Czujniki zbliżeniowe | Rodzaje, zasada działania

Czujniki zbliżeniowe wykrywają obecność obiektów  lub wskazują ich brak przy użyciu pola elektromagnetycznego, światła  lub dźwięku. Istnieje wiele typów, które dedykowane są do konkretnych często bardzo specyficznych zastosowań przemysłowych lub domowych.

Czujniki indukcyjne

https://termipol.pl/category/baza-strona-glowna-czujniki-zblizeniowe

fot. Czujnik indukcyjny

Tego typu czujniki bezkontaktowe, wykrywają przedmioty z materiałów ferromagnetycznych, np. obiektów stalowych. Składają się z czterech głównych części: rdzeń ferrytowy wraz z cewką, oscylatorem ,przerzutnikiem Schmitta oraz wzmacniaczem wyjściowym. Oscylator generuję symetryczne pole magnetyczne które promieniuje od rdzenia do detektora . Gdy element który chcemy wykryć wykonany z materiału ferromagnetycznego  zbliża  się do czujnika to jednocześnie wkracza w pole magnetyczne tzw. pole detekcji ,co powoduje indukowanie małego prądu na powierzchni metalu. Prowadzi to do zmiany reluktancji (oporu magnetycznego) obwodu magnetycznego który w efekcie redukuje amplitudę oscylacji .Gdy obiekt przemieścimy bliżej czujnika i jego pola detekcji to doprowadzimy  do redukcji oscylacji a nawet do ich ustania. Przerzutnik Schmitta reaguje na te zmiany i dostosuje stan wyjścia czujnika. Gdy usuniemy przedmiot z pola detekcji obwód zaczyna ponownie oscylować a przerzutnik Schmitta przełącza stan wyjścia do stanu pierwotnego.

rys. Zasada i typy działania czujników indukcyjnych.

rys. Czujnik indukcyjny

Gdy sensor jest w konfiguracji NO (ang. normal open) -normalnie otwarty ,wtedy stan wyjścia jest wysoki (ON) gdy obiekt wkroczy w strefę detekcji czujnika. Konsekwentnie konfiguracja NC (ang. normal closed) -normalnie zamknięty ,prowadzi od przełączenia wyjścia w stan niski (OFF).Stan wyjścia następnie jest odczytywany przez zewnętrzny licznik impulsów lub sterownik PLC. Z powodu użycia pola magnetycznego i jego ograniczeń sensory tego typu mają  stosunkową krótki zasięg działania wynoszący od ułamków milimetrów (typowo od 2 do 8 mm)  do maksymalnie 60 mm.

Dobór czujnika  zaczyna się od określenia odległości detekcji, geometrii czujnika oraz wykończenia samego detektora. Dostępna jest wersja ekranowana (ang. flush) oraz nie ekranowana (ang.non-flush)  .Wersja ekranowana zmniejsza promień detekcji na obszar ”na wprost ”od czujnika  co zmniejsza obszar detekcji w  porównaniu do wersji nie ekranowanych.

Czujniki indukcyjne nie oferują dużego zasięgu detekcji ale z powodzeniem nadrabiają to swoją uniwersalnością w zastosowaniach wykrywania obiektów metalowych. Z braku ruchomych elementów konstrukcyjnych narażonych na zużycie ich poprawna instalacja gwarantuje długą i bezawaryjna pracę. Czujniki indukcyjne firmy Termipol wykonane są  w  klasie szczelności  IP67, co umożliwia im pracę w zanieczyszczonych środowisku lub narażeniu na płyny. Typowym materiałem obudowy czujników jest stal nierdzewna.

Czujniki pojemnościowe

https://termipol.pl/category/baza-strona-glowna-czujniki-zblizeniowe-czujniki-pojemnosciowe

fot. Czujnik pojemnościowy

Czujniki zbliżeniowe pojemnościowe są w stanie wykrywać zarówno obiekty wykonane z materiałów ferromagnetycznych (tak jak czujnik indukcyjne) oraz materiałów nie wykazujących się tymi właściwościami  np. granulaty tworzyw sztucznych ,proszki, płyny .Dodatkową zaletą jest możliwość  detekcji przez materiały nieferytyczne co  powoduje że znajdują zastosowanie w przypadku detekcji przez szkło ,wykrywanie poziomu cieczy w zbiornikach luz badanie ilości tworzywa w podajnikach maszyn w przetwórstwie tworzyw sztucznych.

