Czujniki zbliżeniowe
Wykrywanie obecności obiektów w układach automatyki
Czujniki zbliżeniowe to jedne z najpowszechniej stosowanych sensorów we wszelkich urządzeniach automatyki.
Najczęściej do ich zadao należy wykrycie i sygnalizacja obecności obiektu bez kontaktu fizycznego z nim samym.
Może to byd jednak nie tylko produkt na taśmie przenośnika, ale również uchwyt narzędzia, dz
wignia, krzywka
automatu. Typowe aplikacje związane są najczęściej z maszynami pakującymi, drukującymi, wtryskarkami,
obrabiarkami metali, liniami technologicznymi służącymi do produkcji żywności itd. Zastosowania można mnożyd.
W niniejszym artykule omówione zostaną podstawowe typy czujników zbliżeniowych oraz będą podane
elementarne informacje na temat zasad użytkowania najpopularniejszych z nich  sensorów indukcyjnych. Pozwoli
to konstruktorom uniknąd podstawowych błędów przy ich stosowaniu.
Postęp technologiczny przyniósł rozwój automatyki, niezależnie od producenta czujnika, połączone są zawsze
a co za tym idzie, wszelkiego rodzaju sensorów. w ten sam sposób a sygnałom powinny odpowiadać te
Począwszy od bardzo prostych i służących tylko do same kolory kabli połączeniowych. Jest to przedmiotem
sygnalizacji obecności, aż do zaawansowanych, wizyjnych standardu ustalonego dla wszystkich sensorów
przetwarzających nawet obraz trójwymiarowy. Pomimo zbliżeniowych. Każdy sensor posiada na wyjściu styki
tego jednymi z najczęściej stosowanych i niezastąpionych przekaz
nika NO lub NC, lub otwarty kolektor tranzystora
w wielu aplikacjach są czujniki zbliżeniowe, których wyjściowego typu: NPN NO, NPN NC, NPN NO+NC, PNP-
zadaniem jest bezdotykowa sygnalizacja obecności NO, PNP-NC, PNP NO+NC. Interfejs może być 2-, 3- i 4-
obiektu. Wśród nich można wymienić czujniki: przewodowy.
pojemnościowe, magnetyczne, fotoelektryczne,
ultradz
więkowe, radarowe, pasywne podczerwieni Interfejs dwuprzewodowy
(termiczne), refleksyjne wykorzystujÄ…ce promieniowanie Na rys. 1 przedstawiono interfejs dwuprzewodowy.
jonizujące. Bardzo często do sygnalizacji obecności Sensory w niego wyposażone zawierają wzmacniacz
używane są również bariery optyczne wykorzystujące wyjściowy, który może sterować obciążeniem szeregowym.
światło widzialne lub niewidzialne. Wszystko zależy od W takim systemie szczątkowy prąd spoczynkowy
konkretnej aplikacji, od warunków środowiska pracy, przepływa przez obciążenie zasilając układy elektroniczne
z którymi przyjdzie się zmierzyć konstruktorowi a póz
niej czujnika w stanie czuwania. W stanie załączenia spadek
czujnikowi. napięcia na obciążeniu nie może wpływać na pracę
Typowe konfiguracje wyjść i sposoby zasilania czujnika i dlatego stosując sensory tego typu należy
Bez względu na rodzaj medium użytego do detekcji, przestrzegać zaleceń producenta odnośnie parametrów
wyjścia sygnalizujące oraz wejścia napięcia zasilania, podłączanych obciążeń. Dla większości z nich polaryzacja
str. 1 z 12
napięcia zasilania nie ma znaczenia, ale zawsze należy to obciążeniem. Sensory z interfejsem czteroprzewodowym
sprawdzić w dokumentacji technicznej udostępnianej przez posiadają komplementarne wyjścia (NO + NC). Oba
producenta. rodzaje czujników są wyposażone w wyjścia typu PNP lub
W niemalże identyczny interfejs dwuprzewodowy NPN standardowo zabezpieczone przed zwarciem oraz
wyposażone są sensory magnetyczne. Jest to najprostszy przepięciami generowanymi przez obciążenia indukcyjne.
rodzaj czujnika zawierający w swojej obudowie styki Niektóre z sensorów są zabezpieczone przed odwrotnym
wykonane z materiału ferromagnetycznego zwierające się podłączeniem napięcia zasilania.
pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Może to
brÄ…zowy
być na skutek zbliżeniu magnesu trwałego (współcześnie
NPN NO +
często używane są miniaturowe magnesy neodymowe).
