare depinde de unghiul de rotație reciproc.
Este evident, din principiul de funcționare, că senzorii inductivi, indiferent de designul lor, sunt senzori fără contact. Acestea funcționează la distanță și nu necesită contact direct cu obiectul care trebuie monitorizat.
Avantajele și dezavantajele senzorilor inductivi
Avantajele senzorilor inductivi sunt în principal
- Construcție robustă;
- fără conexiuni de contact;
- putere de ieșire ridicată, ceea ce reduce influența zgomotului și simplifică circuitul de control;
- sensibilitate ridicată;
- Posibilitatea funcționării cu o sursă de curent alternativ de frecvență industrială.
Principalele dezavantaje ale senzorilor inductivi sunt dimensiunea, greutatea și complexitatea lor. Este necesar un echipament special pentru a înfășura bobinele cu parametrii necesari. Un alt dezavantaj este că amplitudinea semnalului de la oscilatorul principal trebuie menținută cu precizie. Domeniul de sensibilitate se modifică, de asemenea, odată cu modificarea amplitudinii semnalului. Deoarece senzorii funcționează numai cu curent alternativ, menținerea amplitudinii devine o problemă tehnică evidentă. Nu este posibilă conectarea directă a senzorului (sau prin intermediul unui transformator coborâtor) la o rețea de alimentare domestică sau industrială, unde variațiile de tensiune în amplitudine sau frecvență pot fi de până la 10%, chiar și în condiții normale de funcționare, ceea ce face ca precizia măsurătorilor să fie inacceptabilă.
Precizia măsurătorilor poate fi afectată și de:
- Câmpuri magnetice externe (ecranarea senzorului nu este posibilă pe baza principiului de funcționare al acestuia);
- inducțiile de câmpuri electromagnetice laterale în cablurile de alimentare și de măsurare
- inexactități de fabricație;
- Erori în caracteristica senzorului;
- Contracții sau deformări la locul de montare a sondei care nu afectează performanța generală;
- Dependența preciziei de temperatură (parametrii firului de înfășurare, inclusiv rezistența acestuia, se modifică).
Incapacitatea senzorilor de inductanță de a răspunde la prezența obiectelor dielectrice în câmpul lor magnetic poate fi considerată atât un avantaj, cât și un dezavantaj. Pe de o parte, acest lucru limitează domeniul de aplicare. Pe de altă parte, le face insensibile la murdăria, grăsimea, nisipul etc. de pe obiectele monitorizate.
Prin înțelegerea limitărilor și a posibilelor limitări ale senzorilor inductivi, avantajele senzorilor inductivi pot fi exploatate în mod rațional.
Domenii de aplicare pentru senzorii inductivi
Întrerupătoarele de proximitate inductive sunt adesea utilizate ca întrerupătoare de limită. Aceste dispozitive sunt utilizate pentru o mare varietate de aplicații:
- în sistemele de securitate, ca senzori pentru detectarea deschiderii neautorizate a ferestrelor și ușilor;
- în sistemele de telecontrol ca senzori de poziție limită pentru ansambluri și mecanisme;
- în viața de zi cu zi, în circuitele de indicare a poziției închise a ușilor, a foilor;
- pentru numărarea obiectelor (de exemplu, în mișcare pe o bandă transportoare);
- pentru determinarea vitezei de rotație a angrenajelor (fiecare dinte care trece pe lângă senzor generează un impuls);
- În alte situații.
Codificatoarele de poziție unghiulară pot fi utilizate pentru a determina unghiurile de rotație ale arborilor, angrenajelor și ale altor unități rotative, precum și ca codificatoare absolute. Acestea pot fi utilizate, de asemenea, în mașinile-unelte și în aplicațiile de robotică, alături de codificatoarele liniare. Ori de câte ori este necesar să se cunoască poziția exactă a componentelor mașinii.
Aplicații practice pentru senzorii inductivi
În practică, modelele de senzori inductivi pot fi implementate într-o varietate de moduri. Cea mai simplă implementare și încorporare este senzorul simplu cu două fire, care monitorizează prezența obiectelor metalice în zona sa de detectare. Aceste dispozitive sunt adesea realizate pe baza unui miez în formă de W, dar acest lucru nu este un punct crucial. Acest model este mai ușor de fabricat.
Atunci când rezistența bobinei se modifică, curentul din circuit și căderea de tensiune pe sarcină se modifică. Aceste modificări pot fi detectate. Problema este că rezistența la sarcină devine critică. Dacă este prea mare, modificarea curentului la apariția unui obiect metalic va fi relativ mică. Acest lucru reduce sensibilitatea și imunitatea sistemului. Dacă este mică, curentul din circuit va fi mare și va fi necesar un senzor mai rezistent.
Din acest motiv, există modele în care circuitele de detecție sunt încorporate în carcasa senzorului. Un generator generează impulsuri care alimentează bobina inductorului. Când se atinge un anumit nivel, se acționează un declanșator, care trece de la starea 0 la 1 sau invers. Un amplificator tampon amplifică semnalul din punct de vedere al puterii și/sau al tensiunii, aprinde (stinge) LED-ul și emite un semnal discret pentru circuitul extern.
Semnalul de ieșire poate fi generat:
- prin intermediul unui dispozitiv electromagnetic sau releu de stare solidă - nivel de tensiune zero sau unitate;
- "contact uscat" releu electromagnetic;
- colector deschis tranzistor (structuri n-p-n sau p-n-p).
În acest caz, sunt necesare trei fire pentru a conecta senzorul:
- sursa de alimentare;
- firul comun (0 volți);
- firul de semnal.
Astfel de senzori pot fi, de asemenea, alimentați de la o tensiune continuă. Impulsurile de inductanță ale acestora sunt generate de un oscilator intern.
Senzorii diferențiali sunt utilizați pentru monitorizarea poziției. În cazul în care obiectul care trebuie monitorizat este simetric față de ambele bobine, curentul prin ambele bobine este același. Dacă una dintre bobine este polarizată spre câmp, se produce un dezechilibru, curentul total nu mai este zero, ceea ce poate fi detectat de un indicator cu o săgeată în mijlocul scalei. Indicatorul poate fi utilizat pentru a determina atât magnitudinea decalajului, cât și direcția acestuia. Un circuit de control poate fi utilizat în locul unui comparator pentru a furniza un semnal atunci când se primesc informații despre o modificare a poziției, pentru a lua măsuri de aliniere a obiectului, pentru a efectua corecții ale procesului etc.
Senzorii bazați pe principiul transformatoarelor diferențiale cu reglare liniară sunt fabricați ca unități complete, constând dintr-un cadru cu înfășurări primare și secundare și o tijă care se mișcă în interior (poate fi încărcată cu arc). Cablurile pentru semnalul generatorului și EMF-ul înfășurărilor secundare sunt conectate la exterior. Obiectul care urmează să fie controlat poate fi conectat mecanic la tijă. Acesta poate fi, de asemenea, fabricat din material dielectric - numai poziția tijei este relevantă pentru măsurare.
În ciuda anumitor dezavantaje inerente, senzorul inductiv închide multe domenii legate de detectarea fără contact a obiectelor din spațiu. În ciuda dezvoltării constante a tehnologiei, acest tip de dispozitiv nu va părăsi piața dispozitivelor de măsurare în viitorul apropiat, deoarece acțiunea sa se bazează pe legile fundamentale ale fizicii.
Articole conexe:
