POLITECHNIKA POZNAŃSKA
LABORATORIUM MECHATRONIKI
Konspekt: Badanie histerezy binarnych
czujników zbliŜeniowych.
W indukcyjnych czujnikach zbli
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
e tez by
ć
to
sygnał analogowy, wówczas jest on odwrotnie proporcjonalny do odległo
ś
ci
przedmiotu.
Histereza jest ró
Ŝ
nic
ą
odległo
ś
ci, przy której czujnik reaguje na zbli
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
nicowane obudowy zarówno cylindryczne metalowe, jak
i prostopadło
ś
cienne wykonane z tworzyw sztucznych. Umo
Ŝ
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
Ŝ
dego czujnika, wyra
Ŝ
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
Ŝ
obiekty
nieprzewodz
ą
ce np. tworzywa sztuczne. Czujnik pojemno
ś
ciowy jest tak
Ŝ
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
Ŝ
ywane zazwyczaj jako czujniki zbli
Ŝ
eniowe, cho
ć
mog
ą
generowa
ć
równie
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
eniowe szczególnie dobrze
nadaj
ą
si
ę
na
ź
ródła sygnałów w ró
Ŝ
nego rodzaju układach cyfrowych. S
ą
wygodne
w stosowaniu w poł
ą
czeniu ze sterownikami PLC i wielu prostych jak i zło
Ŝ
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
Ŝ
a si
ę
do czujnika to jego
pojemno
ść
zmienia si
ę
. Całkowita pojemno
ść
kondensatora, od której zale
Ŝ
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
Ŝ
y nominaln
ą
odległo
ść
działania Sn pomno
Ŝ
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
Ŝ
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
ęŜ
ysto
ś
ci, kontaktron zmieni swój stan np. z otwartego na zamkni
ę
ty. Dzi
ę
ki temu
zamkni
ę
ty zostanie równie
Ŝ
cały obwód elektryczny z doł
ą
czonym obci
ąŜ
eniem.
Rysunek 4 Budowa czujnika kontaktronowego
Zasada działania tego czujnika opiera si
ę
na pracy kontaktronu, który reaguje
na zbli
Ŝ
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
ęŜ
ysto
ś
ci, kontaktron
zmieni swój stan z otwartego na zamkni
ę
ty.
Dzi
ę
ki temu zamkni
ę
ty zostanie równie
Ŝ
cały
obwód
elektryczny
z
do-ł
ą
czonym
obci
ąŜ
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
ęŜ
ysto
ś
ci zestyków spowoduje ich
rozdzielenie, przerywaj
ą
c tym samym obwód
elektryczny z obci
ąŜ
eniem.
Czujniki z kontaktronem nie wymagaj
ą
zasilania. Styki kontaktronu, gdy nie znajduj
ą
si
ę
w polu magnetycznym, mog
ą
w zale
Ŝ
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
Ŝ
dy magnes jest
ź
ródłem pola
magnetycznego, którego nat
ęŜ
enie zale
Ŝ
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
Ŝ
y od odległo
ś
ci magnesu od
czoła czujnika w kierunku wzdłu
Ŝ
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
Ŝ
na uzyska
ć
te
Ŝ
czujnik o dwóch lub jednej strefie
przeł
ą
czania. W ka
Ŝ
dym przypadku zbli
Ŝ
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
Ŝ
ne kształty obudów,
od prostych cylindrycznych i prostopadło
ś
ciennych, do bardzo zło
Ŝ
onych form
geometrycznych. Decyduje o tym ich przeznaczenie. Kształt czujnika wymusza
obszary, w których mo
Ŝ
e porusza
ć
si
ę
magnes. S
ą
czujniki, w których mo
Ŝ
liwe jest
tylko przemieszczanie magnesu wzgl
ę
dem czoła czujnika i s
ą
takie, które
umo
Ŝ
liwiaj
ą
prze-mieszczanie magnesu równie
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
a – nawet ponad 300 kHz. Maksymalny pr
ą
d przepływaj
ą
cy przez
hallotron jest zwykle poni
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
nica potencjałów na obu brzegach płytki jest, tzw. napi
ę
ciem Halla VH.
Dodatkowe informacje mo
Ŝ
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
Ŝ
eniowych, ich budowy
i zasady działania oraz dokonanie pomiarów histerezy.
Dla wybranych zbli
Ŝ
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
Ŝ
nych materiałów.