czarny
Trudno w przypadku takiego czujnika mówić o wpływie _
niebieski
spadku napięcia na funkcjonowanie sensora, jednak
sposób pracy interfejsu oraz podłączenie czujnika jest takie
brÄ…zowy
samo. Oczywiście szczątkowy prąd zasilania w tym
+
przypadku nie występuje. czarny
_
PNP NO
niebieski
brÄ…zowy
NO
brÄ…zowy
NPN NC +
niebieski
czarny
_
niebieski
brÄ…zowy
brÄ…zowy
NC
+
czarny
niebieski
_
PNP NC
niebieski
Rys. 1. Interfejs 2-przewodowy w czujnikach zbliżeniowych
Rys. 2. Sensory zbliżeniowe z interfejsem 3-przewodowym
Interfejs 3- i 4-przewodowy
Na rys. 2 przedstawiono obecnie najczęściej spotykany
Interfejs analogowy
interfejs trójprzewodowy. Nieco rzadziej spotykana jest
Sensory wyposażone w interfejs analogowy są
jego odmiana czteroprzewodowa, przedstawiona na rys. 3.
odmianą sensorów z interfejsem trójprzewodowym z tym,
Sensory wyposażone w interfejs trójprzewodowy posiadają
że prąd lub napięcie wyjściowe są proporcjonalne do
wzmacniacz wyjściowy NO lub NC sterujący dołączonym
str. 2 z 12
odległości pomiędzy sensorem a obiektem. Sposób Sensory NAMUR
podłączenia pokazano na rys. 4. Tego typu urządzenia Jest to rodzaj czujników analogowych, modulujących
mogą służyć nie tylko jako czujniki obecności, ale również proporcjonalnie do odległości pomiędzy czołem sensora
a obiektem prÄ…d zasilajÄ…cy czujnik. Sensory tego typu nie
brÄ…zowy
posiadają wbudowanego wzmacniacza. Wyposażone są
NPN NO+NC
+
w rodzaj interfejsu dwuprzewodowego. Jak wspomniano
czarny
biały
wcześniej, prąd płynący przez sensor zależy od dystansu
_
pomiędzy czujnikiem a obiektem. Sensory NAMUR
niebieski
predysponowane są do użycia w środowisku wybuchowym
i łatwopalnym. Prąd płynący w obwodzie oraz napięcie
brÄ…zowy
+
zasilajÄ…ce ograniczane sÄ… do bezpiecznych dla takich
biały
czarny warunków wartości. Dodatkowo, ze względu na środowisko
pracy, sensor nie ma żadnych elementów łączących
_
PNP NO+NC
niebieski
i przełączających mogących spowodować iskrzenie. Dla
poprawnej pracy wymagane jest zastosowanie specjalnego
Rys. 3. Sensory zbliżeniowe z interfejsem 4-przewodowym
wzmacniacza zewnętrznego.
Stosowanie ich jako czujników obecności wymaga
Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe
zastosowania zewnętrznych układów komparatorów
Czujniki pojemnościowe używane są do wykrywania
napięcia lub prądu, co nie w każdej sytuacji się opłaca.
obiektów metalicznych i niemetalicznych (woda, tworzywo
sztuczne, drewno itp.). Możliwość detekcji przedmiotów
brÄ…zowy
napięcie
+
z tworzywa sztucznego stanowi o przewadze sensorów
czarny
pojemnościowych nad indukcyjnymi w aplikacjach
ROBC
_
automatów pakujących. Sensory tego typu mierzą zmianę
niebieski
pojemności pomiędzy sobą a obiektem poddawanym
detekcji. Utworzony przez układ obiekt  czoło sensora
brÄ…zowy
+
kondensator ma pojemność zależną od odległości
czarny
pomiędzy  okładzinami . Jednocześnie jest on elementem
ROBC
_
prÄ…d
obwodu regulującego częstotliwość wbudowanego
niebieski
w sensor oscylatora. Pojawienie siÄ™ obiektu (a w efekcie
Rys. 4. Sensory z wyjściem analogowym.
wzrost pojemności) powoduje, że oscylator zaczyna
Dlatego też najczęściej używane są one jako uniwersalne,
pracować. Wzrost lub spadek częstotliwości jest
pełniące różne funkcje w połączeniu ze sterownikiem PLC
identyfikowany przez obwody detekcji i wyzwalania
i odpowiednim oprogramowaniem.
str. 3 z 12
wzmacniacza zasilającego obciążenie lub załączającego światła są albo diody LED, albo diody laserowe. Aby
styki przekaz
nika. uodpornić czujnik na zakłócenia a także zmniejszyć pobór
Bardzo często takie sensory wyposażane są energii, bardzo często wiązka światła poddawana jest
w elementy regulacyjne, które umożliwiają nastawę modulacji. Odbiornik bazuje na elemencie
czułości a tym samym dystansu roboczego. Jest to cecha fotoelektrycznym. Zaletami tego typu sensorów są duża
bardzo użyteczna w aplikacjach takich, jak np. detekcja rozdzielczość umożliwiająca detekcję również bardzo
napełnienia zbiornika cieczą (do określenia stanu zbiornika małych obiektów i niewielkich przemieszczeń, duży zasięg
pusty/pełny). Dystans roboczy jest związany z rozmiarami detekcji oraz krótki czas reakcji. Podstawową wadą jest
czujnika oraz właściwościami materiału, z którego wrażliwość na zanieczyszczenia, na kolor powierzchni i jej
wykonany jest obiekt. Współczynniki redukcji dystansu zdolność do odbijania / pochłaniania światła. Niestety
detekcji dla typowych materiałów są podane w tab. 1. trudno jest dobrać sensor fotoelektryczny, który będzie
uniwersalny. W handlu dostępne są cztery podstawowe
Tab. 1. Redukcja dystansu detekcji sensora pojemno-
rodzaje tego typu czujników, których właściwości krótko
ściowego dla różnych materiałów (Sn = standardowy
omówiono niżej. Oczywiście niektórzy producenci mogą
zasięg detekcji)
Metale Sn × 1,0
oferować czujniki łączące w sobie różne cechy
Woda Sn × 1,0
funkcjonalne.
