Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Датчики движения – важные структурные элементы многих охранных, сигнализационных, а также систем освещения. Они широко применяются в жилых и офисных помещениях с целью:

  • фиксации перемещения физических объектов, попадающих в зону действия устройства;
  •  распознавания несанкционированного проникновения на частную территорию;
  • автоматизации работы климатической техники;
  • экономии электроэнергии (освещение включается и отключается при необходимости);
  • повышения качества видеонаблюдения;
  • оптимизации работы систем «Умный дом».

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

  • С каждым годом спрос на подобную технику растет, а сфера применения – расширяется (аналитики прогнозируют ежегодное увеличение продаж до 14 %).
  • Поэтому производители предлагают различные новинки с усовершенствованным спектром действия.
  • Датчики движения обеспечивают не только комфорт, но и существенную экономию в использовании различных ресурсов.
  • Как именно применять приборы, реагирующие на изменения в зоне контроля детектора, решает непосредственно заказчик.

Различают проводные и беспроводные датчики движения. Есть модели, предназначенные для внутреннего применения, а также разновидности, которые рассчитаны на внешний монтаж. Датчик движения уличный выполнен в защищенном корпусе, благодаря чему внутрь прибора не попадает пыль и влага.

Разновидности детекторов движения

В основе работы большинства детекторов лежит анализ волн, поступающих извне. Различают следующие типы датчиков:

  1. Ультразвуковые.
  2. Инфракрасные.
  3. Радиоволновые.
  4. Комбинированные (гибридные, смешанные).

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Способ регистрации объекта в зоне действия устройства зависит от типа прибора. При этом срабатывание детектора может сопровождаться:

  • включением светозвуковой сигнализации;
  • передачей сигнала на пульт управления, смартфон, планшет и прочие мобильные устройства связи;
  • одновременным включением записывающей видеокамеры;
  • включением освещения.

Принцип работы ультразвуковых датчиков движения

Ультразвуковые датчики движения выполняют сканирование помещения с помощью ультразвуковых волн. В основе работы такого детектора лежит встроенный генератор, который вырабатывает высокочастотные колебания (25-40 кГц). Такие звуковые волны не воспринимаются человеческим ухом.

В качестве генератора и приемника используют элементы из пьезокерамики. Волны, проходя через помещение, отражаются от объектов, которые встречаются им на пути, и отправляются обратно к источнику.

В соответствии с эффектом Доплера, любой предмет, пересекающий ультразвуковой поток, влияет на интерференционную картину волн. Таким образом, если будет зафиксировано несанкционированное проникновение в зону работы детектора, сработает сигнал тревоги датчика шума.

Чаще всего ультразвуковые датчики используют в системах безопасности на парковках. В быту они практически не применяются – ультразвуковые колебания негативно влияют на домашних животных (кошки и собаки испытывают стресс, становятся тревожными).

В числе недостатков ультразвуковых детекторов – небольшой радиус действия. Если злоумышленники будут знать, что на контролируемой территории установлены ультразвуковые датчики детекторы, попробуют их обмануть: при медленном передвижении приборы могут не сработать.

Преимущество ультразвуковых детекторов – они не чувствительны к ИК-излучению различных приборов, бытовым и промышленным шумовым загрязнениям.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

При выборе ультразвуковых датчиков стоит учитывать, что они:

  • рассчитаны на эксплуатацию помещениях с включенным отоплением (в холодный сезон);
  •  чувствительны к температурным перепадам;
  • могут давать ложную информацию при повышенной влажности.

Устанавливая детекторы, работа которых основана на испускании ультразвуковых волн, нужно правильно определить место их размещения. Дело в том, что некоторые строительные материалы (например, стекло) являются «невидимыми» для высокочастотных волн, поэтому излучатель может срабатывать, фиксируя движение за стенами помещения.

Что собой представляет инфракрасный датчик движения?

Данная группа приборов наиболее востребована среди потребителей. Такие датчики отличаются:

  • низкой стоимостью;
  • простотой в использовании;
  • практичностью.

