http://www.elektroinstalator.com.pl/artyk/2004-03/44_przeglad_czujnikow.htm

marzec 2004

Przegląd czujników stosowanych w automatyce (I)

Czujnik jest częścią układu pomiarowego reagującą na zmiany wybranej wielkości fizycznej lub rzadziej - kilku takich wielkości. Wielkość wejściowa czujnika jest zawsze związana z jedną z sześciu podstawowych form energii: mechanicznej, cieplnej, elektrycznej, magnetycznej, chemicznej lub promieniowania.

Klasyfikacja na wiele sposobów

Niektóre czujniki reagują bezpośrednio na mierzony rodzaj energii (np. czujniki temperatury na energię cieplną), ale większość stosowanych obecnie czujników generuje sygnał, który następnie jest przez nie same mierzony po zakłóceniu go przez obiekt (np. po odbiciu wiązki światła od obiektu). Takie czujniki reagują na wartości trzech wielkości: mierzonej, zasilania i zakłóceń. Właściwie wykonany czujnik powinien ograniczać do minimum wpływ dwu ostatnich wartości na wytwarzany sygnał wyjściowy czujnika. Dlatego dzisiejsze czujniki w większości same przetwarzają sygnał pomiarowy. Mimo to najczęściej są one wszystkie ogólnie nazwane czujnikami (sensor), a tylko pewne specyficzne ich rodzaje bywają nazwane przetwornikami (transducer). Czujniki zintegrowane z miniaturowymi przetwornikami mikroprocesorowymi i realizujące różne dodatkowe funkcje są przez niektórych producentów nazywane czujnikami inteligentnymi (smart sensor) przez analogię do np. inteligentnych maszyn (robotów), inteligentnych pojazdów czy inteligentnych budynków.

Tak prezentuje swoją ofertę czujników firma OMRON

Czujniki można klasyfikować wg różnych kryteriów. Do najważniejszych należą: zasada działania (rodzaj wykorzystywanego zjawiska fizycznego) oraz przeznaczenia (dziedzina zastosowania lub obiekt detekcji). W obu kategoriach podziału szczegółowa lista rodzajów czujników może być bardzo długa.
W tej części artykułu omówimy zbliżeniowe czujniki indukcyjne, pojemnościowe oraz ultradźwiękowe. W następnych częściach poświęcimy uwagę innym rodzajom sensorów.

Czujniki zbliżeniowe

Dążenie do obniżania kosztów wytwarzania i polepszania jakości wyrobów wymusza na producentach ciągłe zwiększanie zakresu zautomatyzowania produkcji. Z kolei wysoki poziom automatyzacji w przemyśle wiąże się m.in. ze stosowaniem bezdotykowych metod kontroli obecności obiektów na liniach technologicznych, w gniazdach produkcyjnych, czy na pozycjach obróbczych. Metody te mają przewagę nad innymi jako tańsze w eksploatacji, wygodniejsze w instalacji i w dużej mierze bezobsługowe. Dlatego od wielu już lat są one stosowane z tak dużym powodzeniem w automatyce i robotyce przemysłowej.
Szczególnie ważne miejsce wśród metod detekcji zajmują bezdotykowe metody kontroli obecności obiektów, a bodaj najłatwiej rozpoznawalną grupę czujników stosowanych w bezdotykowych metodach kontroli stanowią czujniki zbliżeniowe. Najczęściej czujniki tego rodzaju są stosowane w układach bezdotykowej kontroli obecności niemal dowolnego rodzaju obiektów zarówno na zautomatyzowanych liniach produkcyjnych, jak i w urządzeniach codziennego użytku. Katalogi producentów dostarczają niezliczonych przykładów zastosowań czujników w automatyce. Na przykład, w oddzielnej ramce podajemy za firmą OMRON wybrane działy automatyki i przypadki, w których do kontroli obecności obiektów stosuje się czujniki tego producenta.
Do typowych czujników zbliżeniowych, w których dopiero zbliżenie obiektu powoduje generowanie sygnału, zalicza się czujniki indukcyjne i pojemnościowe. Czujniki ultradźwiękowe i optoelektroniczne, ze względu na rodzaj pełnionych przez nie funkcji w systemach wytwarzania seryjnego, coraz częściej są również zaliczane do czujników zbliżeniowych. Oczywiście zaskakująco może brzmieć nazywanie odbiciowego czujnika optoelektronicznego o zasięgu 50 m czujnikiem zbliżeniowym.