Tworzywa sztuczne Sn × 0,5
SzkÅ‚o Sn × 0,5
Drewno Sn × 0,4
Sensor wykorzystujący bezpośrednie, rozproszone odbicie
Czujniki pojemnościowe, mimo iż tak funkcjonalne, nie
od obiektu
zdołały wyprzeć z zastosowań czujników indukcyjnych. Ich Nadajnik i odbiornik zamknięte są w tej samej obudowie
podstawową wadą jest wrażliwość na właściwości
(rys. 5). Nadajnik jest wrażliwy na światło odbite
dielektryka pomiędzy okładzinami (wilgotność powietrza,
bezpośrednio od powierzchni obiektu. Używając tego typu
zanieczyszczenia, wióry itp.) zwłaszcza, gdy obiekt
czujnika należy rozważyć kolor wiązki światła w korelacji z
mierzony (np. poziom cieczy w zbiorniku) jest w relatywnie kolorem oświetlanej powierzchni. Zasięg jest zależny od
dużej odległości. Znane są przypadki, gdy zmiana koloru światła emitowanego przez nadajnik a odbieranego
wilgotności powietrza lub pył eliminowały tego typu sensor
przez odbiornik. Jednak jeśli oświetlana powierzchnia jest
na rzecz prostszych rozwiązań (np. elektrod zanurzanych
silnie błyszcząca, to może okazać się, że odbicie
w zbiorniku).
powodowane przez powierzchnię ma znacznie większy
wpływ na funkcjonowanie i zasięg czujnika, niż stosowany
Fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe
kolor światła. Dane techniczne najczęściej odnoszą się do
Sensory fotoelektryczne najczęściej są produkowane
matowej, białej powierzchni papierowej.
jako odbiornik zespolony ze z
ródłem światła. Spotykane są
również wykonania w postaci odrębnych modułów
nadajnika i odbiornika (bariera). Współcześnie z
ródłem
str. 4 z 12
Bezpośrednie odbicie
odbieraną z określonego kierunku i ignorując wszystkie
światła od obiektu
pozostałe.
Odbicie światła
spolaryzowanego od
Rys. 5. Sensor fotoelektryczny wykorzystujący bezpośred-
obiektu
nie odbicie światła od obiektu
Sensor wykorzystujÄ…cy odbicie od reflektora na obiekcie.
Rys. 7. Sensor fotoelektryczny wykorzystujÄ…cy odbicie
Podobnie jak poprzednio, nadajnik i odbiornik
światła spolaryzowanego od obiektu
zamknięte są w tej samej obudowie. Bardzo często
współczesne czujniki wykorzystujące światło odbite
Bariery
wykonywane są w wersjach działających z reflektorem
Do detekcji obecności obiektów używane są również
(zwierciadłem) lub bez niego. Umożliwiają to
bariery. Bariera składa się z odseparowanych od siebie
mikrokontrolery, w które wyposażany jest sensor,
nadajnika i odbiornika (rys. 8). Pojawienie siÄ™ obiektu
adoptujÄ…ce go do danej sytuacji. Tego typu sensor
sygnalizuje przerwanie wiązki światła. Współczesne bariery
wykrywa obiekt wówczas, gdy ten przesłoni wiązkę światła
bardzo często wykorzystują laser, co zapewnia im bardzo
(rys. 6) na drodze pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem.
duży zasięg (nawet do kilkuset metrów) lub bardzo dobrą
Ze względu na zastosowane zwierciadło te czujniki nie są
rozdzielczość.
zależne od koloru obiektu i charakteryzują się bardzo
dużym zasięgiem.
Bariera (komplet zawiera nadajnik i odbiornik)
Odbicie światła od
reflektora na obiekcie
Rys. 8. Bariera optyczna.
Rys. 6. Sensor fotoelektryczny wykorzystujący bezpośred-
Czujniki magnetyczne
nie odbicie od zwierciadła na obiekcie.