Инфракрасные детекторы срабатывают при изменении обстановки в тепловом (инфракрасном) диапазоне излучения.

Общей отличительной особенностью всех инфракрасных датчиков движения является их восприимчивость к конвекционным потокам воздушных масс и засветкам осветительных приборов. Поэтому при выборе таких моделей нужно учитывать место их размещения.

Охранные ИК-датчики могут монтироваться как снаружи, так и внутри помещений. При выборе подходящей модели нужно учитывать диапазон рабочей температуры и показатель защищенности от пыли, мелких частиц. Иногда есть смысл купить модель, которая допускает монтаж на кронштейне.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Все инфракрасные датчики движения делятся на активные и пассивные. Первые состоят из излучателя и приемника и используются, как правило, для контроля за протяженными линейными участками или за периметром охраняемого объекта.

Сфера применения вторых – значительно шире. Обычно с камерами видеонаблюдения используют ИК-датчики.

В чем заключается принцип работы радиоволнового датчика?

Радиоволновые детекторы работают по тому же принципу, что и ультразвуковые, с тем отличием, что микрочип в них генерирует волны с частотой 2,5 ГГц.

Если в зону распространения волны попадает физический предмет, то изменяется ее длина и частота, что регистрируется приемником.

Радиоволновые (или СВЧ) детекторы применяются реже инфракрасных. Одной из причин является то, что большинство строительных конструкций (бетонные стены, перекрытия) для них «прозрачны». Радиус действия таких датчиков выходит за пределы охраняемого объекта, что чревато многократными ложными срабатываниями.

Преимущество радиочастотных детекторов в их инертности к вредным воздействиям внешней среды и тепловому излучению.

При установке нескольких датчиков на одной площади нужно выбирать модели, работающие на разных частотах – те, что генерируют одинаковые по длине волны, будут создавать помехи для друг друга.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

К минусам СВЧ детекторов можно отнести их стоимость – цена таких устройств в 1,5-2 раза выше, чем у инфракрасных аналогов.

В чем особенность гибридных датчиков движения?

С точки зрения конструкции, гибридный датчик движения представляет собой прибор, в котором собраны несколько устройств под общим корпусом, каждый из которых подключается к разным выходам. По-другому такие устройства называют «датчиками двойной технологии». Гибридные модели компенсируют недостатки тех детекторов, из которых состоят.

Датчики движения смешанного типа появились на рынке относительно недавно, но их популярность стремительно растет. Использование таких излучателей повышает надежность охранных систем в разы.

В числе основных преимуществ – практически полное отсутствие ложных сигналов. Для того, чтобы детектор сработал, нужно одновременное (или с небольшой временной задержкой) реагирование тех датчиков, которые входят в его конструкцию.

Максимальное распространение получили модели, в которых сочетаются радиоволновые и инфракрасные методы обнаружения.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Гибридные детекторы применяются в организации систем безопасности в банках, денежных хранилищах, а также в противопожарных сигнализациях.

Как правильно выбрать датчик движения?

При выборе прибора нужно ориентироваться на его технические характеристики. В числе важных параметров стоит выделить следующие показатели.

Во-первых, это чувствительность детектора. Приборы с постоянной чувствительностью не стоит использовать в квартирах.

При наличии домашних животных устройство будет постоянно срабатывать при перемещении питомцев. В некоторых моделях есть возможность регулирования порога срабатывания (плавно или скачкообразно).

При необходимости можно подобрать детектор, который не будет реагировать на домашних животных.

Во-вторых, наличие антисаботажной зоны. Данный параметр оберегает устройство от попыток вывести его из строя. Фактически, это дополнительная зона захвата, которая направлена вертикально вниз.

В-третьих, нужно обратить внимание на объем обзорной зоны по вертикали и горизонтали. Это пространство, при попадании в которое постороннего физического объекта, устройство гарантированно сработает. Показатель измеряется в градусах (120° – 360°).

Максимальный диапазон обнаружения у потолочных моделей – они «видят» помещение полностью. У настенных – наибольший угол обзора может достигать 280°. Датчик движения для включения/выключения освещения должен обладать углом обзора не менее 180°. Модели, у которых радиус больше, можно использовать в охранных системах.