Czujniki indukcyjne

Czujniki indukcyjne zaczęły zastępować czujniki mechaniczne ok. 1969 r. Są one wykorzystywane do wykrywania obecności przedmiotów zawierających materiał ferromagnetyczny i poruszających się w obszarze bezpośrednio przed czołem czujnika. Czujnik taki ma cewkę zasilaną z oscylatora, wytwarzającą przed jego czołem zmienne pole magnetyczne wielkiej częstotliwości. W metalowych przedmiotach poruszających się w tym polu powstają prądy wirowe. Powoduje to straty, które są wykrywane przez układ zasilający cewkę. Układ elektroniczny czujnika na podstawie wielkości strat określa odległość przedmiotu od cewki i generuje sygnał wyjściowy czujnika, najczęściej dwustanowy: obiekt jest w zasięgu pola lub go nie ma; rzadziej analogowy - odwrotnie proporcjonalny do odległości obiektu od czujnika. Zasięg działania czujników indukcyjnych zależy od wymiarów cewki, a więc i całego czujnika, najczęściej wynosi od 30 do 60 mm. Z kolei ze wzrostem średnicy cewki zwiększa się maksymalne obciążenie prądowe, lecz maleje maksymalna częstotliwość pracy czujnika. Aby umożliwić ich optymalne zamocowanie w miejscu pomiaru, czujniki indukcyjne są produkowane w różnych obudowach zarówno cylindrycznych metalowych, jak i prostopadłościennych wykonanych z tworzyw sztucznych. Często mają sygnalizację obecności zasilania i sygnalizację zadziałania za pomocą diod elektroluminescencyjnych. Przy wyborze czujników indukcyjnych do konkretnego zastosowania należy więc rozpatrywać wszystkie ich cechy podawane w katalogach. W szczególności należy wybrać parametry (cechy) podane w tablicy, w której zamieszczono także przykładowe wartości parametrów trzech wersji czujników.

Przykład indukcyjnego czujnika o małej wysokości - producent firma BAUMER

Czujnik indukcyjny z funkcją uczenia się - producent firma BAUMER ę

Specjalnym rodzajem czujników indukcyjnych są opracowane przez firmę TURCK czujniki serii Uprox, w których zamiast cewki z rdzeniem ferrytowym zastosowano trzy cewki powietrzne. Dało to bardzo interesujące rezultaty. W niektórych przypadkach uzyskuje się częstotliwość przełączania 10 razy większą, niż w klasycznych rozwiązaniach, a zasięg działania jest często o 100% większy. Brak rdzenia ferrytowego powoduje, że są one odporne nawet na silne pola elektromagnetyczne prądu stałego i przemiennego. Ponadto czujniki te wykrywają wszystkie metale z jednakowym współczynnikiem korekcji, czyli zakres ich działania jest taki sam dla wszystkich metali. Eliminuje to konieczność dostrajania czułości czujników do współczynnika korekcji metalowych obiektów. Przy tym wszystkim czujniki te są tańsze ze względu na brak elementu ferromagnetycznego.
Firma BAUMER wprowadziła na rynek nową linię czujników indukcyjnych, nazwaną MegaLine, z układami elektronicznymi wykonywanymi w nowej technologii ASIC i flip-chip z wykorzystaniem optymalizacji montażu płytek drukowanych. Zaowocowało to zwiększeniem niezawodności i zmniejszeniem cen tych czujników.
Oprócz zastosowaniem czujników indukcyjnych jako typowych czujników zbliżeniowych, są one wykorzystywane do tworzenia elementów specjalnych, takich jak indukcyjne detektory prędkości i precyzyjne czujniki odległości. Przykładem mogą być czujniki typu IPRM, również firmy BAUMER. Ich zakres pomiarowy wynosi od 0 do 2 mm, a powtarzalność pomiaru 1 µm dla zakresu do 1 mm (w tym zakresie błąd nieliniowości charakterystyki jest mniejszy od ± 60 µm) i 5 µm dla zakresu do 2 mm. Mogą one być stosowane np. do pozycjonowania lub pomiarów wielkości obiektów oraz pomiaru wielkości bicia wałów.

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe stosuje się do wykrywania położenia obiektów z materiałów innych niż metale, a więc w przypadkach, gdy czujniki indukcyjne nie zadziałają. Czoło czujnika i obiekt stanowią okładki kondensatora, którego pojemność zmienia się w funkcji ich wzajemnej odległości. Czujnik zawiera oscylator wykorzystujący powstały po zbliżeniu się obiektu kondensator. Gdy ruchomy obiekt znajdzie się w strefie pomiaru czujnika, powstała wartość pojemności kondensatora powoduje uaktywnienie się oscylatora i czujnik zmienia swoje wskazanie.
Czujniki pojemnościowe reagują praktycznie na wszystkie materiały, z największa czułością reagują jednak na metale. Zdolność detekcji takich materiałów jak szkło, tworzywa sztuczne, drewno lub woda często jest decydującą przesłanką do zastosowania właśnie czujnika pojemnościowego. W porównaniu z czujnikami indukcyjnymi mają większą strefę działania. Stosując czujnik pojemnościowy należy pamiętać o zależności zasięgu działania czujnika od rodzaju materiału, z którego jest wykonany obiekt. Przykładowo firma BALLUFF dla oferowanych przez siebie czujników pojemnościowych proponuje skorygowanie strefy działania sn przez stosowanie współczynnika korekcyjnego, który dla szkła wynosi 0,5, dla drewna 0,2-0,7, dla PCW 0,6, dla oleju 0,1, a dla metali i wody jest równy 1, czyli korekcja nie jest wymagana.
Typowym przykładem zastosowania czujników pojemnościowych jest bezdotykowa detekcja zawartości opakowań, obecności płynu w butelkach lub wykrywanie i zliczanie elementów z przeźroczystych tworzyw sztucznych o nietypowej strukturze powierzchni.