Czujnik magnetyczny (rys. 9) jest najprostszym z
dostępnych w handlu. Tego typu sensor reaguje na pole
Sensor wykorzystujący odbicie światła spolaryzowanego
magnetyczne magnesu stałego lub elektromagnesu
Czujnik podobny funkcjonalnie do opisywanego wyżej,
zwierając swoje styki. Do jego konstrukcji bardzo często
jednak wyposażony w polaryzator i dzięki temu
wykorzystuje się kontaktrony, które mają styki zamknięte w
wykorzystujący światło odbite o odpowiedniej polaryzacji
hermetycznej obudowie szklanej wypełnionej gazem
(rys. 7). Dzięki temu sensor nie jest wrażliwy na zakłócenia
obojętnym. Styki wykonane są z materiału odpowiedniego
w postaci innych z
ródeł światła oraz światło rozproszone
dla przewodzenia małych prądów. Można je również
na silnie błyszczącej powierzchni, reagując tylko na wiązkę
wykonywać w wersjach przeznaczonych do przenoszenia
str. 5 z 12
dużych obciążeń indukcyjnych i dzięki temu załączać warunki przemysłowe. Istnieją również specjalne
układy wykonawcze wnoszące obciążenia do kilku Amper wykonania odporne na agresywne chemicznie środowiska,
bez elementów pośredniczących. Jeśli porównać sensory posiadające poszerzony zakres temperatur pracy i inne.
magnetyczne, do innych omawianych w tym artykule, to Mimo prostej zasady działania użytkownicy stosujący
wśród zalet można wymienić prostotę budowy, brak indukcyjne czujniki zbliżeniowe często popełniają błędy.
elementów elektronicznych, bardzo dobre zabezpieczenie Poprawna detekcja obiektów wymaga od użytkownika
przed wpływami środowiska oraz małą wrażliwość na znajomości fundamentalnych zasad działania tego typu
przepięcia i przetężenia (oczywiście w granicach sensora.
parametrów materiału stykowego). Tego typu sensory nie
wymagają praktycznie żadnych nastaw a jeśli, to bardzo Zasada działania
prostych do wykonania i najczęściej polegających na Abstrahując od obudowy, indukcyjny czujnik
regulacji mechanicznego położenia magnesu czy czujnika. zbliżeniowy posiada cztery główne komponenty: cewkę,
Do ich wad należy konieczność stosowania magnesu i oscylator, obwody detekcji i obwody wyjściowe. Zasada
stosunkowo mała czułość. działania jest wspólna dla tej grupy sensorów, ale dobór
parametrów i sposobu funkcjonowania poszczególnych
bloków zależny jest od materiału, który ma być wykrywany.
Oscylator generuje prąd zmienny, który przepływając przez
cewkę umieszczoną wewnątrz jego obudowy wywołuje
N
zmienne pole magnetyczne. Kierunek zamocowania cewki
S
określa jednocześnie stronę, od której to reaguje czujnik.
Magnes stały lub
Bardzo często ta strona nazywana jest powierzchnią
elektromagnes
aktywnÄ….
Gdy obiekt metalowy przesuwa siÄ™ przez pole detekcji,
to sÄ… w nim generowane prÄ…dy wirowe. Obiekt staje siÄ™
z
ródłem pola magnetycznego, które jest skierowane
Rys. 9. Sensor magnetyczny.
przeciwnie do wytwarzanego przez cewkę (rys. 10). Dzięki
interakcji pól amplituda oscylacji zmniejsza się. Jest ona
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe
monitorowana przez obwody detekcji sensora, które
Często w różnych aplikacjach potrzebne jest wykrycie
poniżej pewnej wartości amplitudy powodują aktywację
obecności metalowego elementu w niewielkiej odległości
obwodów wyjściowych.
od sensora. Od lat najlepszymi do tego typu zadań są
sensory indukcyjne. Pierwsze z nich pojawiły się
w aplikacjach już we wczesnych latach sześćdziesiątych.
Mimo upływu czasu właśnie ten rodzaj sensorów jest od
wielu lat bestsellerem. Powodem jest odporność na trudne
str. 6 z 12
ścienna (mocowana za pomocą nitów lub śrub). Dostępne
są sensory o różnych wielkościach, które mogą być
związane z wymiarami cewki a tym samym zasięgiem
sensora. Rozróżnia się je również ze względu na aplikacje:
Oscylator od standardowych, umieszczanych najczęściej
Detektor
w obudowach z tworzywa sztucznego lub stali nierdzewnej,
do wykonań specjalnych, przeznaczonych do pracy
w szczególnie trudnych warunkach przemysłowych.
Cewka
sensora
PrÄ…dy
Najpopularniejsze są sensory cylindryczne, które stanowią
wirowe
70% wolumenu sprzedawanych na świecie czujników.
