Konspekt: Badanie histerezy binarnych
POLITECHNIKA POZNAC
SKA
czujników zbli\
eniowych.
LABORATORIUM MECHATRONIKI
W indukcyjnych czujnikach zbli\
eniowych obwód drgający wraz z cewką tworzy
przed aktywną powierzchnią czujnika zmienne pole elektromagnetyczne. Pojawienie
się metalowego przedmiotu w tym polu powoduje tłumienie sygnału
w obwodzie drgającym. Je\
eli tłumienie to przekroczy określoną wartość progową,
na wyjście układu podawany jest sygnał przełączający.
Obiekt Głowica Generator Układ Układ
czujnika detekcji wyjściowy
Rysunek 1 Budowa czujnika indukcyjnego
Część aktywną czujnika indukcyjnego stanowi cewka nawinięta na ferrytowym
rdzeniu kubkowym, wytwarzająca 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 określa odległość przedmiotu od cewki, na
podstawie stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy. Najczęściej jest
to sygnał dwustanowy: obiekt jest w zasięgu czujnika lub go nie ma. Mo\
e tez być to
sygnał analogowy, wówczas jest on odwrotnie proporcjonalny do odległości
przedmiotu.
Histereza jest ró\
nicą odległości, przy której czujnik reaguje na zbli\
anie
i oddalanie metalu od jego czoła. Wtedy stan wyjścia zmienia się z OFF na ON lub
z ON na OFF. Wartość histerezy zale\
y od rodzaju i wielkości czujnika i nie
przekracza 20% zakresu pomiarowego.
Zasięg działania typowych czujników indukcyjnych nie przekracza 60mm.
Czujniki mają zró\
nicowane obudowy zarówno cylindryczne metalowe, jak
i prostopadłościenne wykonane z tworzyw sztucznych. Umo\
liwia to optymalne
zamocowanie czujników w miejscach pomiaru.
Rysunek 2 Schematy zasilania czujników indukcyjnych prądem przemiennym i stałym
Maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia czujnika, podawana w opisie
technicznym ka\
dego czujnika, wyra\
a liczbę przełączeń wyjścia czujnika w ciągu
sekundy. Wyznacza się ja przy cyklicznym wchodzeniu i wychodzeniu przedmiotów
wykonanych ze stali St37, z pola czułości czujnika. Przy jej wyznaczaniu obowiązują
ustalone wymagania techniczne, określone przez normę EN 50 010/IEC 60947-5-2.
W czujnikach pojemnościowych oscylator z kondensatorem tworzy przed aktywną
powierzchnią czujnika zmienne pole elektryczne, które w przypadku zachwiania
wpływa na zmianę pojemności i tłumienie drgań w obwodzie oscylatora. Czujniki
pojemnościowe mogą oprócz obiektów metalowych wykrywać, te\
obiekty
nieprzewodzące np. tworzywa sztuczne. Czujnik pojemnościowy jest tak\
e w stanie
reagować na obiekty znajdujące się za nieprzewodzącą warstwą, co czyni go
klasycznym czujnikiem do wykrywania obecności płynów czy granulatu poprzez
ścianki pojemnika. Są one u\
ywane zazwyczaj jako czujniki zbli\
eniowe, choć mogą
generować równie\
sygnał proporcjonalny do odległości przedmiotu od czoła
czujnika.
Głównymi składnikami czujnika pojemnościowego są: głowica z elektrodami,
potencjometr, oscylator, układ detekcji i układ wyjściowy. Je\
eli poziom sygnału w
obwodzie oscylatora przekroczy określoną wartość progową, to następuje zmiana
sygnału wyjściowego czujnika. Dzięki temu czujniki zbli\
eniowe szczególnie dobrze
nadają się na z
ródła sygnałów w ró\
nego rodzaju układach cyfrowych. Są wygodne
w stosowaniu w połączeniu ze sterownikami PLC i wielu prostych jak i zło\
onych
aplikacjach.
