POLITECHNIKA POZNAŃSKA

LABORATORIUM MECHATRONIKI

Konspekt: Badanie histerezy binarnych

czujników zbliżeniowych.

W indukcyjnych czujnikach zbli

ż

eniowych obwód drgaj

ą

cy wraz z cewk

ą

tworzy

przed aktywn

ą

powierzchni

ą

czujnika zmienne pole elektromagnetyczne. Pojawienie

si

ę

metalowego

przedmiotu

w

tym

polu

powoduje

tłumienie

sygnału

w obwodzie drgaj

ą

cym. Je

ż

eli tłumienie to przekroczy okre

ś

lon

ą

warto

ść

progow

ą

,

na wyj

ś

cie układu podawany jest sygnał przeł

ą

czaj

ą

cy.

Rysunek 1 Budowa czujnika indukcyjnego

Cz

ęść

aktywn

ą

czujnika indukcyjnego stanowi cewka nawini

ę

ta na ferrytowym

rdzeniu kubkowym, wytwarzaj

ą

ca zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia

kubkowego, o otwartym obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia
magnetycznego cewki oraz skierowanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika.

Układ elektroniczny czujnika okre

ś

la odległo

ść

przedmiotu od cewki, na

podstawie stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyj

ś

ciowy. Najcz

ęś

ciej jest

to sygnał dwustanowy: obiekt jest w zasi

ę

gu czujnika lub go nie ma. Mo

ż

e tez by

ć

to

sygnał analogowy, wówczas jest on odwrotnie proporcjonalny do odległo

ś

ci

przedmiotu.

Histereza jest ró

ż

nic

ą

odległo

ś

ci, przy której czujnik reaguje na zbli

ż

anie

i oddalanie metalu od jego czoła. Wtedy stan wyj

ś

cia zmienia si

ę

z OFF na ON lub

z ON na OFF. Warto

ść

histerezy zale

ż

y od rodzaju i wielko

ś

ci czujnika i nie

przekracza 20% zakresu pomiarowego.

Zasi

ę

g działania typowych czujników indukcyjnych nie przekracza 60mm.

Czujniki maj

ą

zró

ż

nicowane obudowy zarówno cylindryczne metalowe, jak

i prostopadło

ś

cienne wykonane z tworzyw sztucznych. Umo

ż

liwia to optymalne

zamocowanie czujników w miejscach pomiaru.

Rysunek 2 Schematy zasilania czujników indukcyjnych prądem przemiennym i stałym

Głowica
czujnika

Generator

Układ
detekcji

Układ
wyjściowy

Obiekt

Maksymalna cz

ę

stotliwo

ść

przeł

ą

czania wyj

ś

cia czujnika, podawana w opisie

technicznym ka

ż

dego czujnika, wyra

ż

a liczb

ę

przeł

ą

cze

ń

wyj

ś

cia czujnika w ci

ą

gu

sekundy. Wyznacza si

ę

ja przy cyklicznym wchodzeniu i wychodzeniu przedmiotów

wykonanych ze stali St37, z pola czuło

ś

ci czujnika. Przy jej wyznaczaniu obowi

ą

zuj

ą

ustalone wymagania techniczne, okre

ś

lone przez norm

ę

EN 50 010/IEC 60947-5-2.

W czujnikach pojemno

ś

ciowych oscylator z kondensatorem tworzy przed aktywn

ą

powierzchni

ą

czujnika zmienne pole elektryczne, które w przypadku zachwiania

wpływa na zmian

ę

pojemno

ś

ci i tłumienie drga

ń

w obwodzie oscylatora. Czujniki

pojemno

ś

ciowe mog

ą

oprócz obiektów metalowych wykrywa

ć

, te

ż

obiekty

nieprzewodz

ą

ce np. tworzywa sztuczne. Czujnik pojemno

ś

ciowy jest tak

ż

e w stanie

reagowa

ć

na obiekty znajduj

ą

ce si

ę

za nieprzewodz

ą

c

ą

warstw

ą

, co czyni go

klasycznym czujnikiem do wykrywania obecno

ś

ci płynów czy granulatu poprzez

ś

cianki pojemnika. S

ą

one u

ż

ywane zazwyczaj jako czujniki zbli

ż

eniowe, cho

ć

mog

ą

generowa

ć

równie

ż

sygnał proporcjonalny do odległo

ś

ci przedmiotu od czoła

czujnika.

Głównymi składnikami czujnika pojemno

ś

ciowego s

ą

: głowica z elektrodami,

potencjometr, oscylator, układ detekcji i układ wyj

ś

ciowy. Je

ż

eli poziom sygnału w

obwodzie oscylatora przekroczy okre

ś

lon

ą

warto

ść

progow

ą

, to nast

ę

puje zmiana

sygnału wyj

ś

ciowego czujnika. Dzi

ę

ki temu czujniki zbli

ż

eniowe szczególnie dobrze

nadaj

ą

si

ę

na

ź

ródła sygnałów w ró

ż

nego rodzaju układach cyfrowych. S

ą

wygodne

w stosowaniu w poł

ą

czeniu ze sterownikami PLC i wielu prostych jak i zło

ż

onych

aplikacjach.

