Det grunnleggende om nærhetssensorer: valg og bruk i industriautomasjon

Mange industrielle automatiseringsutrustningr (IA) krever evnen til å føle tilstedeværelsen og/eller posisjonen til en gjenstand eller person uten å ta fysisk kontakt for å unngå å begrense eller begrense bevegelsen til gjenstanden som registreres. Nærhetssensoren er ideell for denne rollen. Men nærhetssensorer kommer i mange varianter, inkludert magnetiske, kapasitive, induktive og optiske, og materialsammensetningen til objektet som detekteres kan påvirke evnen til en sensor til å detektere dets nærvær.

Noen nærhetssensorer er nyttige for å oppdage jernholdige metaller, mens noen kan oppdage alle typer metall, og andre kan oppdage alle typer gjenstander og til og med mennesker. Potensielle brukere av nærhetssensorer i en IA-utrustning må være klar over de forskjellige nærhetssensorteknologitypene og deres anvendelse i spesifikke følesituasjoner.

Denne artikkelen tar for seg flere typer sensorer og gir detaljer om hvilke typer objekter de kan oppdage og den geografiske følsomheten til hver enhetstype. Prøveenheter fra Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc., og Carlo Gavazzi Inc. brukes som eksempel.

Induktive nærhetssensorer

Induktive nærhetssensorer detekterer tilstedeværelsen av ledende (dvs. metall) gjenstander og har et deteksjonsområde som er avhengig av hvilken type metall som detekteres. Disse sensorene opererer ved hjelp av et høyfrekvent magnetfelt som genereres av en spole i en oscillatorkrets (svingningskrets). Ledende mål som nærmer seg magnetfeltet har en induksjons- eller virvelstrøm indusert i det, noe som skaper et motstående magnetfelt som effektivt reduserer induktansen til den induktive sensoren.

Induktive nærhetssensorer fungerer ved hjelp av to metoder. I den første driftsmetoden, når målet nærmer seg sensoren, øker induksjonsstrømstrømmen, noe som øker belastningen på svingningskretsen og forårsaker at svingningen dempes eller stoppes. Sensoren detekterer denne endringen i svingningsstatusen med en amplitudedetekteringskrets og sender ut et deteksjonssignal.

Et alternativt driftssystem bruker en endring i frekvens i stedet for amplitude av svingning som følge av tilstedeværelsen av et ledende mål. Et ikke-jernholdig metallmål som aluminium eller kobber som nærmer seg sensoren, fører til at svingningsfrekvensen øker, mens et jernholdig metallmål som jern eller stål resulterer i en reduksjon av svingningsfrekvensen. Endringen i svingningsfrekvensen i forhold til en referansefrekvens fører til at sensorens utgangstilstand endres.

Texas Instruments LDC0851HDSGT er et eksempel på en induktiv nærhetsbrytersensor på nært hold som bruker frekvensvariasjonen til å detektere tilstedeværelsen av et ledende objekt i sitt elektromagnetiske felt (figur 1).

Figur 1: LDC0851HDSGT-induktiv nærhetssensor bruker doble induktive spoler – en sensorspole og en referansespole - for å måle forskjellen i induktans på grunn av et målobjekt nær sensorspolen. (Bildekilde: Texas Instruments)

LDC0851 induktiv nærhetsbryter er ideell for kontaktløse utrustninger for nærhetsdeteksjon som tilstedeværelsesdeteksjon, hendelsestelling og enkle trykknapper der avfølingsområdet er mindre enn 10 mm (0,39 tommer). Enheten endrer utgangstilstanden når et ledende objekt beveger seg i nærheten av deteksjonsspolen. Differensial implementering (bruk av en deteksjons/følings- og referansespole for å bestemme systemets relative induktans) og hysterese, brukes til å garantere pålitelig veksling som er immun mot mekaniske vibrasjoner, temperaturvariasjoner eller fuktighetseffekter.

LDC0851HDSGTs induktive pickup-spoler er innstilt med en enkelt sensorkondensator, som setter svingningsfrekvensen i området 3 til 19 megahertz (MHz). Push-pull utgangen er i lav tilstand når senseinduktansen er under referanseinduktansen og går tilbake til høy tilstand når den omvendte er sann.

Magnetiske nærhetssensorer

Brukes til å måle posisjon og hastighet for bevegelige metallkomponenter, magnetiske nærhetsdetektorer kan være aktive enheter som en Hall-effektsensor, eller passive enheter som en variabel reluktanssensor (VR), for eksempel Red Lion Controls sin MP62TA00 gjengede magnetiske pickup (figur 2, venstre). VR-nærhetssensoren måler endringer i magnetisk reluktans - som er analog med elektrisk motstand i en elektrisk krets – og består av en permanent magnet, et polstykke og en deteksjonsspole innelukket i et sylindrisk hus.