Ну и наконец, не менее важно знать дальность обнаружения. Этот параметр измеряется в метрах. Средняя дальность составляет 9-12 м. Есть разновидности, которые улавливают движение на расстоянии до 50 м.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Если требуется датчик движения для просторного помещения без перегородок, то необходим детектор с большой зоной обнаружения и дальностью действия. Для комнат с большим количеством разных зон подойдет датчик со стандартной дальностью (4,6 или 10 м).

Для автоматизации освещения в квартире или небольшом доме подойдут мини-датчики. По функциональности они не уступают моделям со стандартными размерами. Их основное преимущество – лучше вписываются в дизайн интерьера.

Не менее важно учесть степень IP-защиты. Она определяется двумя цифрами. Первая означает уровень защищенности от мелких частиц, вторая – от влажности (водяного пара, капель воды, конденсата). У моделей с максимальными показателями защиты в паспорте указано IP-65.

  1. Для офисных помещений, проходных комнат, холлов и коридоров подойдет датчик движения с минимальной степенью защиты.
  2. Для ванных, полуподвальных помещений и производственных площадей, где наблюдаются перепады влажности, понадобится датчик с повышенными защитными характеристиками.
  3. Чтобы исключить возможность перемещения под детектором с целью несанкционированного проникновения, нужно установить уличные разновидности.

Применение датчиков движения – это первый шаг на пути к организации системы «Умный дом». Если вам нужно надежное устройство, но вы сомневаетесь, что справитесь с выбором самостоятельно, обращайтесь к нашим менеджерам ВЕНКОН.

Читайте также:  Датчик пламени горелки: разновидности, конструкция, применение

Здесь вам подскажут, какой лучше датчик движения купить, а также предложат услуги профессионального монтажа.

Применение датчиков в промышленном оборудовании

  • 29 сентября 2017 г. в 16:02
  • 2603

В промышленной электронике индуктивные, оптические и другие датчики применяются очень широко. Долго и постоянно имею с ними дело, так как работаю инженером-электронщиком на крупном предприятии. Статья будет обзорной, но есть и реальные примеры.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Типы датчиков

Итак, что вообще такое датчик. Датчик — это устройство, которое выдает определенный сигнал при наступлении какого-либо определенного события.

Иначе говоря, датчик при определенном условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал.

Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы примененияОптический датчик отслеживает перемещение деталей по конвейеру

Датчиков великое множество. Перечислю лишь те разновидности, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.

Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия — датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут «proximity sensor». Фактически это — датчик металла.

Оптические. Другие названия — фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются «датчик освещенности». Разновидность оптических датчиков — инфракрасные датчики движения, которые срабатывают на изменение температуры в зоне действия.

Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.

Давления. Если этот датчик дискретный, то принцип работы очень прост. Давления воздуха или масла нет — датчик выдает сигнал на контроллер или рвет аварийную цепь. Может быть датчик для измерения давления с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения Пример работы концевых выключателей — нижний датчик активирован

Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него надавливает объект (активатор).

Итак, мы выяснили, что воздействие (активация) может быть любым, а реакции может быть две — дискретный либо аналоговый сигнал. Поэтому, все датчики можно считать одинаковыми, различия могут быть только в способе активации (принципе действия) и схеме включения.

Для примера рассмотрим индуктивный датчик, поскольку он наиболее распространен.

Применение индуктивного датчика

Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма.

Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, контактора или другого исполнительного устройства. Единственное условие — соответствие по току и напряжению.

Принцип работы индуктивного датчика

Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.

В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.

Металлический активатор меняет резонансную частоту колебательного контура и схема, содержащая компаратор, выдает сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла — нет сигнала.

Чем отличаются индуктивные датчики

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения Индуктивные датчики определяют, в левом или в правом положении находится рычаг
Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения Индуктивный датчик подсчета импульсов

Почти все, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим, емкостным и другим датчикам.

  1. Конструкция, вид корпуса.