Obiekt
wykrywany
Mnogość odmian i producentów mogła doprowadzić do
ogromnego bałaganu, dlatego też kształt, wymiary, zasięg
Rys. 10. Zasada działania indukcyjnego czujnika
czujników i poziomy wyjściowe zostały zestandaryzowane
zbliżeniowego.
przez organizację CENELEC. Dzięki temu konstruktor
może wybierać z ogromnej oferty sensorów dostępnych na
Warianty wykonania
rynku i mieć pewność, że sensory różnych producentów
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe oferowane są w dwóch
będą funkcjonować w podobny sposób, bynajmniej jeśli
wersjach: z ekranowaniem lub bez niego. Typowo, czujnik
rozpatrywać je od strony interfejsu użytkownika. Nie mniej
nieekranowany ma większy zasięg od wersji ekranowanej.
jednak konstruktorzy, którzy niejako w sposób
Jeśli czujnik nie posiada ekranowania, to generowane
automatyczny dokonujÄ… wyboru sensora i traktujÄ… go jako
przezeń pole magnetyczne rozprzestrzenia się we
 ogólnego przeznaczenia , mogą napotkać pewne
wszystkich kierunkach. Ma ono kształt zbliżony do opony.
problemy. Właściwymi przesłankami do jego wyboru są
W rezultacie sensor może być wyzwolony zarówno przez
bowiem, kolejno: rodzaj materiału, który będzie wykrywany,
obiekt zbliżający się od tyłu pola, jak i od jego czoła. Jeśli
środowisko pracy, sposób i miejsce montażu.
czujnik jest ekranowany, to cewka najczęściej posiada
rdzeń z materiału ferromagnetycznego, który kieruje pole
Czułość czujnika indukcyjnego
magnetyczne w stronę czoła sensora. Taki czujnik
Nie wszystkie czujniki indukcyjne jednakowo reagujÄ… na
wykrywa wyłącznie obiekty zbliżające się do niego od
różne metale, ponieważ te mają odmienne właściwości
czoła. W taki rodzaj rdzenia wyposażane są również
fizyczne. Specyfikacja zawarta w karcie katalogowej
sensory nieekranowane. Nie tylko zabezpiecza je to przed
najczęściej odnosi się do reakcji na obiekty standardowe
obiektami zbliżającymi się od tyłu, ale również poprawia
wykonane z żelaza. Inne metale takie, jak: stal nierdzewna,
zasięg.
mosiÄ…dz, aluminium, miedz
mają inną kondycyjność a tym
Obudowa sensora może być cylindryczna (najczęściej
samym inny wpływ na indukcyjność cewki czujnika.
mocowane są one wówczas za pomocą zwykłych nakrętek
Zazwyczaj dystans w jakim mogą zostać wykryte jest
nakręcanych na gwintowaną obudowę) lub prostopadło-
str. 7 z 12
mniejszy, niż w przypadku żelaza. Dlatego też bardzo zazwyczaj mają większe wymiary, niż ich standardowe
ważne jest określenie, jaki rodzaj metalu będzie odpowiedniki i z powodu większej ilości elementów
wykrywany. W wielu aplikacjach przemysłowych istotna konstrukcyjnych, są też od nich droższe.
jest również możliwość zmiany materiału poddawanego
detekcji. Czujnik może być na przykład elementem układu Środowisko pracy czujnika indukcyjnego
automatyki sygnalizującym obecność detalu poddawanego Wśród czynników wpływających na sensor podawano
obróbce wykonanego ze stali, a po zmianie profilu również środowisko pracy. Wbrew pozorom nie jest to tylko
produkcji  z aluminium. Do poprawnego określenia wybór materiału, z którego wykonana jest obudowa
dystansu zadziałania czujnika producenci podają tzw. sensora. Producent musi uwzględnić również inne czynniki
współczynnik redukcji. Współczynniki redukcji dla typowo takie, jak zakres temperatur roboczych. Podwyższona
stosowanych materiałów zawarto w tab. 2. temperatura zazwyczaj powoduje drastyczną redukcję
czasu MTBF. Z drugiej strony, zarówno niska jak i wysoka
Tab. 2. Redukcja dystansu detekcji sensora indukcyjnego
temperatura zazwyczaj spowodują zmianę zasięgu
dla różnych metali (Sn = standardowy zasięg detekcji)
detekcji. Innym problemem, który napotyka projektant są
Å»elazo Sn × 1,0
Stal nierdzewna Sn × 0,8
odpady produkcyjne. W pewnych aplikacjach metalowy pył,
MosiÄ…dz Sn × 0,5
wióry lub odłamki mogą gromadzić się na powierzchni
Aluminium Sn × 0,4
Miedz
Sn × 0,3
sensora lub w bezpośredniej jego bliskości. Po pierwsze
wpłyną one na zmianę zasięgu detekcji, po drugie mogą
Niektórzy producenci wytwarzają również specjalne
doprowadzić do załączenia sensora niejako na stałe,
odmiany sensorów przeznaczonych do detekcji  trudnych
powodując tym samym awarię systemu. Dlatego też
metali. Te specjalne czujniki indukcyjne określane są
niektórzy producenci sensorów wyposażyli je
mianem  do metali nieżelaznych lub  do wszystkich metali
w mikrokontrolery, które są w stanie wykryć wolno
(w języku angielskim spotyka się określenia Nonferrous
gromadzące się odłamki metaliczne i spowodować, że
sensing lub All-metal sensing). Pierwsza grupa czujników
obwody detekcji sensora wykryją ten efekt i nie będzie ona
wykrywa aluminium znacznie lepiej i w większej odległości,
reagował na fałszywe alarmy.
