1. Czujniki zbliżeniowe:

Czujniki zbliżeniowe są jednym z najczęściej wykorzystywanych czujników w automatyce.

Podstawowym ich zadaniem jest wykrywanie obecności obiektu bez fizycznego kontaktu z jego powierzchnią. Czujniki zbliżeniowe mają olbrzymią ilośd zastosowao w systmach zabezpiczeo budynków, na halach produkcyjnych w urządzeniach montujących, pakujących, obrabiających w automatycznych systemach oświetlenia, obrabiarkach metali.

Zasada działania czujnika zbliżeniowego:

Ogólna zasada działania czujnika zbliżeniowego mówi, że jest to przyrząd, który reaguje na zbliżenie się obiektu w momencie gdy odleglośd (zależna od konstrukcji i technologii wykonania).

Odległośc ta może wynosid od 0,1 do kilkunastu cm. Na wyjściu mają sygnal binarny, przyjmujący ddwie wartości zero lub jeden. Zmiana tych stanów następuje w momencie reakcji na zbliżający się obiekt. Funkcją czujnika zbliżeniowego jest więc nie określenie odległości a jedynie pojawienia się jakiegoś obiektu w istotnym miejscu będącym w granicach działania czujnika.

Z powodu braku kontaktu z elementem wykrywanym czujniki takie wypierają stosowane przez długi czas mechaniczne czujniki stykowe, które wykrywały obiekt poprzez kontakt dotykowy.

Olbrzymią zaletą takich czujników jest to, że nie mamy do czynienia ze zjawiskiem „zmeczenia materiału”, elementy z których zbudowany jest czujnik praktycznie nie zużywają sie na drodze uderzeo, tard czy innych mechanicznych czynników.

Zalety czujników zbliżeniowych:

 Bezkontaktowe działanie

 Duża częstotliwośd przełączenia

 Mała wrażliwośd na wibracje

 Odpornośc na niekorzystne czynniki atmosferyczne wodę, zapylenie, wilgod

 Możliwośd regulacji strefy detekcji, eliminuje to koniecznośd mechanicznego mocowania pozycji czujnika

Podział czujników w zależności od konstrukcji i metody działania wyróżnia się:

 indukcyjne – działają na zasadzie indukowania pola magnetycznego między czujnikiem a obiektem badanym i wykrywaniem zmian tego pola

 pojemnościowe – działają na zasadzie wykrywania zmian pojemności między czujnikiem a obiektem badanym

 magnetyczne – wykrywają obecnośd pola magentycznego

 fotoelektryczne – działają na zasadzie generowania wiązki światła i jej odbierania po odbiciu od badanego obiektu

Czujniki zbliżeniowe indukcyjne są najczęściej stosowanymi czujnikami wśród czujników zbliżeniowych. Stosuję się je najczęściej tak gdzie potrzebne jest wykrycie obecności elementów metalowych w niewielkiej odległości od czujnika. Czujniki te są odporne na trudne warunki jak wysoka temperatura czy ciśnienie. Są produkowane także czujniki odporne na agresywne chemicznie substancje posiadające poszerzony zakres temperatur pracy.

Budowa i zasada działania czujnika zbliżeniowego:

Czujnik zbliżeniowy indukcyjny składa się z czterech podstawowych komponentów:

 Cewki

 Oscylatora

 Obwodów detekcji

 Obwodów wyjściowych

Oscylator generuję prąd przemienny, który przepływając przez cewkę umieszczoną wewnątrz jego obudowy wywołuje zmienne pole magnetyczne. Gdy obiekt metalowy przesuwa się wewnątrz tego pola, generowane są w nim prądy wirowe. Prądy te oddziaływują z kolei na zmianę parametrów drgao oscylatora, zmieniejszając amplitudę lub częstotliwośd jego drgao. Zmiana ta jest rozpoznawana przez demodulator i po przekroczeniu pewnego progu aktywowane są obwody weyjściowe. Jeżeli czujnik ma wyjście cyfrowe sygnal jest ksztaltowany przez przerzutnik oraz człon sterujący. Czujnik posiada zazwyczaj pewną histerezę, która zapobiega szybkim zmianom stanu wyjścia w przypadku pojawienia sie obiektu na granicy wykrywalności przez czujnik.

