Grundlæggende om nærhedsfølere: Deres valg og anvendelse i industriel automatisering

Mange applikationer til industriel automatisering (IA) kræver evnen til at mærke tilstedeværelsen og/eller placeringen af en genstand eller person uden at komme i fysisk kontakt for at undgå at begrænse eller begrænse bevægelsen af det objekt, der registreres. Nærhedsføleren er ideel til denne rolle. Men nærhedsfølere findes i mange varianter, herunder magnetiske, kapacitive, induktive og optiske, og materialets sammensætning af det objekt, der detekteres, kan påvirke sensorens evne til at detektere dets tilstedeværelse.

Nogle nærhedsfølere er nyttige til detektering af jernholdige metaller, mens nogle kan opdage enhver form for metal, og andre kan opdage enhver form for genstand og endda mennesker. Potentielle brugere af nærhedsfølere i en IA-applikation skal være opmærksomme på de forskellige nærhedssensorteknologityper og deres anvendelighed i specifikke sensingsituationer.

Denne artikel diskuterer flere typer sensorer og giver detaljer om de typer objekter, de kan mærke, og den rumlige følsomhed for hver enhedstype. Enheder fra Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc., and Carlo Gavazzi Inc. bruges som eksempel.

Induktive nærhedssensorer

Induktive nærhedssensorer registrerer tilstedeværelsen af ledende (dvs. metal) genstande og har et sensorområde, der er afhængigt af den type metal, der detekteres. Disse sensorer fungerer ved hjælp af et højfrekvent magnetfelt, der genereres af en spole i et svingningskredsløb. Et ledende mål, der nærmer sig magnetfeltet, har en induktion eller hvirvelstrøm induceret i det, hvilket skaber et modsat magnetfelt, der effektivt reducerer den induktive sensors induktans.

Induktive nærhedsfølere fungerer ved hjælp af to metoder. I den første operationelle metode stiger induktionsstrømmen, når målet nærmer sig sensoren, hvilket øger belastningen på svingningskredsløbet, hvilket får svingningen til at blive dæmpet eller stoppet. Sensoren registrerer denne ændring i oscillationsstatus med et amplitudedetekterende kredsløb og udsender et detektionssignal.

En alternativ driftsplan bruger en ændring i frekvens - snarere end amplitude - af svingning som følge af tilstedeværelsen af et ledende mål. Et mål for ikke-jernholdigt metal, såsom aluminium eller kobber, der nærmer sig sensoren, får svingningsfrekvensen til at stige, mens et mål af jernholdigt metal, såsom jern eller stål, resulterer i et fald i svingningsfrekvensen. Ændringen i svingningsfrekvensen i forhold til en referencefrekvens får sensorens udgangstilstand til at ændre sig.

Texas Instruments LDC0851HDSGT er et eksempel på en tæt induktiv nærhedsafbryderføler, der bruger frekvensvariationen til at detektere tilstedeværelsen af et ledende objekt inden for dets elektromagnetiske felt (figur 1).

Figur 1: LDC0851HDSGT induktiv nærhedsføler bruger dobbelt induktive spoler - en Sense-spole og en Reference-spole - til at måle forskellen i induktans på grund af et målobjekt nær Sense-spolen. (Billedkilde: Texas Instruments)

LDC0851 induktiv nærhedsafbryder er ideel til kontaktløse nærhedsdetekteringsapplikationer såsom tilstedeværelsesregistrering, hændelsestælling og enkle trykknapper, hvor sensorområdet er mindre end 10 mm (0,39 tommer). Enheden ændrer sin udgangstilstand, når et ledende objekt bevæger sig tæt på sensorpolen. Den differentielle implementering (brugen af en Sense and Reference-spole til at bestemme systemets relative induktans) og hysterese bruges til at garantere pålidelig skift, der er immun over for mekaniske vibrationer, temperaturvariationer eller fugtighedseffekter.

LDC0851HDSGT's induktive pickup-spoler er indstillet med en enkelt sensorkondensator, der indstiller svingningsfrekvensen i området 3 til 19 megahertz (MHz). Push-pull-output er i lav tilstand, når følelsesinduktansen er under referenceinduktansen og vender tilbage til den høje tilstand, når det omvendte er sandt.

Magnetiske nærhedssensorer

Brugt til at måle position og hastighed for bevægelige metalkomponenter, magnetiske nærhedsdetektorer kan være aktive enheder som en Hall-effektføler eller passive enheder såsom en VR-sensor (variable reluctance) såsom Red Lion Controls 'MP62TA00 magnetisk opsamling med gevind (figur 2 til venstre). VR-nærhedssensoren måler ændringer i magnetisk reluktans - som er analog med elektrisk modstand i et elektrisk kredsløb - og består af en permanent magnet, et polstykke og en følerspole, der er lukket i et cylindrisk tilfælde.