niż żelazo. Druga grupa wykrywa wszystkie metale w tej
Ten rodzaj sensora bywa różnie określany
samej odległości. Jeśli sprowadzić różnice w czujnikach do
w katalogach. Czasami nazywane sÄ… po prostu
sposobów ich wykonania, to różnią się one pomiędzy sobą
 inteligentnymi . W języku angielskimi określane są jako
ilością cewek przeznaczonych do detekcji. Czujniki
chip-immune, tzn. niewrażliwe na odłamki. Naturalną
specjalne najczęściej zawierają dwie lub trzy
odpornością na takie warunki pracy charakteryzują się
odseparowane do siebie cewki, podczas gdy standardowe
również sensory umieszczone w cienkich, płaskich
zawierają tylko jedną. Oczywiście ta różnica konstrukcyjna
obudowach, na których materiał metaliczny praktycznie nie
wpływa na sposób wykonania układu elektronicznego
ma gdzie się gromadzić.
czujnika, jak również i na jego wymiary mechaniczne.
Uogólniając można powiedzieć, że czujniki specjalne
str. 8 z 12
Sensory mogą również pracować w środowisku właściwe warunki pracy. Tego typu głowice odporne są na
rozpuszczalników chemicznych lub żrÄ…cym przez okreÅ›lany temperaturÄ™ nawet rzÄ™du +200°C.
przez producenta czas. Jeśli obudowa takiego sensora
będzie wykonana ze standardowych materiałów, to może Wykonania specjalne
stać się krucha i złamać się. Czas funkcjonowania będzie Współcześnie, dzięki miniaturyzacji komponentów,
znacznie poniżej deklarowanego przez producenta czasu stało się możliwe wytwarzania czujników o kształcie
MTBF w warunkach normalnych. Do zanurzenia prostopadÅ‚oÅ›cianu, wymiarach (5,5 × 5,5 × 19)mm
w rozpuszczalnikach lub środkach żrących przeznaczone i zasięgu około 1,6 mm. Postęp w dziedzinie wytwarzania
są specjalne sensory powlekane teflonem. Dodatkowy czujników owocuje również opracowaniem zupełnie innej
koszt ponoszony na powłokę teflonową uzasadniony jest linii czujników indukcyjnych. Są to sensory o średnicy około
koniecznością zapewnienia odporności materiału obudowy 3 mm wyposażone w kabel połączeniowy o podwyższonej
na związki chemiczne powodujących korozję. Teflon elastyczności, przeznaczone do zastosowania w robotyce.
zabezpiecza również przed gromadzeniem się Wyłącznik krańcowy (tzw. limiter) to specjalny rodzaj
zanieczyszczeń. czujnika indukcyjnego. Charakterystyczną dla niego jest
liczba cykli załączeń. Jest znacznie większa, niż
Czujniki z odseparowanÄ… cewkÄ… standardowego sensora i wynosi okoÅ‚o 3 × 105 cykli,
Wysoka temperatura otoczenia stawia inne wyzwania. podczas gdy standardowy ma okoÅ‚o 1 × 105 cykli. Limitery
Typowo sensory indukcyjne zbliżeniowe to urządzenia umieszczane są w obudowach prostopadłościennych
z wbudowanÄ… caÅ‚Ä… niezbÄ™dnÄ… elektronikÄ…. SÄ… to o wymiarach okoÅ‚o (40 × 40 × 115) mm. JeÅ›li jednak nie
komponenty pasywne i aktywne takie, jak tranzystory, jest wymagany żaden specjalizowany sensor, to
układy scalone, mikrokontrolery itp. Przez to możliwe jest konstruktor może bez problemu używać sensorów
stosowanie tego typu czujników w aplikacjach dopóty, w obudowach cylindrycznych, które przez lata obecności
dopóki warunki pracy nie przekraczają standardowych dla w aplikacjach udowodniły swoją skuteczność. Nie mniej
aplikacji wykorzystujących komponenty krzemowe. jednak, gdy wybrano już właściwy typ sensora, to
Normalnie jest to zakres temperatur od -25& +70 °C. konieczne jest dokÅ‚adne zapoznanie siÄ™ z ofertami różnych
W temperaturach poza podanym zakresem, czujnik producentów tak, aby upewnić się, że wybrano sensor
może ulec uszkodzeniu. W takich warunkach konstruktor mający długi czas funkcjonowania i oprócz tego wykonany
powinien zastosować czujniki, które posiadają obwody z odpowiednio wysoką jakością.