Sa - robocza strefa działania Sn - nominalna strefa działania Sr - rzeczywista strefa działania 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn robocza strefa działania Sa < 0,8 Sn

Podstawowe parametry czujnika indukcyjnego:
Podstawowe parametry czujników indukcyjnych podawanych w notach katalogowych dotcyzny obiektów o określonym kształcie i materiale.

 Dystans detekcji – dystans przy którym następuje wykrycie obiektu i załączenie wyjścia czujnika

 Dystans zwolnienia – dystans, przy którym obwody detekcji czujnika stwierdzają brak obiektu w polu detekcji i nastąpi wyłączenie wyjścia czujnika

Różnica pomiędzy dystansem detekcji, a zwolnieniem nazywa się histerezą czujnika. Standardowo jest to 3...10%. Histereza zapobiega zbyt szybkim przełączaniom wyjśd czujnika przy wibracjach obiektu.
Sygnały wyjsciowe:

Czujniki indukcyjne z wyjściem dwustanowym:

Bezpotencjałowy – obwód stanowi styk przełączany gdy czujnik zostaje zainicjowany

 PNP – czujnik zainicjowany wystawia na wyjściu stan wysoki bliski jego napięciu

 NPN – czujnik zainicjowany wystawia na wyjściu stan niski 0 V



Czujniki indukcyjne z wyjściem analogowym:

 0;4-20 mA – czujnik zainicjowany wystawia na wyjściu sygnał w zakresie 0-20 mA lub 4-20 mA w zależności od odległości inicjatora od czujnika

 0-10 Vczujnik zainicjowany wystawia na wyjściu sygnał w zakresie 0-10 V w zależności od odległości inicjatora od czujnika.

Podział czujników indukcyjnych:

W zależności od modelu, czujniki indukcyjne posiadają różne obwody wyjściowe zapewniające różne sygnały użyteczne, różne kierunki detekcji obiektów lub charakterystyczną budowe.
Kierunki detekcji obiektów (czujniki ekrenowane i nieekranowane):

Czujnik indukcyjny nieekranowany nie posiada ekranu wokół cewki przez co ma większy zasięg od wersji ekranowanej. Generowane pole przez taki czujnik rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach. Powoduje to detekcje obiektow metalowych, które nie znajdują się bezpośrednio w czole działania cewki czujnika. W przypadku czujnika ekranowanego pole magnetyczne jest kierowane wyłącznie w kierunku czoła sensora. Czujnik taki wykrywa obiekty zbliżające się do niego nie tylko od jego czoła. Podsumowując, zaletą czujnika nieekranowanego jest większy dystans i pole detekcji, okupione jednak kosztem większej wrażliwości na zakłócenia oraz bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi jego montażu.

Wpływ rodzaju i kształtu metalu na czułośd:

Czułośd czujnika indukcyjnego podawana jest w kartach katalogowych zazwyczaj dla obiektów wykonywanych z żelaza. Inne metale takie jak stal nierdzewna, aluminium, mosiądz czy miedź mogą inaczej oddziaływad na czujnik. Zazwyczaj dystans dtekcji dla tych metali jest mniejszy niż dla żelaza.
Na dystans detekcji bardzo duży wpływ ma także przewodnośd oraz grubośd wykrywanego materiału. Materiały o dużej konduktywności są gorzej wykrywane przez czujniki. Także grubszy materiał powoduje gorszą wykrywalnośd. Wymienione czynniki wpływają bowiem na prądy wirowe generowane przez prądy sensora – im lepsza przewodnośd materiału i większa jego grubośd tym mocniej rozpraszane są prądy wirowe i mniejszy jest dystans detekcji.

Producenci oferują również czujniki specjalne, które pozwalają wykrywad większośd metali w tej samej odległości niezależnie od wielkości obiektu. Są jednak droższe od zwyczajnych czujników.

Wpływ środowiska na pracę czujnika – zakłócenia

Środowisko pracy może wpływad na działanie czujnika. Przykładowo zmiana temperatury powoduje zazwyczaj zmianę zasięgu detekcji. Kolejnym problemem, który może zakłócid pracę czujnika są odpady produkcyjne. Metalowy pył lub wióry mogą gromadzid się na powierzchni czujnika lub blisko niego i wpływad na zmianę zasięgu detekcji lub nawet doprowadzid do załączenia sensora na stałe. Zaawansowane sensory posiadają obwody detekcji takich stanów i odpowiednio zmieniają poziom czułości.