Głowica Oscylator Układ detekcji Układ
wyjściowy
Rysunek 3 Budowa czujnika pojemnościowego
Aktywnymi elementami czujnika pojemnościowego są dwie metalowe
elektrody, tworzące kondensator otwarty. Gdy obiekt zbli\
a się do czujnika to jego
pojemność zmienia się. Całkowita pojemność kondensatora, od której zale\
y poziom
sygnału wyjściowego, jest sumą pod-stawowej pojemności czujnika i zmiany
pojemności, spowodowanej działaniem obiektu wykrywanego.
Dla wyznaczenia rzeczywistej odległości działania czujnika nale\
y nominalną
odległość działania Sn pomno\
yć przez współczynnik korekcji, odpowiedni do
rodzaju materiału wykrywanego obiektu. Nominalna od-ległość działania Sn
podawana w katalogach odnosi się do znormalizowanego przedmiotu metalowego.
Czujnik magnetyczny kontaktronowy.
Czujnik magnetyczny z kontaktronem reaguje na zbli\
anie się do niego magnesu. W
polu magnetycznym wytworzonym przez magnes zestyki kontaktronu zostają
namagnesowane. Jeśli siła wzajemnego przyciągania zestyków pokona ich siły
sprę\
ystości, kontaktron zmieni swój stan np. z otwartego na zamknięty. Dzięki temu
zamknięty zostanie równie\
cały obwód elektryczny z dołączonym obcią\
eniem.
Rysunek 4 Budowa czujnika kontaktronowego
Zasada działania tego czujnika opiera się na pracy kontaktronu, który reaguje
na zbli\
anie się do niego magnesu. W polu
magnetycznym wytworzonym przez magnes
zestyki kontaktronu zostają namagnesowane.
Jeśli siła wzajemnego przyciągania zestyków
pokona ich siły sprę\
ystości, kontaktron
zmieni swój stan z otwartego na zamknięty.
Dzięki temu zamknięty zostanie równie\
cały
obwód elektryczny z do-łączonym
obcią\
eniem (rys. 5.10).
Usunięcie pola magnetycznego ze
strefy działania czujnika spowoduje zanik siły
przyciągającej styki kontaktronu, co w wyniku
własnej sprę\
ystości zestyków spowoduje ich
rozdzielenie, przerywając tym samym obwód
elektryczny z obcią\
eniem.
Czujniki z kontaktronem nie wymagają
zasilania. Styki kontaktronu, gdy nie znajdują
się w polu magnetycznym, mogą w zale\
ności
od typu kontaktronu pozostawać w stanie
otwartym (normalnie otwarte  NO) lub w
zamkniętym (NC - normalnie zamknięty).
Ka\
dy magnes jest z
ródłem pola
magnetycznego, którego natę\
enie zale\
y od
jego własności materiałowych i wymiarów.
Decyduje ono bezpośrednio o maksymalnym
zasięgu Smax czujnika z kontaktronem.
Rysunek 5 Strefy przełączania czujnika kontaktronowego
Siła oddziaływania pola magnetycznego zale\
y od odległości magnesu od
czoła czujnika w kierunku wzdłu\
nym i poprzecznym (Rys.5.11). Zgodnie z
charakterystyką działania kontaktronu, przy przemieszczaniu magnesu w kierunku X,
zorientowanego równolegle do osi kontaktronu, muszą wystąpić trzy strefy, w których
stan wyjścia czujnika będzie załączony (ON). Ustawiając odpowiednio magnes
i czujnik względem siebie mo\
na uzyskać te\
czujnik o dwóch lub jednej strefie
przełączania. W ka\
dym przypadku zbli\
ając lub oddalając w kierunku Y magnes od
czujnika będzie występowało tylko jedno przełączenie z ON na OFF lub z OFF na
ON.
