Каков принцип работы индуктивного датчика приближения?

Как работает индуктивный датчик приближения?

Если вы бывали на заводе или видели производственную линию в работе, то могли заметить небольшие прямоугольные устройства, установленные рядом с конвейерами или роботизированными манипуляторами. Это датчики приближения: индуктивный датчик близости один из самых распространённых типов. Но знаете ли вы, что такое индуктивный датчик приближения? Это проще, чем может показаться! Давайте разберём этот датчик пошагово, чтобы вы поняли, почему он является отличным инструментом для обнаружения металлических объектов.

Индуктивные датчики приближения работают без необходимости использования света, звука или физического контакта. Они просто автоматизируют обнаружение с помощью электромагнитной индукции — принципа, проверенного временем. Эти датчики надежно определяют наличие металлов при выполнении различных задач промышленной автоматизации. Они предотвращают столкновения роботов, когда их руки перемещаются вблизи металлических деталей, а также сортируют и подсчитывают металлические изделия на конвейерных лентах. Чтобы оценить ценность этих датчиков в промышленной автоматизации, важно понимать основы их работы, а также инженерные и физические принципы, лежащие в их основе, и то, как они преобразуют изменения магнитного поля в полезные сигналы.

Основные компоненты, обеспечивающие работу

Принцип работы основан на различных компонентах индуктивного датчика приближения. Это система из нескольких частей, которые должны функционировать согласованно. Чтобы понять принцип работы системы, следует учесть, что каждый датчик включает четыре основных элемента. Эти основные части должны взаимодействовать, чтобы датчик мог работать.

Первый компонент — это осциллятор. Представьте его как «источник питания» магнитного поля датчика. Он генерирует высокочастотный переменный ток —обычно в килогерцовом диапазоне —и направление тока быстро изменяется. Далее идет детектирующая катушка, которая обычно представляет собой петлю из тонкого провода высокого качества (например, медного), намотанного вокруг ферритового сердечника. Когда осциллятор подает переменный ток через катушку, катушка выполняет важную функцию: создает переменное магнитное поле вокруг себя. Это похоже на маленький невидимый «пузырь» магнетизма, окружающий переднюю часть датчика.

Следующий этап — проектирование усилительной схемы. Эта часть отвечает за «прослушивание» изменений в магнитном поле. Когда что-то нарушает это поле (чём именно будет рассказано чуть позже), электрические свойства катушки также изменяются —и эти изменения незначительны. Усилитель усиливает эти слабые изменения, чтобы сделать их более выраженными для обработки следующим каскадом. Последняя часть — выходная схема. Когда усиленный сигнал достигает этой части, схема определяет наличие металлического объекта и отправляет сигнал, как правило цифровой (включено/выключено), в подключенное устройство, чтобы остановить конвейер, переместить роботизированную руку или увеличить значение счётчика на единицу.

Компания Chenwei Automation разработала основные компоненты, из которых состоят индуктивные датчики приближения, с оптимизацией. Например, детектирующая катушка изготовлена из медного провода высокого качества для обеспечения постоянного и точного обнаружения. Датчик не будет работать, если отсутствует любой из этих компонентов, и это верно для всех них. Они согласованы с остальными системами.

Электромагнитная индукция: Основы

Рассмотрев компоненты, давайте обратимся к основному принципу, обеспечивающему работу всего устройства: электромагнитной индукции. Эту концепцию в XIX веке разработал английский учёный Майкл Фарадей, и она лежит в основе работы генераторов и трансформаторов. Мы рассмотрим её принцип действия в контексте индуктивных датчиков приближения.

Катушка датчика принимает высокочастотный переменный ток. Когда ток подается сначала в одном направлении, а затем в противоположном, катушка создает переменные магнитные поля. Это «невидимый» магнитный «пузырь», который простирается от датчика приближения до 30 мм в самой дальней точке при активации датчика. Когда датчик не активирован, поле находится в покое и постоянно. Отсутствие магнитного поля указывает на наличие металлического объекта вблизи датчика. В этом состоянии осциллятор активен, импеданс катушки постоянен, и отсутствуют колебания.

Здесь полезен закон Фарадея об электромагнитной индукции. Когда проводник, то есть металл, подвергается воздействию магнитного поля, в нем возникает ток вследствие изменения магнитного поля. Этот ток представляет собой вихревой ток — ток, текущий по спиральной траектории и замыкающийся сам на себя. Представьте, как вода закручивается в луже, образуя вихри. Вихревые токи создают собственное магнитное поле, имеющее противоположную полярность по сравнению с полем, создаваемым в катушке датчика. Это закон Ленца и часть электродинамики. Теперь вместо постоянного магнитного поля катушка будет испытывать «отталкивающее» магнитное поле, создаваемое вихревым током.

Изменения в противоположном магнитном поле влияют на работу катушки обнаружения. Помните определение импеданса катушки? Когда противоположное магнитное поле взаимодействует с катушкой, импеданс увеличивается. Катушке становится труднее пропускать переменный ток от генератора, и генератор может ослабнуть или замедлиться из-за дополнительного сопротивления. Это явление —увеличение импеданса или уменьшение выходного сигнала генератора —вероятно, является единственным, что регистрирует усилительная схема датчика. Довольно логично заключить, что датчик показывает: «Наличие металлического объекта!»

