1 Rok studiów magisterskich zaocznych	LABORATORIUM MECHATRONIKI	Data wykonania ćwiczenia: 06.01.2009r.
Nr grupy lab. 3
Ćwiczenie wykonywali:	Autor sprawozdania:	Nr ćwiczenia: 1
		Temat ćwiczenia: Badanie indukcyjnych i pojemnościowych czujników zbliżeniowych

1. Wstęp teoretyczny

Bezstykowe czujniki zbliżeniowe, ze względu na ich fizyczny sposób działania, można ogólnie podzielić na dwie zasadnicze grupy (rys). Pierwsza z nich skupia czujniki zbliżeniowe ze zmianami pola, druga natomiast czujniki z przekazywaniem energii.

Czujniki indukcyjne, pojemnościowe lub optoelektroniczne charakteryzują się nieco odmiennymi obszarami zastosowań. Przykładowo do nadzorowania funkcji maszyn i urządzeń, w kontroli procesów wytwarzania oraz monitorowania zespołów ruchomych najczęściej stosowane są indukcyjne i pojemnościowe czujniki zbliżeniowe. Jednak ze względu na różnice w fizycznych podstawach ich działania mają one różne własności. Cechą wspólną obu tych rodzajów czujników jest praca z zastosowaniem wysokoczęstotliwościowego obwodu drgającego.

W indukcyjnych czujnikach zbliżeniowych 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. Jeżeli tłumienie to przekroczy określoną wartość progową, na wyjście układu podawany jest sygnał przełączający. Oznacza to, że czujniki indukcyjne reagują wyłącznie na metale i grafit.

Tymczasem 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. Tego typu czujniki reagują także na pojawienie się substancji płynnych, a nie tylko na ciała stałe. Jeżeli poziom sygnału w obwodzie oscylatora przekroczy określoną wartość progową, to następuje zmiana sygnału wyjściowego czujnika. Dzięki temu czujniki zbliżeniowe szczególnie dobrze nadają się na źródła sygnałów w różnego rodzaju układach cyfrowych. Są wygodne w stosowaniu w połączeniu ze sterownikami PLC i wielu prostych jak i złożonych aplikacjach.

Zasada działania indukcyjnego czujnika zbliżeniowego

Czujniki tego typu reagują na materiały przewodzące prąd elektryczny. Ich producenci dostarczają czujniki wraz z danymi na temat znamionowej odległości detekcji sn, która odnosi się do płytki o grubości 1mm wykonanej ze stali FE 360 (St 37) (rys). Uzyskiwane maksymalne odległości załączania w takich czujnikach wynoszą od s_max=1mm do s_max=60mm, a w specjalnych typach nawet s_max=100mm. Maksymalna częstotliwość przełączania wynosi natomiast zwykle 5kHz.

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe pracują w sposób bezstykowy, tzn. że sondowany obiekt musi tylko znaleźć się w polu działania czujnika. Odległość, z jakiej czujnik jest w stanie wykryć obiekt, jest określana jako odległość detekcji. Jej wartość zależy od rodzaju i kształtu budowy oraz wielkości czujnika, a także specyficznych własności konkretnego egzemplarza, warunków zewnętrznych oraz kształtu i własności materiałowych obiektów współpracujących z czujnikiem.

Budowa czujników indukcyjnych

Na rys. pokazano ogólny schemat blokowy indukcyjnego czujnika zbliżeniowego. Istotną częścią elementu jest cewka z rdzeniem ferrytowym, które wraz z kondensatorem tworzą obwód drgający, czyli oscylator. Wskutek pracy oscylatora przed cewką czujnika powstaje pole magnetyczne. Jeżeli w tym polu znajdzie się przedmiot przewodzący prąd elektryczny, to w materiale tego przedmiotu indukowane są prądy wirowe. Ponieważ potrzebna do tego energia jest pobierana z obwodu drgającego, to występuje tłumienie generowanych w nim drgań i tym samym spada pobór prądu przez oscylator. Następnie dyskryminator w zależności od ustawienia czujnika powoduje przełączenie sygnału na wyjściu.