    Тут два основных варианта — цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса — металл (различные сплавы) или пластик.

  2. Диаметр цилиндрического датчика.

    Основные размеры — 12 и 18 мм. Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.

  3. Расстояние переключения (рабочий зазор).

    Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надежное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние — до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм — до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков — до 20…30 мм.

  4. Количество проводов для подключения.

    2-х проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки.

    Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением — не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Главное — обеспечить рабочий ток.

    3-х проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один — для нагрузки. Подробнее расскажу ниже.

    4-х и 5-ти проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод — выбор режима работы или состояния выхода.

  5. Виды выходов датчиков по полярности.

    У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента.

Релейный. Реле коммутирует в простейшем случае один из проводов питания, как это делается в бытовых датчиках движения или освещенности.

Универсальный вариант с «сухим» контактом, когда выходные контакты реле не связаны с питанием датчика. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка, что является основным достоинством такой схемы.

То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением.

Транзисторный PNP. На выходе — транзистор PNP, то есть коммутируется «плюсовой» провод. К «минусу» нагрузка подключена постоянно.

Транзисторный NPN. На выходе — транзистор NPN, то есть коммутируется «минусовой», или нулевой провод. К «плюсу» нагрузка подключена постоянно.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Пример оптического датчика с релейным выходом

Можно четко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод питания и коммутируется. Другой полюс подключен к нагрузке постоянно. Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.

  1. Виды датчиков по состоянию выхода.

    Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров — электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).

    Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание), либо выключен. Соответственно, говорят — нормально открытый (НО) контакт или нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт. В иностранном обозначении — NO и NC.

    То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков — то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода: PNP NO, PNP NC, NPN NO, NPN NC.

  2. Положительная и отрицательная логика работы.

    Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле). Отрицательная или положительная логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.

Отрицательная логика: вход контроллера активизируется (логическая «1») при подключении к НУЛЮ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

Положительная логика: вход активизируется при подключении к +24 В. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с нулем. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.

В следующей статье мы рассмотрим реальные индуктивные датчики и их схемы включения.

Александр Ярошенко, автор блога «СамЭлектрик»

Принцип работы датчика движения – схема и особенности

В отличие от точечных датчиков, к которым относятся магнитоконтактные устройства, датчики движения обладают способностью контролировать определённый объём внутри помещения или достаточно протяжённый участок периметра. Работа датчика движения базируется на некоторых физических принципах. Датчики, в зависимости от конструкции, могут реагировать на температуру, массу, магнитное поле, вибрацию или звук.

Типы датчиков движения

На основе современной элементной базы можно разработать устройство, которое будет соответствующим образом реагировать на любой параметр материального объекта.

Например, приборы, реагирующие на металл или радиоактивность, широко применяются в аэропортах, а датчики фиксирующие увеличение концентрации бытового газа могут быть использованы в домашних и промышленных системах.

Охранные системы предназначены, чтобы защитить объект или территорию  от проникновения посторонних лиц, поэтому датчики движения фиксируют перемещение и массу объекта.

В системах сигнализации используются следующие типы датчиков движения:

  • Тепловые (инфракрасные) детекторы
  • Ультразвуковые активные датчики
  • Радиоволновые датчики
  • Комбинированные устройства

Инфракрасный датчик

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы примененияПринцип работы теплового датчика движения основан на определении температуры объекта, которая отличается от температуры окружающей среды. Инфракрасное или тепловое излучение фокусируется специальной оптической системой и направляется на чувствительный полупроводниковый элемент, который называется PIR-сенсор.

Для того чтобы датчик не реагировал на нагретые, но неподвижные объекты типа радиаторов отопления, линзы разбивают зону чувствительности датчика на несколько отдельных лучей.

В горизонтальной плоскости, диаграмма чувствительности инфракрасного датчика больше всего напоминает развёрнутый веер. Датчик сработает в том случае, если объект последовательно пересечёт несколько лучей.

За подсчёт числа импульсов отвечает микроконтроллер устройства.

