Какие еще технологии используются в датчиках приближения?

I. Введение в технологии датчиков приближения

Датчики приближения это важные устройства, используемые для обнаружения присутствия или отсутствия объекта в определенном диапазоне без физического контакта. Они работают, излучая различные формы энергии - электромагнитные поля, звуковые волны или свет - и измеряя реакцию, когда объект приближается к датчику. Разнообразие технологий датчиков приближения позволяет применять их во многих областях, включая промышленную автоматизацию, робототехнику, автомобильные системы и бытовую электронику.

II. Емкостные датчики приближения

Ключевые особенности емкостных датчиков приближения

Емкостные датчики приближения - это универсальные устройства, которые определяют присутствие объектов без физического контакта. Вот их ключевые особенности:

• Диапазон обнаружения: Как правило, емкостные датчики могут обнаруживать объекты в диапазоне от нескольких миллиметров до 1 дюйма (25 мм), а некоторые модели - до 2 дюймов.
• Чувствительность к материалам: Эти датчики могут обнаруживать как металлические, так и неметаллические материалы, включая жидкости, пластик и стекло, благодаря своей способности ощущать изменения емкости в зависимости от диэлектрической проницаемости целевого материала.
• Бесконтактный режим работы: Они работают без физического контакта, что уменьшает износ и продлевает срок службы датчика.
• Регулируемая чувствительность: Многие емкостные датчики оснащены потенциометром для регулировки чувствительности, что позволяет пользователям точно настраивать параметры обнаружения для конкретных приложений.
• Светодиодные индикаторы: Большинство моделей оснащены светодиодными индикаторами для визуального подтверждения рабочего состояния датчика.

Принцип работы

Емкостные датчики приближения работают по принципу изменения емкости, вызванного находящимися рядом объектами. Вот как они работают:

1. Конструкция: Датчик состоит из двух металлических электродов, образующих конденсатор. Один электрод подключен к цепи осциллятора, а другой выполняет роль опорной пластины.
2. Изменение емкости: Когда объект приближается к датчику, он попадает в электрическое поле, созданное между электродами. Его присутствие изменяет диэлектрическую проницаемость между пластинами, что, в свою очередь, изменяет емкость системы.
3. Обнаружение колебаний: Схема осциллятора обнаруживает изменения емкости. При приближении объекта емкость увеличивается, что приводит к изменению частоты колебаний контура. Этот сдвиг частоты отслеживается усилителем и преобразуется в двоичный выходной сигнал, указывающий на присутствие объекта.
4. Выходной сигнал: Когда колебания достигают определенной пороговой амплитуды, это вызывает изменение состояния выхода датчика. И наоборот, когда объект удаляется, амплитуда уменьшается, возвращая выходной сигнал в исходное состояние.
5. Экологические соображения: Для оптимальной работы емкостные датчики следует использовать в условиях стабильной температуры и влажности, так как колебания могут повлиять на их чувствительность и точность.

III. Ультразвуковые датчики приближения

Преимущества ультразвуковых датчиков приближения

Ультразвуковые датчики приближения обладают рядом преимуществ, которые делают их пригодными для различных применений:

• Независимость от материалов: Они могут обнаруживать все типы материалов, включая блестящие, прозрачные и неправильной формы объекты, не завися от цвета или текстуры поверхности объекта.
• Большая дальность обнаружения: Ультразвуковые датчики могут измерять расстояния более 1 метра, что делает их идеальными для приложений, требующих дальнего обнаружения.
• Надежная работа в неблагоприятных условиях: На эти датчики не влияют такие факторы окружающей среды, как пыль, дождь или снег, которые могут мешать работе других типов датчиков. Их работа остается надежной даже в сложных условиях.
• Высокая чувствительность и точность: Ультразвуковые датчики обеспечивают точные измерения и способны обнаруживать небольшие объекты на значительных расстояниях.
• Универсальное применение: Они широко используются в различных отраслях промышленности для решения таких задач, как измерение уровня, обнаружение объектов и автоматизированное управление технологическими процессами, что доказывает их адаптивность в различных сценариях.

Механизм управления

Механизм работы ультразвуковых датчиков приближения основан на излучении и приеме высокочастотных звуковых волн. Вот как они работают:

1. Излучение звуковых волн: Датчик излучает ультразвуковые звуковые волны (обычно выше 20 кГц) в направлении целевого объекта.
2. Отражение: Звуковые волны распространяются до тех пор, пока не столкнутся с объектом, и отражаются обратно к датчику.
3. Измерение времени: Датчик измеряет время, в течение которого излучаемые звуковые волны возвращаются после удара об объект. Этот промежуток времени имеет решающее значение для определения расстояния до объекта.
4. Расчет расстояния: Используя формулу Расстояние = (Скорость звука × Время) / 2, датчик рассчитывает расстояние до объекта на основе скорости звука в воздухе (примерно 343 метра в секунду при комнатной температуре) и измеренного времени.
5. Формирование выходного сигнала: После расчета расстояния датчик генерирует выходной сигнал, указывающий, находится ли объект в заданном диапазоне, что позволяет использовать его в различных приложениях, таких как включение аварийной сигнализации или управление оборудованием.