Cztery przykłady zastosowania czujników indukcyjnych: sterowanie kolejnymi krokami procesu produkcyjnego (a), detekcja ruchu i pozycji obiektu (b), zliczanie i selekcja obiektów metalowych (c) i sterowanie procesem mechanicznym (d); rys. BAUMER
Czujnik pojemnościowy użyty do kontrolowania ilości żywicy epoksydowej przez plastikową ściankę pojemnika zapobiega przerwom w procesie klejenia przemysłowego spowodowanym brakiem kleju (fot. BAUMER)	Ultradźwiękowe przetworniki firmy BAUMER

Czujniki ultradźwiękowe

Czujniki ultradźwiękowe są stosowane w układach automatyki już od wielu lat. W dużym uproszczeniu działanie czujnika ultradźwiękowego opiera się na tej samej zasadzie co radar, czy raczej echosonda. Piezoelektryczny przetwornik czujnika ultradźwiękowego sterowany układem elektronicznym wysyła w czasie od 100 µs do 1 ms wiązkę ultradźwiękową o częstotliwości 40-400 kHz. Czujnik działa wówczas jako głośnik. Zaraz potem zostaje on wysterowany przez układ elektroniczny jako mikrofon. Jeżeli wyemitowana wiązka ultradźwiękowa spotyka na swojej drodze obiekt, odbija się od niego i powraca do czujnika. Układ elektroniczny analizuje odebrany sygnał i klasyfikuje go jako sygnał wykrywanego obiektu (lub nie). Mierząc czas, w którym wiązka przebywa drogę czujnik-obiekt-czujnik, można wyznaczyć odległość obiektu od czujnika.

Wybrane czujniki ultradźwiękowe oferowane przez firmę SICK	Ultradźwiękowy czujnik zbliżeniowy Sonar-Bero K08 oferowany przez koncern SIEMENS
Czujniki zbliżeniowe konieczne są np. do sterowania ruchami robota (fot. SCHMERSAL)	Indukcyjny czujnik odkształcenia ZX-E firmy OMRON zbudowany wg zasady plug&play (gotowy do użycia); do jednego wzmacniacza można dołączać różne głowice czujnikowe, a całe zyskał miano inteligentnego

Mimo swoich niezaprzeczalnych zalet, dzięki którym są one je niezastąpione przy pracy w środowiskach dużego zapylenia, stosowano je rzadko ze względu na ich wysoką cenę. Dopiero w ostatnich latach, dzięki postępowi technologicznemu w dziedzinie elektroniki, na rynku pojawiły się czujniki ultradźwiękowe o akceptowalnym poziomie cen. Czujniki stały się prostsze, zwarte konstrukcyjnie i niezawodne w działaniu. Kryją w sobie układy elektroniczne zawierające mikroprocesor precyzyjnie sterujący całym procesem generacji, detekcji i pomiaru. Czujniki ultradźwiękowe mogą być stosowane w bezdotykowych układach kontroli obecności zastępczo z czujnikami optoelektronicznymi i mają w porównaniu z nimi pewne zalety. Mogą pracować w środowiskach, w których wiązka światła mogłaby zostać zakłócona lub przerwana. Para, zapylenie, ekstremalne zanieczyszczenia powierzchni obiektu nie są w ich przypadku ograniczeniem. Kolor oraz struktura powierzchni obiektów nie mają praktycznie wpływu na proces detekcji.
Ostatnio czujniki ultradźwiękowe coraz częściej zastępują czujniki pojemnościowe i optoelektroniczne przy wykrywaniu obiektów na automatycznych liniach produkcyjnych, szczególnie gdy obiekty te są wykonane z nietypowych materiałów, takich jak np. przeźroczyste tworzywa sztuczne lub drewno. Jednocześnie czujniki ultradźwiękowe bardzo dobrze sprawdzają się przy pomiarach poziomu zapełnienia wszelkiego rodzaju zbiorników zarówno cieczami, jak i materiałami sypkimi.

W kolejnej części artykułu zostaną przedstawione czujniki optoelektroniczne, w tym enkodery, czujniki temperatury i przepływu oraz tzw. inteligentne czujniki różnych wielkości fizycznych.

Mgr inż. Dariusz Grabowski
Mgr inż. Tadeusz Goszczyński
PIAP

---