Konstrukcja czujnika pojemnościowego opiera się na wykorzystaniu dwóch płytek przewodzących (o różnych potencjałach) umieszczonych w głowicy pomiarowej. Powietrzę otaczające sensor pełni role izolatora i w stanie normalnym pojemność układu jest znikoma. Tak samo jak ma to miejsce w czujniku indukcyjnym ,płytki połączone są z oscylatorem ,przerzutnikiem Schmitta oraz wzmacniaczem wyjściowym. Gdy obiekt pojawi się w strefie detekcji czujnika ,pojemność układu wzrasta. Powoduje to zmianę amplitudy oscylacji i w konsekwencji zmianę stanu przerzutnika Schmitta oraz wyjścia. Różnica działania czujnika pojemnościowego od czujnika indukcyjnego polega na tym że czujnik pojemnościowy oscyluje gdy obiekt jest w jego zasięgu a indukcyjny oscyluje gdy obiektu nie ma w jego zasięgu.

rys. Zasada i typy działania czujników pojemnościowych.

rys. Czujnik pojemnościowy

Z powodu konieczności naładowania płytek tworzących kondensator ,czujniki pojemnościowe cechują się wolniejszą odpowiedzią (od 10Hz do 50 Hz ) przy zasięgu od 3mm do 60mm. Z powodu możliwości detekcji bardzo wielu materiałów konieczny jest odpowiedni montaż tak aby obiekty nie będące ”celem” nie były wykrywane. Z tego powodu zaleca się stosowanie czujnik indukcyjnych w przypadku detekcji materiałów ferrytycznych (metal) aby uniknąć zakłóceń mogących powstawać z powodu obecności innych obiektów. Czujniki pojemnościowe posiadają system regulacji w postaci potencjometru dzięki któremu można dopasować czujnik do aplikacji tak aby zniwelować wpływ tła a wykrywany był tylko wybrany obiekt.

rys. Czujnik pojemnościowy zasada działania

Pełną ofertę czujników pojemnościowych firmy Termipol można zobaczyć na stronie:

https://termipol.pl/category/baza-strona-glowna-czujniki-zblizeniowe-czujniki-pojemnosciowe

Czujniki  Fotoelektryczne

Czujniki  fotoelektryczne nalezą do jednych z najszerzej używanych w przemyśle. Są one w stanie bezkontaktowo ,wykrywać  z odległości  od 1mm do ponad 60m.Klasyfikacja tych czujników odbywa się na podstawie metody z jaką światło jest emitowane i przechywytywane przez detektor. Wszystkie czujniki fotoelektryczne  składają się z trzech podstawowych komponentów.: Emitera  pełniącego rolę źródła światła(dioda LED,Laser),fotodiody lub fototranzystora  będącego detektorem światła emitowanego oraz układy wzmacniajcie sygnały.

Czujniki fotoelektryczne łączy również zasada działania. Gdy obiekt znajdzie się na drodze wiązki światła wysyłanej przez czujnik wtedy w zależności od konfiguracji następuje zmiana stanu wyjścia na wysoki lub niski.

Typ ”Through-beam”

Stanowią najbardziej niezawodna grupa czujników fotoelektrycznych. Emiter i detektor umęczony są w oddzielnych  obudowach. Emiter w sposób ciągły emituje wiązkę światłą a detekcja następuje gdy obiekt przetnie tą wiązkę  i zasłoni detektor. Pomimo dużej niezawodności czujnik tego typu jest rzadko wybiera z powodu trudnej instalacji. Jednakże w przypadku gdy potrzebujemy wykrywać przedmioty usytułowane w dużej odległości (  25 m i więcej )czujniki typu  ”Through-beam” mogą okazać się właściwym rozwiązaniem. Typowa częstotliwość pracy tego typu czujników to 500 Hz a wyróżniającą cechą tego typu czujników jest możliwość pracy w środowisku z zanieczyszczoną atmosferą np. pyłem. Powodem jest  zasada działania opierająca się na  reakcji bezpośrednio na przecięcie wiązki pomiędzy przeciwległym detektorem oraz emiterem bez konieczności uwzględniania zagadnień związanych z odbiciem promieniowania, właściwościami fizycznymi  obiektu itp.