Rysunek 3 Budowa czujnika pojemnościowego

Aktywnymi elementami czujnika pojemno

ś

ciowego s

ą

dwie metalowe

elektrody, tworz

ą

ce kondensator otwarty. Gdy obiekt zbli

ż

a si

ę

do czujnika to jego

pojemno

ść

zmienia si

ę

. Całkowita pojemno

ść

kondensatora, od której zale

ż

y poziom

sygnału wyj

ś

ciowego, jest sum

ą

pod-stawowej pojemno

ś

ci czujnika i zmiany

pojemno

ś

ci, spowodowanej działaniem obiektu wykrywanego.

Dla wyznaczenia rzeczywistej odległo

ś

ci działania czujnika nale

ż

y nominaln

ą

odległo

ść

działania Sn pomno

ż

y

ć

przez współczynnik korekcji, odpowiedni do

rodzaju materiału wykrywanego obiektu. Nominalna od-legło

ść

działania Sn

podawana w katalogach odnosi si

ę

do znormalizowanego przedmiotu metalowego.

Głowica

Oscylator

Układ detekcji

Układ
wyjściowy

Czujnik magnetyczny kontaktronowy.

Czujnik magnetyczny z kontaktronem reaguje na zbli

ż

anie si

ę

do niego magnesu. W

polu magnetycznym wytworzonym przez magnes zestyki kontaktronu zostaj

ą

namagnesowane. Je

ś

li siła wzajemnego przyci

ą

gania zestyków pokona ich siły

spr

ęż

ysto

ś

ci, kontaktron zmieni swój stan np. z otwartego na zamkni

ę

ty. Dzi

ę

ki temu

zamkni

ę

ty zostanie równie

ż

cały obwód elektryczny z doł

ą

czonym obci

ąż

eniem.

Rysunek 4 Budowa czujnika kontaktronowego

Zasada działania tego czujnika opiera si

ę

na pracy kontaktronu, który reaguje

na zbli

ż

anie si

ę

do niego magnesu. W polu

magnetycznym wytworzonym przez magnes
zestyki kontaktronu zostaj

ą

namagnesowane.

Je

ś

li siła wzajemnego przyci

ą

gania zestyków

pokona ich siły spr

ęż

ysto

ś

ci, kontaktron

zmieni swój stan z otwartego na zamkni

ę

ty.

Dzi

ę

ki temu zamkni

ę

ty zostanie równie

ż

cały

obwód

elektryczny

z

do-ł

ą

czonym

obci

ąż

eniem (rys. 5.10).

Usuni

ę

cie pola magnetycznego ze

strefy działania czujnika spowoduje zanik siły
przyci

ą

gaj

ą

cej styki kontaktronu, co w wyniku

własnej spr

ęż

ysto

ś

ci zestyków spowoduje ich

rozdzielenie, przerywaj

ą

c tym samym obwód

elektryczny z obci

ąż

eniem.

Czujniki z kontaktronem nie wymagaj

ą

zasilania. Styki kontaktronu, gdy nie znajduj

ą

si

ę

w polu magnetycznym, mog

ą

w zale

ż

no

ś

ci

od typu kontaktronu pozostawa

ć

w stanie

otwartym (normalnie otwarte – NO) lub w
zamkni

ę

tym (NC - normalnie zamkni

ę

ty).

Ka

ż

dy magnes jest

ź

ródłem pola

magnetycznego, którego nat

ęż

enie zale

ż

y od

jego własno

ś

ci materiałowych i wymiarów.

Decyduje ono bezpo

ś

rednio o maksymalnym

zasi

ę

gu Smax czujnika z kontaktronem.

Rysunek 5 Strefy przełączania czujnika kontaktronowego

Siła oddziaływania pola magnetycznego zale

ż

y od odległo

ś

ci magnesu od

czoła czujnika w kierunku wzdłu

ż

nym i poprzecznym (Rys.5.11). Zgodnie z

charakterystyk

ą

działania kontaktronu, przy przemieszczaniu magnesu w kierunku X,

zorientowanego równolegle do osi kontaktronu, musz

ą

wyst

ą

pi

ć

trzy strefy, w których

stan wyj

ś

cia czujnika b

ę

dzie zał

ą

czony (ON). Ustawiaj

ą

c odpowiednio magnes

i czujnik wzgl

ę

dem siebie mo

ż

na uzyska

ć

te

ż

czujnik o dwóch lub jednej strefie

przeł

ą

czania. W ka

ż

dym przypadku zbli

ż

aj

ą

c lub oddalaj

ą

c w kierunku Y magnes od

czujnika b

ę

dzie wyst

ę

powało tylko jedno przeł

ą

czenie z ON na OFF lub z OFF na

ON.