elektroniczne odseparowane od cewki. Głowica takiego Dla wielu sensorów krytyczną jest grubość materiału
czujnika zawiera najczęściej tylko cewkę, przewód obudowy i jej odporność na urazy mechaniczne. Jest to
połączeniowy i złącze i ewentualnie dopasowujące wbrew pozorom parametr bardzo istotny, ponieważ
elementy bierne. Wzmacniacz i obwody detekcji mogą być przypadkowe, incydentalne uderzenia obiektu o sensor nie
dzięki temu umieszczone w obudowie zapewniającej powinny być powodem jego uszkodzenia i tym samym nie
powodować konieczności jego wymiany. Bardzo ważnym
str. 9 z 12
jest również kabel połączeniowy, który powinien być
elastyczny, ale jednocześnie wytrzymały i odporny na Dystans detekcji. Jest to odległość sensora od obiektu
warunki środowiska, w którym będzie pracował sensor. standardowego przemieszczanego przed czołem sensora,
przy której działa jego wyjście. Obiekt standardowy
Podstawowe parametry detekcji przemieszcza się w kierunku czoła sensora w ściśle
Obiekt standardowy. Parametry czujnika indukcyjnego określony sposób: prostopadła do czoła sensora oś
podawane w karcie katalogowej odnoszÄ… siÄ™ do tzw. symetrii cewki przebiega przez oÅ› symetrii obiektu
obiektów standardowych. Oznacza to obiekty o określonym prostopadłą do jego powierzchni. Ruch odbywa się do/od
kształcie, wymiarze i wykonane z określonego materiału sensora (rys. 11). Na dystans detekcji bardzo duży wpływ
(w przypadku czujnika standardowego jest to żelazo), mają konduktywność i grubość wykrywanego materiału.
używane jako standardowe do pomiarów parametrów Materiały o wysokiej konduktywności są słabo wykrywane
sensora. Jest to bardzo ważny termin, ponieważ zasięg przez standardowe wykonania sensorów. Również im
detekcji będzie się różnił w zależności od właściwości grubszy materiał, tym trudniej go wykryć. Oba wymienione
obiektu. Typowo dla określenia parametrów standardowych czynniki wpływają na prądy wirowe generowane przez
sensorów indukcyjnych używana jest stalowa płytka zmienne pole sensora. Dobrze przewodzący materiał
o grubości 1 mm, o wymiarach odpowiadających rozprasza prądy. Niewielka grubość obiektu powoduje, że
wymiarom czoła sensora (średnicy w przypadku sensora prądy nie mają możliwości rozpływania się i dzięki temu
cylindrycznego). możliwa jest detekcja z większych dystansów.
Dystans zwolnienia. Dystans, przy którym obwody
detekcji sensora stwierdzajÄ… brak obiektu w polu detekcji
i zwalniają styki. Zasięgi zadziałania i zwolnienia są różne.
Różnica pomiędzy tymi odległościami nazywana jest
dystansem różnicowym lub histerezą czujnika. Typowo jest
Obiekt standardowy
to 3& 10% zasięgu detekcji. Dystans różnicowy jest
wprowadzany przez producenta celowo tak, aby uniknąć
zjawiska drgania styków przy wibracjach obiektu. W
niektórych zastosowaniach czujniki indukcyjne muszą mieć
powtarzalny punkt wyzwalania z dokładnością do 0,001
mm. Aby osiągnąć tak dużą precyzję, obiekt wykrywany
musi być odsunięty od sensora poza odległość zwolnienia
po każdym wyzwoleniu sensora.
Czujnik indukcyjny
Dystans załączenia. Odległość pomiędzy czołem
sensora a obiektem standardowym , przy którym ten
Rys. 11. Sposób wyznaczenia podstawowych parametrów
aktywuje swoje wyjście nawet, jeśli dystans detekcji
czujnika indukcyjnego.
str. 10 z 12
Dystans
różnicowy
Dystans
detekcji
Dystans
zwolnienia
zmniejsza się ze względu na temperaturę lub wahania Czujnik nawet w wykonaniu ekranowanym, tj.
napięcia zasilającego sensor. Oczywiście, nie każda z ukierunkowanym w stronę czoła polem magnetycznym,
aplikacja ma luksus wykrywania standardowych obiektów nie powinien być wpuszczany w otwór w taki sposób, że
(lub zbliżonych do nich) opisanych w danych technicznych jego powierzchnia czołowa zagłębi się w nim (rys. 12b).
sensora. Dystans detekcji dla obiektów o nieregularnym Oczywiście w partykularnych przypadkach taki sensor
kształcie nie może być estymowany na podstawie danych zadziała, jednak ten sposób montażu znacznie ograniczy
producenta. Zamiast tego trzeba użyć obiektu testowego zasięg detekcji i czułość sensora.
i wykonać niezbędne pomiary. Rezultat będzie kombinacją
obiektu wykrywanego i właściwości sensora indukcyjnego
i może być obliczony z użyciem następującej formuły:
DZ = DD x DZ / SDD,
gdzie:
- DZ  nowy dystans załączenia,
- DD  dystans detekcji zmierzony podczas testów,
- DZ  dystans załączenia dla obiektów standardowych,
- SDD  dystans detekcji dla obiektów standardowych.