Тепловое излучение объекта вызывает изменение электрического потенциала PIR-сенсора. Схема сравнения или компаратор фиксирует разницу между температурой окружающей среды и температурой объекта. Эта разница обрабатывается по определённому алгоритму и в конечном итоге вызывает срабатывание реле, включающего сигнал тревоги.

Таким образом, для срабатывания инфракрасного детектора движения необходимо соблюдение двух условий:

  • Объект должен испускать тепловое излучение
  • Объект должен перемещаться

Одним из важных параметров, влияющих на работу тепловых датчиков, является скорость движения физического тела. Передвижение с очень малой скоростью может не зафиксироваться, как нарушение контролируемой зоны.

Обычно инфракрасные датчики уверенно реагируют на скорость перемещения объекта от 0,3 до 3,0 м/сек.

Тепловые охранные устройства имеют две основные модификации:

  • Объёмный датчик
  • Поверхностный датчик.

Модификация определяется конфигурацией зоны обнаружения. Эта зона у объёмного датчика по вертикали и горизонтали имеет форму лепестка, который расширяется на протяжении 10-15 метров от датчика.

Поверхностный датчик (штора) образует узкую по горизонтали и широкую по вертикали зону захвата.

Датчики, использующие регистрацию теплового излучения от объекта, называются пассивными датчиками.

Примером объёмного датчика может служить охранный извещатель «Фотон-9» (ИО409-8) с углом обзора 90 градусов и длиной зоны 10 метров, а датчик «Астра-531» работает по принципу «штора».

Активные датчики состоят из источника инфракрасного излучения и приёмного устройства, между которыми находится блокируемая зона. Пересечение нарушителем невидимого луча фиксируется приёмником. Такие устройства применяются для охраны периметра.

Обычно излучающая система выдаёт несколько параллельных лучей, которые невозможно пересечь незаметно.

Ультразвуковой датчик движения

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы примененияСхема работы ультразвукового датчика движения основана на принципе звуковой локации. Основу такого датчика составляет звуковой генератор, вырабатывающий колебания с частотой порядка 25-40 КГц. Эти колебания не слышны человеческим ухом, но, как любые звуковые волны, отражаются от препятствия и возвращаются обратно к источнику. Датчик движения имеет излучатель колебаний и микрофон, который воспринимает отражённый сигнал. В соответствии с эффектом Доплера любое движущееся тело пересекающее поток излучения изменяет интерференционную картину. Поэтому частота отражённого сигнала будет немного отличаться от излучаемой частоты.

Если в тепловом датчике происходит сравнение разности напряжений, то в ультразвуковом сравнивается разность частот. В результате, после обработки сигнала, включается реле тревоги.

В качестве излучателя и приёмника используются элементы из пьезокерамики. Для повышения помехоустойчивости в схеме устройства применяются активные полосовые фильтры.

Ультразвуковой датчик «Астра-642» образует объёмную зону обнаружения всего помещения протяжённостью 10 метров.

Радиоволновый датчик движения

Этот тип охранного извещателя, как и ультразвуковой датчик работает на эффекте Доплера и в компараторе происходит сравнение двух частот – излучаемой и отражённой. Вместо звуковой частоты микрочип охранного датчика генерирует СВЧ излучение с частотой 5,0-12 ГГц.

Генератор реализован на диоде Ганна, а передающая и приёмная антенны представляют собой микрополосковые линии. Радиоволновый датчик движения работает как локатор и при необходимости может определять не только появление движущегося объекта, но и расстояние до него.

Датчики движения, работающие на микроволновом излучении, эффективно применяются для сканирования больших площадей и в условиях акустических и тепловых помех, то есть в тех условиях, когда применение инфракрасных и ультразвуковых устройств затруднено или невозможно.

Ограничение на использование СВЧ датчиков движения накладывает негативное воздействие микроволнового излучения на живые организмы, поэтому мощность передатчика выбирается минимальной.

Радиоволновый датчик «Аргус-2» (ИО407-5/4) обеспечивает зону обнаружения 16 Х 8 метров или 90 м2 при использовании четырёх частотных диапазонов (литер).