Magnetyczne czujniki kontaktronowe posiadaj

ą

bardzo ró

ż

ne kształty obudów,

od prostych cylindrycznych i prostopadło

ś

ciennych, do bardzo zło

ż

onych form

geometrycznych. Decyduje o tym ich przeznaczenie. Kształt czujnika wymusza
obszary, w których mo

ż

e porusza

ć

si

ę

magnes. S

ą

czujniki, w których mo

ż

liwe jest

tylko przemieszczanie magnesu wzgl

ę

dem czoła czujnika i s

ą

takie, które

umo

ż

liwiaj

ą

prze-mieszczanie magnesu równie

ż

wzgl

ę

dem bocznych powierzchni

czuj-nika.

Czujniki z kontaktronem mog

ą

by

ć

trójprzewodowe, a w przypadku braku

diody, sygnalizuj

ą

cej stan czujnika, maja tylko dwa przewody. Maksymalna

cz

ę

stotliwo

ść

przeł

ą

cze

ń

stanu wyj

ś

cia jest niewielka (<250Hz), a pr

ą

d jaki mo

ż

e

przepływa

ć

przez kontaktron nie przekra-cza 3A. Przy małych warto

ś

ciach pr

ą

du

czujniki te mog

ą

skutecznie przeł

ą

cza

ć

urz

ą

dzenia pracuj

ą

ce z napi

ę

ciem, nawet

powy

ż

ej 100V.

Czujniki magnetyczne z hallotronem. Czujniki magnetyczne hallotronowe
wykorzystuj

ą

wyst

ę

puj

ą

cy w półprzewodnikach efekt Halla. Stan ich wyj

ś

cia zmienia

si

ę

pod wpływem zmian zewn

ę

trznego pola magnetycznego (B), powoduj

ą

cego

pojawianie si

ę

w czujniku dodatkowego napi

ę

cia Halla UH.

Rysunek 6 Efekt Halla – pojawienie się napięcia UH na końcach płytki przez którą przepływa prąd I
i strumień magnetyczny B

Czujnik

jest

zasilany

pr

ą

dem

stałym,

który

płynie

przez

płytk

ę

półprzewodnikow

ą

(hallotron). Dopóki magnes znajduje si

ę

poza stref

ą

działania

czujnika pr

ą

d bez przeszkód przepływa przez hallotron. Ró

ż

nica potencjału na jego

kraw

ę

dziach jest wówczas równa zero (V=0). Kiedy magnes pojawi si

ę

w strefie

UH

działania czujnika, jego pole magnetyczne spowoduje pojawienie si

ę

na kraw

ę

dziach

hallotronu napi

ę

cia Halla (V=VH). To napi

ę

cie stanowi sygnał pomiarowy, który

steruje tranzystorem wyj

ś

ciowym czujnika (rys. 5.12).

Rysunek 7 Budowa czujnika Halla

Czujniki te wykonywane s

ą

zwykle jako trójprzewodowe, zasilane napi

ę

ciem

stałym 5V do 30V. Maksymalna cz

ę

stotliwo

ść

przeł

ą

czania stanu wyj

ś

cia jest dla

tych czujników du

ż

a – nawet ponad 300 kHz. Maksymalny pr

ą

d przepływaj

ą

cy przez

hallotron jest zwykle poni

ż

ej 1A.

Czujniki wykonywane mog

ą

by

ć

w wersji omnipolarnej (reaguj

ą

na dowoln

ą

polaryzacj

ę

pola magnetycznego), unipolarnej (reaguj

ą

tylko na okre

ś

lon

ą

polaryzacj

ę

pola magnetycznego) oraz bipolarnej (wył

ą

czenie nast

ę

puje przeciwnym

biegunem pola magnetycznego ni

ż

wł

ą

czenie).Efekt Halla polega na pojawianiu si

ę

dodatkowego pola elektrycznego w płytce z przewodnika lub półprzewodnika
umieszczonej.

W zewn

ę

trznym polu magnetycznym, przez któr

ą

płynie pr

ą

d stały.

Oddziaływanie zewn

ę

trznego pola magnetycznego na ładunki elektryczne płyn

ą

ce

w płytce, prowadzi do gromadzenia si

ę

tych ładunków na jednym z jej brzegów.

Ró

ż

nica potencjałów na obu brzegach płytki jest, tzw. napi

ę

ciem Halla VH.

Dodatkowe informacje mo

ż

na znale

źć

na stronie internetowej:

http://www.automatykab2b.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=916&Ite
mid=33

http://www.automatykab2b.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=917&Ite
mid=33

Celem

ć

wiczenia jest poznanie binarnych czujników zbli

ż

eniowych, ich budowy

i zasady działania oraz dokonanie pomiarów histerezy.
Dla wybranych zbli

ż

anych materiałów dokona

ć

pomiaru odległo

ś

ci dla których

zmienia si

ę

stan czujnika. Warto

ś

ci te zanotowa

ć

w tabeli, a na jej podstawie

wykona

ć

wykresy histerezy. Pomiar odległo

ś

ci dokonywa

ć

z dokładno

ś

ci

ą

0,01 mm.

Na wykresie dotycz

ą

cym jednego czujnika umie

ś

ci

ć

uzyskane krzywe histerezy dla

ró

ż

nych materiałów.