IV. Магнитные датчики приближения

Типы магнитных датчиков приближения

Магнитные датчики приближения можно разделить на несколько типов в зависимости от принципа действия и области применения:

• Герконовый переключатель: Это переключатель с магнитным приводом, состоящий из двух ферромагнитных язычков, запечатанных в стеклянную капсулу. При наличии магнитного поля язычки сближаются, образуя электрическую цепь.
• Датчик на эффекте Холла: Использует принцип эффекта Холла, когда под воздействием магнитного поля на проводнике возникает напряжение. Этот датчик обнаруживает наличие магнитов и выдает соответствующий выходной сигнал.
• Магнитострикционный датчик: Измеряет положение магнитного объекта с помощью магнитострикционного эффекта, который заключается в изменении магнитного поля, влияющего на свойства материала.
• Магниторезистивный датчик: Работает на основе магниторезистивного эффекта, когда электрическое сопротивление ферромагнитного материала изменяется в ответ на внешнее магнитное поле.
• Индуктивный магнитный датчик приближения: Похожи на индуктивные датчики, но специально разработаны для обнаружения магнитных полей, а не металлических объектов. В них используется колеблющаяся катушка для создания магнитного поля и обнаружения изменений при приближении постоянного магнита.

Функциональность

Функциональность магнитных датчиков приближения заключается в их способности обнаруживать магнитные поля и выдавать соответствующие выходные сигналы. Вот как они работают:

1. Механизм обнаружения: Магнитные датчики приближения обнаруживают присутствие магнитных объектов (например, постоянных магнитов) на основе различных принципов, включая вышеупомянутые. Каждый тип имеет свой уникальный метод обнаружения:
   • Герконовые переключатели замыкают контакты под воздействием магнитного поля.
   • Датчики на эффекте Холла генерируют сигнал напряжения в ответ на воздействие близлежащих магнитов.
   • Магнитострикционные и магниторезистивные датчики измеряют изменения свойств материала под воздействием магнитного поля.
2. Обработка сигнала: После обнаружения изменений в магнитном поле датчик обрабатывает эту информацию и генерирует выходной сигнал. Этот сигнал может быть цифровым (включение/выключение) или аналоговым, в зависимости от области применения и типа датчика.
3. Активация выхода: Выходной сигнал может вызывать различные действия, такие как активация сигнализации, управление двигателями или обеспечение обратной связи в автоматизированных системах. Датчики часто используются в таких приложениях, как системы безопасности (для дверей и окон), промышленная автоматизация (определение положения) и бытовая электроника.
4. Гибкость установки: Магнитные датчики приближения могут устанавливаться заподлицо или не заподлицо в различных средах, в том числе в средах с немагнитными материалами, такими как пластик или дерево, что обеспечивает универсальность применения в различных условиях.

V. Оптические датчики приближения （Фотоэлектрические датчики）

Принципы работы оптических датчиков приближения

Оптические датчики приближения работают на основе использования света для обнаружения наличия или отсутствия объектов в пределах диапазона обнаружения. Основной принцип работы заключается в излучении света, как правило, в инфракрасном или видимом спектре, и измерении света, отраженного от объекта. Ниже приводится описание их работы:

1. Излучение света: Датчик испускает луч света в направлении целевого объекта. Этот свет может генерироваться различными источниками, включая светодиоды или лазеры.
2. Обнаружение отражения: Когда излучаемый свет сталкивается с объектом, часть его отражается обратно к датчику. Количество и интенсивность отраженного света зависят от расстояния до объекта и характеристик его поверхности.
3. Обработка сигнала: Приемник датчика обнаруживает отраженный свет. Если количество отраженного света превышает определенный порог, датчик определяет наличие объекта и генерирует выходной сигнал (цифровой или аналоговый), свидетельствующий об обнаружении.
4. Измерение расстояния: В некоторых современных оптических датчиках время, необходимое для возвращения света (в случае лазерных датчиков), может быть измерено для вычисления точного расстояния до объекта.

Этот метод позволяет оптическим датчикам приближения с высокой эффективностью обнаруживать объекты без контакта, что делает их пригодными для различных применений в области автоматизации, безопасности и бытовой электроники.