Комбинированные датчики движения

Одним из существенных недостатков микроволновых датчиков является то, что СВЧ излучение свободно проникает через лёгкие строительные конструкции.

Срабатывание устройства может произойти от помехи, находящейся в соседнем помещении. Чтобы этого избежать в охранных системах применяются комбинированные извещатели.

Такая конструкция представляет собой два датчика, работающих на общий контроллер, то есть они включаются по схеме «И».

Обычно в одно устройство объединяются инфракрасный и радиоволновый датчик. Эта схема отличается высокой помехоустойчивостью, надёжностью и отсутствием ложных срабатываний.

Комбинированный датчик движения «Сокол-3» (ИО414-3) совмещает в себе инфракрасный и радиоволновый датчики движения.

Он устанавливается на потолке и формирует зону обнаружения типа «Шатёр» диаметром до 10 метров.

Преобразователи линейных перемещений — обзорная статья

Главная › Статьи › Преобразователи линейных перемещений — обзорная статья

Без преобразователей линейных перемещений (ПЛП) обходится редкая отрасль науки и промышленности. Рассмотрим особенности современных ПЛП, характеристики и основные сферы использования.

Датчик перемещения: принцип работы, виды, сферы применения

Устройства, которые представляют направление и величину перемещений подвижных частей механизмов в виде аналоговых и цифровых сигналов, пригодных для последующей обработки, получили название преобразователей линейных перемещений. Они служат высокоэффективному измерению пути, круговых движений, уровня наполнения, расстояний до объекта.

Номенклатура — тысячи моделей для автомобильной, станкостроительной, судостроительной, нефтегазовой промышленности. Велика роль этих устройств в системах вооружения и робототехники. ПЛП призваны автоматизировать работу машин самых разных типов. Вот некоторые примеры использования:

  • управление шагом винта в ветряных генераторах;
  • формовочное и металлопрокатное оборудование;
  • затворы и шлюзы;
  • транспортно-погрузочные механизмы;
  • конвейеры;
  • устройства деревообработки;
  • машины для производства бетонных блоков;
  • контроль уровней продуктов.

Современные станки и автомобили, сервосистемы роботов, научная и медицинская техника насыщены ПЛП различного класса точности и быстродействия. Больше всего контроль линейных и угловых перемещений востребован в машиностроительной отрасли (до 70% всех видов измерений).

По принципу действия выделяют более 10 типов устройств, которые помогают автоматизировать контроль перемещений: ёмкостные, ультразвуковые, индуктивные, потенциометрические, вихретоковые, тензометрические и другие.

Среди наиболее простых и дешевых можно выделить потенциометрические. В них перемещение объекта приводит к изменению сопротивления переменного резистора. А это, в свою очередь, влияет на падение напряжение (через устройство пропускают постоянный ток). Соответственно, расстояние пропорционально падению напряжения.

Оптико-электронные преобразователи широко используются с середины прошлого века. Устаревшие лампы накаливания в таких приборах сейчас заменены лазерными излучателями, но суть процесса не меняется: оптические сигналы преобразуются в электрические. Наряду с оптическими не теряют актуальности ультразвуковые ПЛП, в которых фиксируются отраженные от объекта ультразвуковые волны.

Возможности традиционных бесконтактных оптических и звуковых преобразователей сильно ограничены условиями измерений. Они неэффективны в средах с низкой отражательной способностью, с высоким пыле-пено- парообразованием.

Этих недостатков лишены микроимпульсные ПЛП, в которых используется магнитострикционный эффект. В таких приборах используют ферромагнитные материалы (обычно сплав железа и никеля).

Процесс измерения инициируется импульсом тока. Стержень из ферромагнетика действует подобно «волноводу», по которому начинает распространяться магнитное поле. В измеряемой точке располагается постоянный позиционный магнит, связанный с объектом измерения (например, с гидравлическим цилиндром). Этот магнит служит «курсором» текущей позиции.