Magnetyczne czujniki kontaktronowe posiadają bardzo ró\
ne kształty obudów,
od prostych cylindrycznych i prostopadłościennych, do bardzo zło\
onych form
geometrycznych. Decyduje o tym ich przeznaczenie. Kształt czujnika wymusza
obszary, w których mo\
e poruszać się magnes. Są czujniki, w których mo\
liwe jest
tylko przemieszczanie magnesu względem czoła czujnika i są takie, które
umo\
liwiają prze-mieszczanie magnesu równie\
względem bocznych powierzchni
czuj-nika.
Czujniki z kontaktronem mogą być trójprzewodowe, a w przypadku braku
diody, sygnalizującej stan czujnika, maja tylko dwa przewody. Maksymalna
częstotliwość przełączeń stanu wyjścia jest niewielka (<250Hz), a prąd jaki mo\
e
przepływać przez kontaktron nie przekra-cza 3A. Przy małych wartościach prądu
czujniki te mogą skutecznie przełączać urządzenia pracujące z napięciem, nawet
powy\
ej 100V.
Czujniki magnetyczne z hallotronem. Czujniki magnetyczne hallotronowe
wykorzystują występujący w półprzewodnikach efekt Halla. Stan ich wyjścia zmienia
się pod wpływem zmian zewnętrznego pola magnetycznego (B), powodującego
pojawianie się w czujniku dodatkowego napięcia Halla UH.
UH
Rysunek 6 Efekt Halla  pojawienie się napięcia UH na końcach płytki przez którą przepływa prąd I
i strumień magnetyczny B
Czujnik jest zasilany prądem stałym, który płynie przez płytkę
półprzewodnikową (hallotron). Dopóki magnes znajduje się poza strefą działania
czujnika prąd bez przeszkód przepływa przez hallotron. Ró\
nica potencjału na jego
krawędziach jest wówczas równa zero (V=0). Kiedy magnes pojawi się w strefie
działania czujnika, jego pole magnetyczne spowoduje pojawienie się na krawędziach
hallotronu napięcia Halla (V=VH). To napięcie stanowi sygnał pomiarowy, który
steruje tranzystorem wyjściowym czujnika (rys. 5.12).
Rysunek 7 Budowa czujnika Halla
Czujniki te wykonywane są zwykle jako trójprzewodowe, zasilane napięciem
stałym 5V do 30V. Maksymalna częstotliwość przełączania stanu wyjścia jest dla
tych czujników du\
a  nawet ponad 300 kHz. Maksymalny prąd przepływający przez
hallotron jest zwykle poni\
ej 1A.
Czujniki wykonywane mogą być w wersji omnipolarnej (reagują na dowolną
polaryzację pola magnetycznego), unipolarnej (reagują tylko na określoną
polaryzację pola magnetycznego) oraz bipolarnej (wyłączenie następuje przeciwnym
biegunem pola magnetycznego ni\
włączenie).Efekt Halla polega na pojawianiu się
dodatkowego pola elektrycznego w płytce z przewodnika lub półprzewodnika
umieszczonej.
W zewnętrznym polu magnetycznym, przez którą płynie prąd stały.
Oddziaływanie zewnętrznego pola magnetycznego na ładunki elektryczne płynące
w płytce, prowadzi do gromadzenia się tych ładunków na jednym z jej brzegów.
Ró\
nica potencjałów na obu brzegach płytki jest, tzw. napięciem Halla VH.
Dodatkowe informacje mo\
na znalez
ć 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 ćwiczenia jest poznanie binarnych czujników zbli\
eniowych, ich budowy
i zasady działania oraz dokonanie pomiarów histerezy.
Dla wybranych zbli\
anych materiałów dokonać pomiaru odległości dla których
zmienia się stan czujnika. Wartości te zanotować w tabeli, a na jej podstawie
wykonać wykresy histerezy. Pomiar odległości dokonywać z dokładnością 0,01 mm.
Na wykresie dotyczącym jednego czujnika umieścić uzyskane krzywe histerezy dla
ró\
nych materiałów.