Montaż czujnika indukcyjnego:

Ważnym czynnikiem wpływającym na pracę czujnika indukcyjnego jest jego poprawny montaż. Czujnik w obudowie cylindrycznej z gwintem jest najczęściej montowany w metalowym uchwycie lub elemencie nośnym urządzenia.

Czujnik ekranowany powinien byd montowany tak by czoło czujnika było zrównane z powierzchnią montażową chroni to przed mechanicznymi uszkodzeniami.

Czujnik natomiast nie powinien byd wpuszczony w otwór tak, że czoło czujnika będzie zagłębione. Taki montaż ogranicza zasięg lub nawet powoduję błędne działanie czujnika. By pracował on poprawnie należy zostawid wolny obszar o średnicy co najmniej potrójnego dystansu detekcji.

Czujniki zbliżeniowe pojemnościowe:

Czujniki zbliżeniowe pojemnościowe pozwalają na wykrywanie obiektów metalicznych jak niemetalicznych. Zgodnie z wcześniej przedstawioną tabelką wiadomo, że prócz metali wykrywają także tworzywa sztuczne i inne ropopochodne oraz ciecze. Możliwośd detekcji obiektów z tworzyw sztucznych jest głównym atutem tych czujników.

Budowa i zasada działania czujnika zbliżeniowego pojemnościowego:

Czujniki te mierzą zmianę pojemności między czołem czujnika a obiektem badanym. Układ czoło czujnika tworzy – obiekt tworzy kondensator, którego pojemnośd zależy przede wszystkim od odległości pomiędzy jego okładzinami. Kondensator ten jest elementem wpływającym na częstotliwośd wbudowanego w czujnik oscylatora. Gdy pojawia się obiekt przed czujnikiem, pojemnośd kondensatora wzrasta przez co włącza się lub zmienia częstotliwośd oscylatora. Zmiany tej częstotliwości są wykrywane przez obwody detekcji i załączają wyjście czujnika. Ponieważ pojemnośd kondensatora jest wielkości rzędu pF to częstotliwośd przełączania wynosi od kilku do kilkudziesięciu części Hz.
Element aktywny czujnika pojemnościowego składa się z dwóch usytuowanych koncentrycznie elektrod metalicznych A i B. Elektrody są sprzężone z oscylatorem o wysokiej frekwencji. Jeżeli nie ma obiektu celowego pojemnośd pojemnośd czujnika jest niska, dlatego amplituda drgao oscylatora jest mała.

Obiekt zbliżając się do elementu aktywnego czujnika wchodzi w obręd jego pola elektrycznego. Powoduję to wzrost pojemności sprzężenia pomiędzy elektrodami A i B w wyniku czego oscylator zaczyna drgad. Amplituda drgao jest analizowana przez obwód detekcyjny, który generuje sygnał przęłączający.
Wpływ materiału na czułośd detekcji czujnika pojemnościowego:

Czujniki pojemnościowe są uruchamiane pod wpływem będących przewodnikami lub izolatorami.

Obwody wykonane z materiałów przewodzących tworzą elektrodę przeciwną do aktywnego elementu czujnika. Generuje on wraz z elektrodami A i B dwie pojemności i które są połączone szeregowo.

Pojemnośd połączenia szeregowego jest zawsze wyższa niż pojemnośd odkrytej elektrody A i B. Metale są bardzo dobrymi przewodnikami dlatego też wytwarzają najwyższy zakres przełączania. Współczynnik korekcji który należy uwzględnid dla różnych metali przy użyciu czujników indukcyjnych w przypadku czujników pojemnościowych nie są uwzględniane.

Dla obiektów wykonywanych z materiałów nie będących przewodnikami a izolatorami wzrost pojemności jest proporcjonalny do stałej stałej dielektrycznej izolatora umieszczonego pomiędzy elektrodami kondensatora. Stała dielektryczna materiałów płynnych lub stałych jest zawsze wyższa niż wartośd dla powietrza. Elementy wykonane z izlolatorów wpływają w ten sam sposób na element aktywny czujnika indukcyjnego, pojemnośc sprzężenia zwiększa się. Materiały cechujące się dużą stała dielektryczną osiągają duży zakres przełączenia. Przy wykrywaniu materiałów organicznych trzeba pamiętad że osiągniety zakres przełączenia zależy w dużym stopniu od zawartości wody w badanym obiekcie.
Czujniki pojemnościowe są zazwyczaj wyposażone we wbudowany potencjometr, który umożliwia ustalenie czułości co przekłada się na dystans detekcji. Zakres detekcji czujnika jest także związany z jego wymiarami oraz właściwościami materiału podlegającemu detekcji. Różne materiały w odmienny sposób wpływają na utworzoną pojemnośd.
Wpływ czynników środowiskowych:

Podstawową wadą czujników pojemnościowych jest wrażliwośd na właściwości dielektryka – czyli otoczenia (wilgotnośd powietrza, zabrudzenia, kurz, ziemia itd. )

Wpływ temperatury:

Czujniki pojemnościowe mogą byd stosowane w przedziale temperaturowym od -25 do 70 °C.

Dryft temperaturowy czujników pojemnościowych jest trochę wyższy niż w przypadku czujników indukcyjnych.

Uziemienie:

Występuje niewielki wzrost odległości przełączenia gdy obiekty celowe wykonane są z przewodników i mają połączenie z potencjałem ziemi (<2.0 x s). Wpływ ten zawsze może byd regulowany potencjometrem.

Wpływ wilgotności:

W praktyce czujniki wystawione są na działanie wilgotności, pyłów itp. Czynniki te mogą spowodowad nieprawidłowe wskazania urządzenia. Każdy czujnik wyposażony jest w elektrodę pomocnicza C, która wytwarza w przełączniku sprzężenie kompensujące sygnały zakłócające. W szczególnych przypadkach kompensacja zakłóceo spowodowanych wilgotnością może wpłynąd
negatywnie na pracę czujnika. Urządzenie może np. wykryd pojedynczą kartkę papieru w pewnej odległości. Jeżeli natomiast ta sama kartka zostanie przyłożona do powierzchni aktywnej wtedy zaczyna działad kompensacja zakłóceo, oznacza to że „niski sygnał” odbierany jest jako zakłócenie, które jest neutralizowane przez urządzenie.

Montaż czujników pojemnościowych:

Większośd czujników pojemnościowych wyposażona jest w wewnętrzną osłonę metalową, dzięki niej pola elektryczne działają jedynie na powierzchnię aktywną. Dlatego też czujniki te można montowad w materiałach z przewodników jak i izolatorach. Jeżeli czujnik jest zamontowany powierzchniowo to ma to jedynie niewielki wpływ na zmianę dystansu przełączenia, korekty można dokonad za pomocą potencjometru. Przy montażu niepowierzchniowym dopuszczalny dystans przełączania jest o 50% wyższy niż przy montażu powierzchniowym.

Zastosowanie czujników powierzchniowych:

Czujniki pojemnościowe stosowane są najczęściej do pomiaru cieczy w zbiornikach, wykrywania poziomów materiałów ziarnistych i proszkowych, elementów z tworzyw sztucznych, szkła, drewna i metalu.

Czujniki zbliżeniowe optyczne:

Czujniki optyczne lub fotoelektryczne są najczęściej produkowane jako urządzenia składające się z odbiornika połączonego z nadajnikiem emitującym światło. Stosuje się także rozwiązania złożone z oddzielnego nadajnika (źródło światła) i odbiornika – tzw. Bariery świeltne.

Budowa zbliżeniowego czujnika optycznego:

Źródłem światła we współczesnych czujnikach fotoelektrycznych są diody LED pracujące w podczerwieni lub diody laserowe. Odbiornikiem jest Natomiast fotoelement, fototranzystor, fotodioda lub dedykowany układ fotoczuły ze wzmacniaczem. Światło zamieniane jest przez odbiornik na impulsy elektryczne i trafiając do odbiornika porównywane jest przez komparator, który decyduję o tym czy układ jest załączony czy nie.

Źródłem światła we współczesnych czujnikach fotoelektrycznych są diody LED pracujące w podczerwieni lub diody laserowe. Odbiornikiem jest natomiast fotoelement fototranzystor, fotodioda lub dedykowany układ fotoczuły ze wzmacniaczem. Światło zamieniane jest przez odbiornik na impulsy elektryczne i trafiając do odbiornika porównywane jest przez komparator, który decyduje o tym czy układ jest załączony czy nie.

Charakterystyczne parametry czujników optycznych:

Strefa czułości – jest to maksymalna odległośd od czoła czujnika karty pomiarowej zbliżanej wzdłuż osi wiązki świetlnej, przy której następuje przełączanie wyjściowego czujnika.