Czujnik
Wpływ montażu sensora na dystans detekcji
Indukcyjny
ekranowany
Czujnik
NIE!
Indukcyjny
Istotnym, lecz jakże często lekceważonym, jest sposób
TAK ekranowany
montażu czujnika. Jest on bardzo ważnym z punktu
widzenia aplikacji, ponieważ może się zdarzyć, ze dystans
b) z
le
a) prawidłowo
detekcji zostanie zredukowany przez elementy
Rys. 12. Sposób montażu czujnika indukcyjnego
mechaniczne lub inne przeszkody na drodze pomiędzy
ekranowanego.
obiektem o powierzchniÄ… aktywnÄ… sensora. MogÄ… one
także prowadzić do błędów w funkcjonowaniu czujnika.
Jeśli czujnik wykonany jest w wersji nieekranowanej, to
Czujnik może być zamocowany w metalowym uchwycie
wokoło niego należy pozostawić wolny obszar (rys. 13)
w taki sposób, że aktywna powierzchnia detekcji jest
o średnicy co najmniej potrojonego dystansu detekcji.
wyrównana z powierzchnią montażu (rys. 12a). Taki
Sensor nieekranowany nie może być całkowicie schowany
sposób zamocowania chroni czujnik przed przypadkowymi
w otworze tak, jak jego odpowiednik w obudowie
uszkodzeniami mechanicznymi. Należy pozostawić
ekranowanej, ponieważ ze względu na powiększony
 czystą przestrzeń przed czołem czujnika w odległości
dystans detekcji jest on bardzo podatny na wpływ
potrojonego dystansu detekcji. Zniweluje to wpływ
otaczajÄ…cych metali. Nieprzestrzeganie tego zalecenia
konstrukcji na czujnik i zabezpieczy system przed
może prowadzić do błędów zadziałania lub zredukować
przypadkowymi załączeniami lub ograniczeniem czułości.
dystans detekcji.
str. 11 z 12
detekcji
3
x zasięg
Gdy wiele sensorów indukcyjnych montowanych jest Niektórzy producenci oferują alternatywne rodzaje
blisko siebie, to poprzez sprzężenia magnetyczne mogą czujników wyposażonych w różne oscylatory. Dzięki temu
one na siebie wzajemnie oddziaływać. Problemy zapobiegają sprzężeniu indukcyjnemu. Inną z technik
powodowane przez interferencje ze względu na swój unikania sprzężeń jest multipleksowanie czujników. Ich
nieregularny charakter mogą być trudne do diagnozy przełączanie bywa rozwiązaniem problemu, o ile tylko
i usunięcia. Najczęściej, gdy czujniki zainstalowane są w aplikacji można sobie pozwolić na opóz
niony czas
blisko siebie, w odległości mniejszej od podawanej zadziałania sensora.
w specyfikacji, to objawiajÄ… siÄ™ w postaci przypadkowych,
incydentalnych błędów detekcji lub drgania napięcia Podsumowanie
wyjściowego (lub styków). Bezpieczna odległość instalacji W artykule omówiono tylko podstawowe typy czujników
czujników może być różna zależnie od typu czujnika i jego nie uwzględniając ich  mutacji . Nie omawiano również
producenta. Z oczywistych względów fizycznych, znacznie rzadko stosowanych detektorów obecności, jak na przykład
mniej podatne na wpływ są czujniki miniaturowe i te wykorzystujące promieniowanie jonizujące. Postęp
ekranowane. Z drugiej strony są one również z
ródłem w dziedzinie sensorów jest znaczny, jednak nie należy
znacznie mniejszych interferencji. spodziewać się, że nastąpią jakieś błyskawiczne,
rewolucyjne zmiany, które spowodują, iż sensory
zbliżeniowe trafią do lamusa. Nadal pomimo wprowadzenia
na rynek zaawansowanych technik przetwarzania obrazu
3 x D i ogromnych zalet tychże, stosowane będą te najprostsze,
elementarne wręcz czujniki. Przyczyny są prozaiczne: po
D
pierwsze niska cena a po drugie powszechne zrozumienie
zasad użycia sensora. Oferta rynkowa jest wręcz
przeogromna i naprawdę jest w czym wybierać. Wejście
niejako w głąb konstrukcji i zrozumienie pryncypiów
funkcjonowania sensora jest kluczem do dokonywania
właściwych wyborów i ustrzeżenia się przed błędami
w aplikacjach.
Czujnik
indukcyjny
Jacek Bogusz
nieekranowany
[e-mail]
TAK
Rys. 13. Sposób montażu sensora nieekranowanego.
str. 12 z 12
detekcji
3
x zasięg
detekcji
2
x zasięg