Figur 2: VR-magnetiske pickup-en (venstre) er en passiv sensor som registrerer endringen i magnetfeltet mellom polstykket og sensorhuset (vist til høyre). (Bildekilde: Art Pini, med MP62TA00-bilde fra Red Lion Controls)

Et ferromagnetisk objekt som passerer tett forbi polstykket forårsaker en variasjon i magnetfeltet. Denne variasjonen genererer igjen en signalspenning i signalspolen. Størrelsen på signalspenningen avhenger av størrelsen på målobjektet, dets hastighet og størrelsen på mellomrommet mellom pol-delen og objektet. Målobjektet må være i bevegelse for å registreres av VRS. MP62TA00 gjenget magnetisk pickup er en epoksyinnkapslet nærhets-VR-sensor med et driftstemperaturområde fra -40 til +107 °C. Den er 25,4 mm lang med ¼ - 40 UNS-gjenget kropp.

VR-sensorer er passive enheter, så de trenger ikke en strømkilde. Som et resultat finner de vanligvis anvendelse i måling av roterende maskiner. VR-pickupper som MP62TA00 brukes for eksempel mye til å registrere passerende tenner på et jerndrev, tannhjul eller registerremhjul (synkronremhjul). De kan også brukes til å registrere bolthoder, kilespor eller andre hurtigbevegende metalliske mål (figur 3).

Figur 3: VR-sensorer er mye brukt til å registrere tannhjul, kammer og kilespor i roterende maskiner. (Bildekilde: Red Lion Controls)

De brukes som takometre for å måle rotasjonshastighet og brukes også parvis for å måle rotasjonsakselens eksentrisitet.

Den andre typen magnetsensor bruker Hall-effekten til å detektere tilstedeværelsen av et magnetfelt. Hall-effekten beskriver samspillet mellom en strømførende leder og et magnetfelt vinkelrett på lederens plan. Når en strømbærende leder plasseres i et magnetfelt, vil en spenning (Hall-spenning) genereres vinkelrett på både strømmen og feltet. Hall-spenningen er proporsjonal med flukstettheten til magnetfeltet og krever et mål som er magnetisert.

55100-3H-02-A fra Littelfuse Inc. er en hall-effektsensor for flensmontering som er tilgjengelig med en digital utgang eller en programmerbar analog spenningsutgang (figur 4).

Figur 4: Blokkdiagrammet og bildet av 55100-3H-02-A-flensmontering Hall-effekt-nærhetssensor med spenningsutgang. (Bildekilde: Littelfuse Inc.)

55100-3H-02-A måler 25,5 x 11 x 3 mm og er tilgjengelig med enten en tre-tråds spenningsutgang eller en to-leders strømutgang. Enten tilbyr versjonen medium (130 Gauss), høy (59 Gauss) eller programmerbar følsomhet. Enheten har høy følsomhet og har et aktiveringsområde på 18 mm (0,709 tommer) ved hjelp av en spesifisert magnet. Nedtrekksutgangen kan synke opptil 24 volt DC og 20 milliampere (mA).

Denne sensoren kan fungere ved vekslingshastigheter opptil 10 kilohertz (kHz) og kan registrere både dynamiske og statiske magnetfelt. Evnen til å detektere statiske magnetfelt er en stor fordel med hall-effekt-sensoren, da den kan brukes til å registrere en dør som lukkes eller en gjenstand i en fast posisjon.

Optisk nærhetssensor

Optiske nærhetssensorer bruker lys-infrarøde eller synlige for å sanse objekter. De har den fordelen at et mål ikke trenger å være magnetisk eller metallisk – det må bare hindre eller reflektere lys. I utgangspunktet avgir optiske sensorer lys og overvåker for lys reflektert fra målobjektet (figur 5, venstre).

Figur 5: Den optiske nærhetssensoren lokaliserer målobjektet ved å sende ut en lysstråle og detektere refleksjonen av målet. (Bildekilde: Art Pini)

EE-SY1200 fra Omron Electronics Inc. er et godt eksempel på en optisk nærhetssensor (figur 5, høyre). Det er en ultrakompakt fotosensor montert på et lite trykt kretskort (PCB) som opererer med en infrarød bølgelengde på 850 nanometer (nm). Den omfatter et ledeemitter- og fototransistorpar i en overflatemonteringspakke med dimensjoner på 1,9 x 3,2 x 1,1 mm (0,0748 x 0,126 x 0,043 tommer), som opererer over et temperaturområde på -25 til +85 °C. Det anbefalte deteksjonsavstandsområdet er fra 1,0 til 4,0 mm (0,039 til 0,157 tommer).