Figur 2: VR magnetisk pickup (venstre) er en passiv sensor, der registrerer ændringen i magnetfeltet mellem polstykket og sensorhuset (vist til højre). (Billedkilder: Art Pini, med MP62TA00-billede fra Red Lion Controls)

En ferromagnetisk genstand, der passerer tæt ved polstykket, forårsager en variation i magnetfeltet. Denne variation genererer igen en signalspænding i signalspolen. Størrelsen af signalspændingen afhænger af målobjektets størrelse, dens hastighed og størrelsen af afstanden mellem polstykket og objektet. Målobjektet skal være i bevægelse for at blive registreret af VRS. MP62TA00 gevind magnetisk pickup er en epoxy indkapslet nærheds VR sensor med et driftstemperaturområde på -40 til + 107 °C. Det er en tomme (25,4 millimeter (mm)) lang med en ¼ - 40 UNS gevindskåret krop.

VR-sensorer er passive enheder, så de behøver ikke en strømkilde. Som et resultat finder de typisk anvendelse i måling af roterende maskiner. For eksempel bruges VR-pickupper som MP62TA00 i vid udstrækning til at fornemme passerende tænder på et jernholdigt gear, tandhjul eller tandremhjul. De kan også bruges til at registrere bolthoveder, nøgler eller andre hurtigt bevægelige metalliske mål (figur 3).

Figur 3: VR-sensorer bruges i vid udstrækning til at registrere tand tænder, knaster og nøgler i roterende maskiner. (Billedkilde: Red Lion Controls)

De anvendes som omdrejningstællere til at måle rotationshastighed og anvendes også parvis til at måle roterende aksels excentricitet.

Den anden type magnetføler bruger Hall-effekten til at detektere tilstedeværelsen af et magnetfelt. Hall-effekten beskriver samspillet mellem en strømførende leder og et magnetfelt vinkelret på lederens plan. Når en strømførende leder placeres i et magnetfelt, genereres en spænding (Hall-spænding) vinkelret på både strømmen og feltet. Hall-spændingen er proportional med magnetfeltets fluxdensitet og kræver et magnetiseret mål.

55100-3H-02-A fra Littelfuse Inc. er en flangemonterende Hall-effektføler, der er tilgængelig med en digital udgang eller en programmerbar analog spændingsudgang (figur 4).

Figur 4: Blokdiagrammet og fotoet af 55100-3H-02-A flangemontering Hall-effekt nærhedsføler med en spændingsudgang. (Billedkilde: Littelfuse, Inc.)

55100-3H-02-A måler 25,5 x 11 x 3 mm og fås med enten en tre-leder spændingsudgang eller en to-leder strømudgang. Enten version tilbyder medium (130 Gauss), høj (59 Gauss) eller programmerbar følsomhed. Enheden har høj følsomhed og har et aktiveringsområde på 18 mm (0,709 tommer) ved hjælp af en specificeret magnet. Nedrullningsudgangen kan synke op til 24 volt DC og 20 milliampere (mA).

Denne sensor kan fungere ved skiftehastigheder på op til 10 kilohertz (kHz) og kan mærke både dynamiske og statiske magnetfelter. Evnen til at detektere statiske magnetfelter er en stor fordel ved Hall-effektsensoren, da den kan bruges til at mærke, at en dør er lukket eller en genstand i en fast position.

Optisk nærhedssensor

Optiske nærhedssensorer bruger lys - infrarødt eller synligt - til at registrere objekter. De har den fordel, at et mål ikke behøver at være magnetisk eller metallisk - det skal bare blokere eller reflektere lys. Dybest set udsender optiske sensorer lys og overvåger, om lys reflekteres fra målobjektet (figur 5 til venstre).

Figur 5: Den optiske nærhedsføler lokaliserer målobjektet ved at udsende en lysstråle og registrere refleksionen fra målet. (Billedkilde: Art Pini)

EE-SY1200 fra Omron Electronics Inc. er et godt eksempel på en optisk nærhedsføler (figur 5, højre). Det er en ultrakompakt fotosensor monteret på et lille printkort (pc-kort), der fungerer ved en infrarød bølgelængde på 850 nanometer (nm). Den består af et LED-emitter- og fototransistorpar i en overflademonteret pakke med dimensioner på 1,9 x 3,2 x 1,1 mm (0,0748 x 0,126 x 0,043 tommer), der fungerer over et temperaturinterval på -25 til + 85 °C. Dens anbefalede måleafstand er fra 1,0 til 4,0 mm (0,039 til 0,157 tommer).