Czujniki  ”Throug-beam” oprócz zastosowania w przemyśle mogą przydać  się  również w gospodarstwie domowym. W celu wykrycia przeszkód na drodze automatycznych drzwi  garażowych  i ochrony obiektów  np. samochodu ,rowerów ,zabawek przed uszkodzeniem stosuje się czujniki typu „Through –beam”

Typ z elementem odblaskowym

Czujniki z elementem odblaskowym, reflektorem również charakteryzują się dużym zasięgiem  detekcji ( do 10 m).Działają na identycznej zasadzie jak czujniki  typu  ”Through-beam” ,obiekt wyryty zostaje gdy przerwana zostanie wiązka świetlana pomiędzy czujnikiem a odbłyśnikiem. Emiter i detektor są umieszczone w jednej obudowie. Emiter emituje światło lasera, promieniowanie podczerwone lub wiązkę światła widzialnego która zostaje odbita od elementu odblaskowego i  trafia do detektora. Czujniki tego typu cechuje łatwiejsza instalacja porównując do czujników „Through-beam” oraz mniejsze koszty z powodu umieszczenia emitera oraz detektora w jednej obudowie. Problematyczne może być wykrywanie obiektów z lśniącą obudową lub szklanych które mogą  odbić promieniowanie i zakłócić pomiar. Niektórzy producenci  rozwiązali ten problem stosując filtry polaryzacyjne zwężające detekcję tylko do światła z pochodzącego z reflektora.

Typ “Diffuse”

https://termipol.pl/category/baza-strona-glowna-czujniki-optyczne-czujniki-dyfuzyjne

fot. Czujnik dyfuzyjny

Czujniki dyfuzyjne posiadają zabudowane w jednej obudowie emiter oraz detektor jednakże w tego typu konstrukcji to obiekt wykrywany odbija promieniowanie i tym samym pełni  role reflektora. Emiter wysyła wiązkę świetlną(pulsujące promieniowanie podczerwone, widzialne światło czerwone lub laserowe)która rozchodząc się wypełnia strefę detekcji .Gdy obiekt znajdzie się w tej strefie i odbije część wysłanego przez czujnik promieniowania wtedy następuje detekcja i zmiana stanu wyjścia.

Tego typu sensory używane są w publicznych toaletach gdzie kontrolują wypływ wody w przypadku ułożenia rąk pod  kranem. Z powodu dużej zależności od właściwości fizycznych powierzchni obiektów wykrywanych czujniki typu  ”Diffuse” powinny być on dobierane do odpowiednich aplikacji .Tylko obiekt które są w stanie odbić wystarczającą ilość światła i pod właściwym kątem mogą być wykrywane tego typu sensorem. W praktyce większość obiektów spełnia te wymagania a tylko nieliczne są niewykrywalne .

Dzięki swoim właściwością czujniki tego typu mogą być również stosowane w celu rozróżniania przedmiotów jasnych od ciemnych. Łatwa instalacja stanowi kolejną zaletę tego typu czujników a rozbudowane systemy eliminacji zakłóceń wprowadzanych przez przedmioty w tle pozwalaj na bezproblemową eksploatację.

Czujniki  ultradźwiękowe

https://termipol.pl/category/baza-strona-glowna-czujniki-poziomu-cieczy-ultradzwiekowe-czujniki-poziomu

Czujniki zbliżeniowe ultradźwiękowe używane są szeroko w zastosowaniach przemysłowych. Do działania wykorzystują falę akustyczne co powoduje że nie są wrażliwe na przeźroczystość lub kolor obiektów .Zastosowanie tego typu czujników pozwala na trudne do rozwiązania przez poprzednie typy czujników aplikacji np. detekcji  na dużym dystansie przeźroczystego szkła  lub płyt z  tworzyw sztucznych, ciągły pomiar poziomu cieczy lub materiałów sypkich. Wyróżnić można podtypy czujników ultradźwiękowych które podobnie jak czujniki fotoelektryczne dzielą się na: „Through-beam”,z element odblaskowym oraz typu ”Diffuse”.

Ultradźwiękowe czujniki typu „Diffuse” składają się  z przetwornika dźwiękowego który emituje impulsową fale akustyczną a następnie rejestruje odpowiedz w postacią fali odbitej. Zakres działania dla tego typu czujnika wynosi w standardowych rozwiązaniach do 2,5 m. Czułość sensora może być dostosowana za pomocą potencjometru umieszonego na obudowie. Dodatkowo niektóre typy oferują wyjście analogowe w których prąd (4-20 mA) lub napięcie (0 do 10 Vdc)  zmieniają się w zależności od odległości obiektu od czujnika.

rys. Zasada i typy działania czujników fotoelektrycznych.