Различные типы оптических датчиков приближения

Оптические датчики приближения можно разделить на несколько типов в зависимости от их конструкции и принципов работы:

• Инфракрасные (ИК) датчики: Эти датчики излучают инфракрасный свет и обнаруживают изменения в отраженном ИК-излучении. Они широко используются в таких системах, как автоматические двери и системы безопасности.
• Лазерные датчики: Используя лазерные лучи, эти датчики обеспечивают высокую точность и дальность обнаружения. Они часто используются в промышленных приложениях, требующих точного измерения расстояния.
• Фотоэлектрические датчики: Они состоят из источника света (обычно светодиода) и приемника. Они могут работать в различных режимах:
  • Сквозной луч: Излучатель и приемник расположены друг напротив друга; объект прерывает световой луч.
  • Ретроотражательные: Излучатель и приемник расположены на одной стороне, а отражатель отражает излучаемый свет обратно на приемник.
  • Диффузное отражение: Излучатель и приемник расположены вместе; датчик обнаруживает свет, отраженный от объекта, находящегося непосредственно перед ним.
• Датчики времени пролета (ToF): Эти передовые датчики измеряют время, которое требуется световому импульсу, чтобы дойти до объекта и вернуться обратно, что позволяет точно измерять расстояние.

VI. Датчики приближения на эффекте Холла

Основные преимущества датчиков приближения на эффекте Холла

Датчики приближения на эффекте Холла обладают рядом преимуществ, которые делают их очень эффективными для различных применений:

• Бесконтактные датчики: Эти датчики определяют наличие магнитного поля без физического контакта, что снижает износ по сравнению с механическими переключателями.
• Долговечность: датчики на эффекте Холла являются полупроводниковыми устройствами, что означает, что они менее подвержены механическим повреждениям и могут работать в жестких условиях, включая воздействие пыли, грязи и влаги.
• Высокая скорость и чувствительность: Они могут быстро реагировать на изменения магнитного поля, что делает их пригодными для высокоскоростных приложений, таких как управление двигателями и определение положения.
• Универсальные применения: Датчики на эффекте Холла могут применяться в самых разных областях, включая автомобильные системы (например, датчики скорости вращения колес), бытовую электронику (например, смартфоны) и промышленную автоматизацию (например, датчики приближения).
• Низкое энергопотребление: Эти датчики обычно потребляют меньше энергии, чем традиционные механические переключатели, что делает их идеальными для устройств, работающих от батарей.

Операционная теория

Теория работы датчиков приближения на основе эффекта Холла основана на явлении эффекта Холла, которое заключается во взаимодействии электрических токов и магнитных полей. Вот как они работают:

1. Протекание тока: датчик на эффекте Холла состоит из тонкой полоски проводящего материала (элемент Холла), через которую протекает электрический ток. Этот ток генерирует собственное магнитное поле.
2. Взаимодействие с магнитным полем: Когда внешнее магнитное поле приложено перпендикулярно направлению тока, носители заряда (электроны или дырки) в проводящем материале испытывают силу (силу Лоренца), которая заставляет их отклоняться от прямолинейной траектории.
3. Генерация напряжения: Это отклонение приводит к концентрации носителей заряда на одной стороне элемента Холла, создавая разность напряжений на противоположных сторонах полоски, называемую напряжением Холла. Величина этого напряжения пропорциональна напряженности магнитного поля.
4. Выходной сигнал: Датчик измеряет напряжение Холла и преобразует его в выходной сигнал. В зависимости от конструкции, этот выходной сигнал может быть аналоговым или цифровым. Например, в цифровых приложениях датчик может включаться или выключаться в зависимости от того, превышает ли магнитное поле определенный порог.
5. Типы датчиков на эффекте Холла: В зависимости от конфигурации датчики на эффекте Холла могут быть классифицированы как:
   • Униполярные датчики: Активируются при одной полярности магнитного поля.
   • Биполярные датчики: Реагируют на обе полярности.
   • Омниполярные датчики: Могут активироваться как положительным, так и отрицательным магнитным полем.

VIII. Индуктивные датчики приближения

Характеристики индуктивных датчиков приближения

Индуктивные датчики приближения - это специализированные устройства, предназначенные в первую очередь для обнаружения металлических объектов без физического контакта. Вот их основные характеристики:

• Бесконтактное обнаружение: Они могут обнаруживать металлические предметы без необходимости прикасаться к ним, что сводит к минимуму износ как датчика, так и обнаруживаемого объекта.
• Чувствительность к металлу: Эти датчики особенно чувствительны к ферромагнитным материалам (например, железу), но в зависимости от конструкции могут обнаруживать и цветные металлы (например, алюминий и медь).
• Диапазон обнаружения: Дальность обнаружения зависит от размера и типа металлического предмета и обычно составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
• Надежность: Индуктивные датчики долговечны и могут работать в жестких условиях, включая воздействие пыли, влаги и экстремальных температур.
• Высокая скорость: они могут быстро переключать состояния, что делает их подходящими для высокоскоростных приложений в автоматизации и производственных процессах.
• Простая установка: Индуктивные датчики приближения часто легко устанавливаются и интегрируются в существующие системы, при этом доступны различные варианты монтажа.