Den lille montering om bord gør den ideel til applikationer såsom at justere metaliseret mylar-materiale i en automatisk indpakningsmaskine.

Ultralydssensorer

Større sensingafstandskrav såsom at detektere biler ved et indkørselsvindue kan håndteres ved hjælp af ultralydsbaserede nærhedsfølere. Disse sensorer registrerer objekter af enhver type i afstande på op til flere meter (m). Grundlaget for målingen er tidspunktet for flyvning af en ultralydspuls, der udsendes fra sensortransmitteren, der reflekteres fra målobjektet og opsamles af sensormodtageren (figur 6).

Figur 6: Områdesøgning ved hjælp af ultralyd måler tiden fra senderens ultralydssprengning (venstre) til ankomsttiden for den reflekterede puls (højre). Denne tid er det dobbelte af flyvetiden for den indledende burst fra sensoren til målobjektet. (Billedkilde: Art Pini)

Tiden fra den transmitterede puls til den modtagne refleksion repræsenterer flyvetiden fra sensoren til målobjektet og tilbage igen. Når man kender udbredelseshastigheden og flyvetiden, kan afstanden beregnes. I det viste eksempel er flyvetiden 3,1 millisekunder (ms). For luft er lydhastigheden ved 70 °F 1128 fod pr. sekund, så den samlede afstand til objektet og ryggen er 3,96 fod. Rækkevidden fra sensoren til objektet er halvdelen af flyvetiden eller 1,98 fod.

MB1634-000 fra MatBotix Inc. er en ultralydssensor med et måleområde på 5 m (16,4 fod). Det kræver en strømkilde på fra 2,5 til 5,5 volt. Arbejder med en frekvens på 42 kHz og udsender området til målet som en analog spænding, pulsbredde eller en seriel datastrøm af transistor-transistor logik (TTL). Den indeholder kompensation for målstørrelsesvariation, driftsspænding og intern temperatur (valgfri ekstern temperaturkompensation), alt sammen i en pakke under en kubikcentimeter - 0,875 x 1,498 x 0,58 tommer (22,23 x 38,05 x 14,73 mm) (figur 7).

Figur 7: MB1634-000 er en ultralydsafstandsmålerenhed med sende- og modtagertransducere og en rækkevidde på 5 m. (Billedkilde: MaxBotix Inc.)

Kapacitive nærhedsfølere

Kapacitive nærhedsfølere kan detektere metalliske og ikke-metalliske mål i pulver, granulat, flydende og fast form. Et godt eksempel er Carlo Gavazzi's CD50CNF06NO (Figur 8). Enhederne ligner generelt induktive sensorer, bortset fra at sensorens følerspoler erstattes af en kapacitiv sensorplade. De bruges oftest til at registrere væskeniveauer i lagertanke.

Figur 8: I en generisk kapacitiv nærhedsføler (til venstre) danner kondensatorfølerpladen en kondensator med det eksterne målobjekt; værdien af kapacitansen bestemmer oscillatorens frekvens. CD50CNF06NO fra Carlo Gavazzi (til højre) er en kapacitiv nærhedsføler beregnet til overvågning af væskeniveauer. (Billedkilde: Art Pini)

Følerpladen i sensoren danner en kondensator med målobjektet, og kapacitansen varierer med afstanden til objektet. Sens-target-kapacitansen bestemmer oscillatorens frekvens, som overvåges for at skifte outputtilstand, når en tærskelfrekvens krydses.

CD50CNF06N0 er beregnet til overvågning af væskeniveauer. Det er en tretrådssensor med en åben kollektor NPN-transistor konfigureret i en normalt åben tilstand. Det kræver en strømforsyning på 10 til 30 volt DC. Den leveres i en 50 x 30 x 7 mm (1,97 x 1,18 x 0,28 tommer) pakke og har et registreringsområde på 6 mm (0,24 tommer). I sin normale niveau-sensing applikation er den skruet eller limet på ydersiden af en ikke-metallisk tank.

Konklusion

Nærhedsfølere anvender flere teknologier, der passer til forskellige applikationer. Afhængigt af sensortypen kan de registrere både metalliske og ikke-metalliske mål med en føleafstand, der spænder fra millimeter til fem eller flere meter. De er kompakte nok til at fungere i trange rum, og mange er i stand til at fungere i barske omgivelser. Denne vifte af teknologier giver brugeren en række valgmuligheder for at tilfredsstille utallige krav til detektering af nærhed.