Den lille monteringen om bord gjør den ideell for bruksområder som justering av metallisert mylarmateriale i en automatisk innpakningsmaskin.

Ultralyd-nærhetssensorer

Større krav til sensoravstand, for eksempel å oppdage biler ved et drive-in-vindu, kan håndteres ved hjelp av ultralydbaserte nærhetssensorer. Disse sensorene oppdager objekter av enhver type på avstander på opptil flere meter (m). Grunnlaget for målingen er flygetidspunktet for en ultralydpuls som sendes ut fra sensorsenderen og reflekteres fra målobjektet og plukkes opp av sensormottakeren (figur 6).

Figur 6: Områdefunn ved hjelp av ultralyd måler tiden fra senderens ultralydsprengning (venstre) til ankomsttiden til den reflekterte pulsen (høyre). Denne tiden er det dobbelte flygetidspunktet for den innledende sprengningen fra sensoren til målobjektet. (Bildekilde: Art Pini)

Tiden fra den overførte pulsen til den mottatte refleksjonen representerer flygetidspunktet fra sensoren til målobjektet og tilbake igjen. Ved å kjenne utbredelseshastigheten og tidspunktet for flygingen kan avstanden beregnes. I eksempelet som vises, er flyvetidspunktet (time of flight) 3,1 millisekunder (ms). For luft er lydens hastighet ved 70°F 1128 fot per sekund, så den totale avstanden til objektet og ryggen er 3,96 fot. Området fra sensoren til objektet er halvparten av flyvetidspunktet eller 1,98 fot.

MB1634-000 fra MatBotix Inc. er en ultralyd-nærhetssensor med et måleområde på 5 m (16,4 fot). Det krever en strømkilde på fra 2,5 til 5,5 volt. Den opererer ved en frekvens på 42 kHz, og sender området ut til målet som en analog spenning, pulsbredde eller en seriell datastrøm av transistortransistorlogikk (TTL). Den har kompensasjon for målstørrelsesvariation, driftsspenning og intern temperatur (valgfri ekstern temperaturkompensasjon), alt i en pakke under én kubikktommer-0,875 x 1,498 x 0,58 tommer (22,23 x 38,05 x 14,73 mm) (figur 7).

Figur 7: MB1634-000 er en ultralydavstandsmålerenhet (telemetri) med sende- og mottakstransdusere og et område på 5 m. (Bildekilde: Littelfuse Inc.)

Kapasitive nærhetssensorer

Kapasitive nærhetssensorer kan detektere metalliske og ikke-metalliske mål i pulver, granulat, væske og faststoff. Et godt eksempel er Carlo Gavazzis CD50CNF06NO (figur 8). Enhetene er generelt lik induktive sensorer, bortsett fra at følespolene til den induktive sensoren erstattes av en kapasitiv føleplate. De blir ofte brukt til å registrere væskenivåer i lagringstanker.

Figur 8: I en generisk kapacitiv nærhetssensor (venstre) danner kondensatorfølerplaten en kondensator med det eksterne målobjektet; kapasitansens verdi bestemmer oscillatorens frekvens. CD50CNF06NO fra Carlo Gavazzi (høyre) er en kapasitiv nærhetssensor beregnet på overvåking av væskenivåer. (Bildekilde: Art Pini)

Senserplaten i sensoren danner en kondensator med målobjektet, og kapasitansen varierer med avstanden til objektet. Sensemålkapasitansen bestemmer oscillatorens frekvens, som overvåkes for å bytte utgangstilstand når en terskelfrekvens krysses.

CD50CNF06N0 er beregnet på overvåking av væskenivåer. Det er en tre-ledersensor med en NPN-transistor med åpen kollektor konfigurert i en normalt åpen modus. Det krever en Forsyning på 10 til 30 volt DC (likestrøm). Den leveres i en 50 x 30 x 7 mm (1,97 x 1,18 x 0,28 tommer) pakke og har et føleområde på 6 mm (0,24 tommer). I sin normale utrustninger for nivådeteksjon er den skrudd eller limt på utsiden av en ikke-metallisk tank.

Konklusjon

Nærhetssensorer benytter flere teknologier som passer til forskjellige bruksområder. Avhengig av sensortypen, kan de detektere både metalliske og ikke-metalliske mål med en avfølingsavstand som varierer fra millimeter til fem eller flere meter. De er kompakte nok til å brukes i trange rom, og mange er i stand til å brukes i tøffe omgivelser. Denne rekken av teknologier gir brukeren en rekke ulike valg som tilfredsstiller utallige krav til nærhetsdeteksjon.