Na rys. pokazano budowę indukcyjnego czujnika zbliżeniowego. Dzięki indukcyjności uzyskiwanej z cewki i płaskiego rdzenia możliwe jest wytworzenie koncentrycznego pola elektromagnetycznego przed czynną powierzchnią inicjatora. Powoduje to, że takie sensory można w sposób zwarty wbudować także w metale. Odległość detekcji s_n jest w przybliżeniu proporcjonalna do średnicy wytwarzanego pola magnetycznego i dlatego też jest ona bezpośrednio związana z wielkością czujnika.

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe

Alternatywą dla indukcyjnych czujników zbliżeniowych są sensory pojemnościowe, które pozwalają na detekcję obiektów przewodzących i nie przewodzących prąd elektryczny. Jednakże dla metali, ze względu na wysoką przewodność elektryczną, uzyskuje się większe wartości odległości detekcji. Nie stosuje się jednak żadnych współczynników korekcyjnych dla poszczególnych grup metali.

Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe mają zazwyczaj małe wartości odległości detekcji. Ponadto przedmioty o bardzo małej gęstości i niewielkich wartościach stałych dielektrycznych, takie jak np. styropian i materiały spienione mogą zupełnie nie być wykrywane przez sensory pojemnościowe. Natomiast w materiałach przewodzących prąd elektryczny, w wyniku działania zewnętrznego pola elektrycznego, występuje przesunięcie ładunków elektrycznych, czyli tzw. influencja, wskutek czego zwiększa się pojemność całego układu. Przy zastosowaniu równoczesnego uziemienia elementu pobudzającego czujnik uzyskuje się wtedy wzmocnienie sygnału i odległość detekcji znacznie rośnie.

Własności obu typów omawianych dotąd sensorów zbliżeniowych można opisać za pomocą charakterystyk reakcji i granicznej częstotliwości przełączania. Jednak inicjatory pojemnościowe są znacznie bardziej podatne na zakłócenia, takich jak np. kurz i wilgotność powietrza. Ze względu na wymaganą niezawodność pracy należy zawsze dopasować odległość detekcji do indywidualnych warunków, w jakich znajduje się zastosowany czujnik pojemnościowy.

Schemat pojemnościowego czujnika zbliżeniowego

2. Spis przyrządów wykorzystywanych w ćwiczeniu (nazwa i numer inwentarzowy /fabryczny).
   - czujnik indukcyjny TYP TS18-05N-1

- czujnik pojemnościowy TYP PCPD-15ZP

3. Schematy (ideowe, blokowe) badanych układów.
   
   

4. Tabele pomiarowe

Czujnik pojemnościowy

Materiał badany	Odległość od czujnika	reakcja / brak reakcji czujnika
Miedź	12 mm	reakcja
Tekstolit	4 mm	reakcja
Pyli propylen	12 mm	reakcja
Aluminium	10 mm	reakcja
Stal	14 mm	reakcja

Zasilanie 19,87[V]

Czujnik indukcyjny

Materiał badany	Odległość od czujnika	reakcja / brak reakcji czujnika
Miedź	3 mm	reakcja
Tekstolit		brak reakcji
Pyli propylen		brak reakcji
Aluminium	3 mm	reakcja
Stal	5 mm	reakcja

Zasilanie 19,87[V]

W chwili, gdy przedmiot znajdzie się w obszarze pracy czujnika (przedmiot zostanie zauważony) to na czujniku zapali się kontrolka (reakcja).

5. Wnioski (wynikające z przeprowadzonego doświadczenia).

Czujnik pojemnościowy reaguje na wszystkie materiały zbliżane do niego, natomiast czujnik indukcyjny tylko na metale i stale. Odległość w jakiej czujnik zareaguje jest różna i zależy od rodzaju materiału zbliżanego do czujnika.

Sygnał na wyjściu czujnika otrzymujemy w postaci drgań na oscyloskopie oraz zapalenia się lampki na czujniku.

Badane czujniki mają określoną maksymalną częstotliwość pracy. Każdy producent podaje je

w kartach katalogowych załączonych do czujników. Dla badanego czujnika indukcyjnego maksymalna częstotliwość pracy wynosi 1,5kHz.

---