Как он обнаруживает металлические объекты (ключевой принцип)

Мы установили, что металлический объект влияет на ток и нарушает магнитное поле датчика. Как датчик интерпретирует это нарушение и подаёт сигнал контроллеру, чтобы указать «объект присутствует» или «объект отсутствует»? Это функция остальной части схемы, и именно поэтому индуктивные датчики приближения заслужили доверие в промышленности. Рассмотрим пример. Представьте устройство над конвейерной лентой, транспортирующей металлические гайки. Если гайка находится далеко от датчика, магнитное поле вокруг неё не искажается. Импеданс катушки остаётся низким, рабочая мощность осциллятора остаётся высокой, а усилитель не фиксирует значимых изменений. Выходная цепь сохраняет «нормальное» состояние, и система посылает «низкий» сигнал конвейеру, указывая ему продолжать движение.

Металлическая гайка попадает в зону действия датчика, входя в его диапазон обнаружения. В гайке возникают вихревые токи, которые создают противоположное магнитное поле. Изменяется импеданс катушки, и ток в осцилляторе уменьшается. Усилитель фиксирует изменение тока (или снижение импеданса) и усиливает его. Этот усиленный сигнал поступает в выходную цепь, настроенную на определённый «порог». Это пороговое значение, при превышении которого инициируется действие. Порог срабатывания достигнут, и состояние выходной цепи меняется: она отправляет «высокий» сигнал в систему управления. Этот сигнал может приказать конвейеру на мгновение остановиться, чтобы роботизированная рука могла захватить гайку, либо увеличить счётчик обработанных гаек.

Вот что вам нужно знать: индуктивные датчики близости реагируют только на определённые материалы —и это в основном металлы, такие как сталь, алюминий и медь. Они не будут обнаруживать неметаллы, такие как пластик, дерево или стекло, поскольку эти материалы являются слабопроводящими. Однако во многих фабриках это большое преимущество. Например, если вы упаковываете металлические детали в пластиковые пакеты (которые являются неметаллическими), датчик может игнорировать пакет и обнаруживать только металл. Индуктивные датчики приближения от Chenwei Automation особенно хорошо с этим справляются. Они могут различать даже близко расположенные металлические и неметаллические объекты, что предотвращает сбои в производстве из-за ложных сигналов.

Еще один важный момент заключается в том, что тип и размер металла влияют на дальность обнаружения. Например, большую стальную пластину можно распознать с большего расстояния, чем маленький алюминиевый винт, поскольку более крупные металлические поверхности создают более сильные вихревые токи. Однако на практике это редко становится проблемой. Большинство промышленных датчиков разработаны для работы с различными типами металлов, поэтому вам не нужно будет менять датчики каждый раз при смене детали, которую необходимо обнаружить.

Практический принцип работы в промышленных условиях

Важно понимать, как различные компоненты работают с научной точки зрения, чтобы получить общее представление о логике различных промышленных применений на производственном предприятии. Мы воспользуемся несколькими иллюстрациями, чтобы объяснить принцип действия. Это объясняет популярность индуктивных датчиков приближения в области автоматизации.

Давайте рассмотрим в качестве примера производителя автомобильных деталей. На линии сборки, где крепятся металлические болты к блокам двигателей, может использоваться индуктивный датчик приближения от компании Chenwei Automation. Датчик установлен на роботизированной руке, которая удерживает болт. Прежде чем рука переместится, чтобы закрутить болт в блок двигателя, датчик должен подтвердить, что рука действительно удерживает болт. Если рука пуста, она просто потратит время вхолостую или, возможно, повредит блок двигателя. Вот что происходит: когда рука захватывает болт, он попадает в зону обнаружения датчика. На болте образуются вихревые токи, импеданс катушки изменяется, и датчик отправляет сигнал «болт присутствует» в контроллер робота. Контроллер затем даст команду руке переместиться к блоку двигателя и начать процесс завинчивания. Если болта нет, датчик отправляет сигнал «болта нет», и контроллер останавливает руку, предотвращая ошибку.

Другой пример - это линия упаковки металлических банок. Консервы перевозится на конвейере, их нужно заполнить газом и запечатать. Индуктивный датчик близости устанавливается рядом с наполнительной сопла. Когда консервная банка помещается под наполнитель, датчик определяет металлическую структуру консерва и запускает систему наполнения. Когда банка заполняется, датчик обнаруживает отсутствие банки и сигнализирует наполнительному сосуду, чтобы остановиться. Эта система предназначена для обнаружения банок и пополнения, гарантируя, что ни одна газовая вода не будет потрачена впустую даже во время высокоскоростного производства.

Еще раз подчеркнем, что требуемое время отклика системы датчиков находится в диапазоне миллисекунд. Это имеет решающее значение для поддержания желаемых темпов производства. Если бы система датчиков реагировала даже за одну секунду, это сигнализировало бы о неисправности производственного процесса. Для решения таких проблем компания Chenwei Automation проектирует свои датчики таким образом, чтобы они реагировали в реальном времени на движение высокоскоростных роботизированных систем и конвейеров. Большинство технологий датчиков могут выходить из строя в пыльной среде, но индуктивные датчики приближения устойчивы к этому. Они выдерживают загрязнения и влагу и продолжают работать в тяжелых условиях. Датчики перестают функционировать только тогда, когда магнитные поля взаимодействуют внутри датчика, вызывая его отключение.

Еще одним важным моментом является то, что эти датчики являются «бесконтактными». Это означает, что они могут обнаруживать металлический объект, не касаясь его. Это преимущество по сравнению с механическими переключателями, которые имеют контактные части, изнашивающиеся со временем. Индуктивные датчики приближения не касаются ничего, именно поэтому они могут служить значительно дольше и требуют минимального обслуживания. Это имеет важное значение для фабрик, работающих круглосуточно и без выходных, поскольку обеспечивает более высокое время безотказной работы и снижает расходы на замену.