Операционный метод

Метод работы индуктивных датчиков приближения основан на принципе электромагнитной индукции. Вот как они функционируют:

1. Осцилляторная схема: Датчик содержит схему осциллятора, которая генерирует высокочастотное переменное электромагнитное поле на его чувствительной поверхности. Это электромагнитное поле распространяется на окружающее пространство.
2. Генерация вихревых токов: Когда металлический объект приближается к электромагнитному полю, оно вызывает вихревые токи в металле. Эти токи протекают внутри металлического объекта за счет электромагнитной индукции.
3. Изменение амплитуды: Наличие вихревых токов вызывает потерю энергии в колебательном контуре, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний. Чем ближе металлический объект, тем больше потери энергии и тем значительнее уменьшение амплитуды колебаний.
4. Обнаружение сигнала: Датчик включает в себя схему обнаружения амплитуды, которая отслеживает изменения в состоянии колебаний. Когда амплитуда падает ниже определенного порога из-за присутствия металлического предмета, это изменение фиксируется.
5. Формирование выходного сигнала: Датчик преобразует обнаруженную информацию в выходной сигнал (обычно двоичный), указывающий на наличие или отсутствие объекта. Этот выходной сигнал может быть использован для запуска других устройств или процессов в системе автоматизации.

IX. Сравнение различных технологий датчиков приближения

A. Сильные стороны и ограничения

Тип датчика	Сильные стороны	Ограничения
Индуктивный	Высокая надежность при обнаружении металлических предметов Прочность и устойчивость к суровым условиям Быстрое время отклика	Ограничено металлическими целями Чувствительность к электромагнитным помехам
Емкостной	Может обнаруживать как металлические, так и неметаллические предметы Работает через неметаллические барьеры Регулируемая чувствительность	Малый радиус действия по сравнению с индуктивными датчиками Влияние факторов окружающей среды (влажность, температура)
Ультразвуковой	Бесконтактное обнаружение различных материалов Работает в суровых условиях Большая дальность обнаружения	Ограниченная эффективность в вакууме На производительность может влиять текстура объекта и звукопоглощение
Фотоэлектрический	Универсальность с различными конфигурациями (сквозной луч, светоотражающие элементы) Быстрое время отклика Может обнаруживать прозрачные объекты	Сложность установки для некоторых типов Производительность может зависеть от цвета и отражающей способности объекта
Лазер	Высокая точность и дальность обнаружения Подходит для небольших или удаленных целей	Более высокая стоимость и энергопотребление Проблемы безопасности при воздействии на глаза Ограниченная производительность при работе с прозрачными материалами

B. Подходящие области применения для каждой технологии

Подходящие области применения для каждой технологии

• Индуктивные датчики приближения:
  • Обычно используется в промышленной автоматизации для обнаружения металлических деталей на конвейерных лентах.
  • Идеально подходит для определения положения в машинах и оборудовании.
• Емкостные датчики приближения:
  • Подходит для обнаружения неметаллических материалов, таких как жидкости, порошки и пластмассы.
  • Часто используется в упаковке, пищевой промышленности и для измерения уровня.
• Ультразвуковые датчики приближения:
  • Эффективны в приложениях, требующих измерения расстояния, таких как определение уровня жидкости и обнаружение объектов в робототехнике.
  • Используется в автомобильных системах для помощи при парковке.
• Фотоэлектрические датчики приближения:
  • Широко используется в упаковочных, сортировочных и погрузочно-разгрузочных системах.
  • Подходит для обнаружения прозрачных объектов или подсчета предметов на конвейерной ленте.
• Лазерные датчики приближения:
  • Используется в приложениях, требующих высокой точности, таких как роботизированное позиционирование и автоматизированные системы контроля.
  • Обычно используется в логистике для измерения расстояний или размеров упаковок.

Заключение: Разнообразие технологий датчиков приближения

Разнообразие технологий бесконтактных датчиков отражает разнообразные требования, предъявляемые к современным системам автоматизации и управления. Каждый тип датчика обладает уникальными достоинствами, которые делают его подходящим для конкретных приложений, и в то же время имеет ограничения, которые необходимо учитывать при выборе. Индуктивные датчики отлично справляются с обнаружением металлов, в то время как емкостные датчики обеспечивают универсальность при работе с различными материалами. Ультразвуковые датчики обеспечивают надежное измерение расстояния, а фотоэлектрические датчики предпочитают за скорость и адаптивность. Лазерные датчики отличаются точностью на больших расстояниях.

Источник статьи:

https://www.ifm.com/de/en/shared/technologies/ultrasonic-sensors/advantages-of-ultrasonic-sensors

https://www.tme.eu/Document/e5f38f78b147f70a1fae36b473781d74/MM-SERIES-EN.PDF