В месте его нахождения магнитные поля пересекаются и возникает пластическая деформация «волновода». Из этой позиции распространяется торсионный импульс, который улавливается и преобразуется в электрический ток. Время распространения торсионной волны (время импульсного отклика) прямо пропорционально расстоянию до постоянного магнита.

Наиболее эффективны эти приборы на диапазонах от 150 мм до 4-х и более метров.

Получили распространение везде, где требуется длительный срок службы. Они нечувствительны к загрязнениям и влажности, типичным для многих производств. Серии бесконтактных ПЛП от лидирующих производителей (MTS Sensors Temposonics, Balluff Micropulse и др.) работают по 7-8 лет в тяжелых условиях с сохранением стабильных характеристик точности и повторяемости.

ПЛП ещё разделяют по конструктивному исполнению: стержневой (для гидроприводов), профильный, измерители уровня наполнения, а также серии, способные работать в агрессивных средах, во взрывоопасной атмосфере, в условиях пищевой и химической промышленности.

При выборе преобразователя помимо его типа стоит выяснить следующие параметры:

  1. Диапазон измерения.
  2. Допустимая погрешность, разрешение. Минимальными погрешностями характеризуются устройства для станков с ЧПУ при изготовлении микросхем, в которых требуется точность на уровне микрометра. Для магнитострикционных представителей линейки Micropulse достигнута точность ±0,02% номинальной длины. Это превышает возможности ультразвуковых и радарных измерителей.
  3. Устойчивость к неблагоприятным факторам. Например, модель BTL5-A11-M0100-P-KA05 со степенью защиты IP67по IEC 60529 с герметичным корпусом способна давать устойчивые показания в жестких условиях, в диапазоне температур -40 -85°С, например, в прессах, формовочном оборудовании, портовых машинах.

На разрешение прибора и цену сильно влияет тип выхода/интерфейсного модуля:

  1. Аналоговый (по напряжению или току). Наиболее распространены токовые интерфейсы. Они стали стандартом ПЛП для многих отраслей, постольку относительно недороги и менее чувствительны к помехам.
  2. Импульсные. Сигналы от датчика усиливаются и передаются в цифровом виде без помех на значительные расстояния. В этой группе выделяют Р-интерфейсы и М-интерфейсы. Первые совместимы с котроллерами Siemens, Mitsubishi, Sigmatek, Parker, Esitron, WAGO и др. Вторые разработаны под определенные типы контроллеров.
  3. Синхронно-последовательные (SSI). Сигнал о положении позиционера посылается на контроллер в виде последовательности данных. Такие ПЛП подключаются непосредственно к плате управления через SSI-интерфейс. Они оптимальны в качестве сенсоров обратной связи для динамичных задач регулирования при работе в неблагоприятных условиях.

В ассортименте компании «Автоматика» сделан акцент на современных типах преобразователей, которые соответствуют требованиям Ростехнадзора, европейских и российских стандартов. Наши специалисты окажут помощь в выборе и покупке нужной модели, проведут технические консультации, организуют быстрые поставки в Екатеринбурге. Телефон для справок: +7 (343) 384-55-45.

Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

Классификация

По исполнению датчики делятся на:

  • Одноемкостные.
  • Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью.

Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность.

Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором.

Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов.

В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения.

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

  • С изменяемой площадью электродов.
  • С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия. 2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ. 3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса. 4 — Подстроечный элемент. 5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя. 6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины. 7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения. 8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.

9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:

  • Переменным расстоянием между пластинами.
  • Площадью перекрытия пластин.
  • Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Достоинства

Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:

  • Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
  • Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
  • Длительная эксплуатация.
  • Отсутствие подвижных контактов.
  • Повышенная чувствительность.
  • Малый расход электроэнергии.
  • Небольшие габаритные размеры и масса.
  • Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств.

Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора.

Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки

  • Работа на высокой частоте.
  • Повышенные требования к экранированию элементов.
  • Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию.

Основными областями применения датчиков стали:

  • Подсчет штучного товара.
  • Регулировка натяжения конвейера.
  • Сигнализация обрыва проводника при намотке.
  • Контроль наполнения упаковки.
  • Сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.

Похожие темы:

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *