Grunder om närhetssensorer: val och användning i industriell automation

Många tillämpningar för industriell automation (IA) kräver förmågan att känna närvaron av och/eller positionen hos ett objekt eller en person utan att vara i fysisk kontakt, för att undvika att begränsa eller hindra rörelsen hos det objekt som avkänns. Närhetssensorn passar perfekt för denna roll. Men närhetssensorer finns i många utföranden, bl.a. magnetiska, kapacitiva, induktiva och optiska. Materialsammansättningen för det objekt som detekteras kan påverka en sensors förmåga att detektera dess närvaro.

Vissa närhetssensorer är användbara för att detektera järnhaltiga metaller, medan andra kan upptäcka vilken typ av metall som helst, och ytterligare andra kan detektera alla typer av objekt, och till och med människor. Användare av närhetssensorer i en IA-tillämpning måste vara medvetna om de olika typerna av närhetssensorteknologi och deras tillämpbarhet för specifika avkänningssituationer.

Denna artikel diskuterar flera typer av sensorer och ger information om vilka typer av objekt de kan känna av och den rumsliga känsligheten för varje enhetstyp. Exempelprodukter från Texas instrument, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc. och Carlo Gavazzi Inc. används som exempel.

Induktiva närhetssensorer

Induktiva närhetssensorer detekterar närvaron av ledande (dvs. metalliska) föremål och har ett avkänningsområde som är beroende av vilken typ av metall som detekteras. Dessa sensorer arbetar med ett högfrekvent magnetfält som genereras av en spole i en svängningskrets. Ett ledande mål som närmar sig magnetfältet får en induktions- eller virvelström inducerad i sig, vilket skapar ett motsatt magnetfält som effektivt minskar induktansen i den induktiva sensorn.

Induktiva närhetssensorer fungerar på två sätt. I det första driftsättet närmar sig objektet sensorn, vilket får induktionsströmmen att öka, vilket ökar belastningen på svängningskretsen och gör att dess svängning dämpas eller stoppas. Sensorn detekterar denna förändring i oscillationsstatus med en amplituddetekteringskrets och matar ut en detekteringssignal.

Ett annat driftsätt känner av en förändring i frekvensen - snarare än amplituden - av svängningen, vilket härrör från närvaron av ett ledande mål. Ett icke-järnmetalliskt föremål, som aluminium eller koppar, som närmar sig sensorn får svängningsfrekvensen att öka, medan ett föremål av järnhaltig metall, t.ex. gjutjärn eller stål, orsakar en minskning av svängningsfrekvensen. Förändringen i oscillationsfrekvensen i förhållande till en referensfrekvens gör att sensorns utgångstillstånd förändras.

Texas Instruments LDC0851HDSGT är ett exempel på en induktiv närhetssensor för små avstånd som använder frekvensvariationen för att detektera närvaron av ett ledande föremål inom dess elektromagnetiska fält (figur 1).

Figur 1: den induktiva närhetssensorn LDC0851HDSGT använder dubbla induktiva spolar - en avkänningsspole och en referensspole - för att mäta skillnaden i induktans till följd av ett målobjekt nära avkänningsspolen. (Bildkälla: Texas Instruments)

Den induktiva närhetsbrytaren LDC0851 är idealisk för kontaktlösa närhetsdetekteringstillämpningar som närvarodetektering, händelseräkning och enkla tryckknappar där avkänningsavståndet är mindre än 10 mm. Enheten förändrar sitt utgångstillstånd när ett ledande föremål rör sig i närheten av avkänningsspolen. Differentialimplementeringen (användningen av en avkännings- and referensspole för att bestämma systemets relativa induktans) och hysteres används för att garantera tillförlitlig omkoppling som är immun mot mekaniska vibrationer, temperaturvariationer och fukteffekter.

De induktiva pickupspolarna på LDC0851HDSGT är injusterade med en enda sensorkondensator, som ställer in svängningsfrekvensen i intervallet 3 till 19 megahertz (MHz). Push-pull-utgången är i lågt tillstånd när avkänningsinduktansen är under referensinduktansen och återgår till högt tillstånd när det omvända är sant.

Magnetiska närhetssensorer

Används för att mäta position och hastighet för rörliga metallkomponenter, magnetiska närhetsdetektorer kan vara aktiva enheter som en Hall-effektsensor eller passiva enheter såsom en VR-sensor (variabel reluktans) som Red Lion Controls 'MP62TA00 gängad magnetisk pickup (Figur 2, vänster). VR-närhetssensorn mäter förändringar i magnetisk reluktans - vilket är analogt med elektrisk resistans i en elektrisk krets - och består av en permanentmagnet, ett polstycke och en avkänningsspole innesluten i ett cylindriskt fodral.

Figur 2: Den magnetiska VR-givaren (vänster) är en passiv sensor som känner av förändringen i magnetfältet mellan polstycket och sensorhuset (visas till höger). (Bildkällor: Art Pini, med MP62TA00-bild från Red Lion Controls)

Ett ferromagnetiskt föremål som passerar nära polstycket orsakar en variation i magnetfältet. Denna variation genererar i sin tur en signalspänning i signalspolen. Storleken på signalspänningen beror på storleken på målobjektet, dess hastighet och storleken på gapet mellan polstycket och objektet. Målobjektet måste vara i rörelse för att känna av VRS. Den gängade magnetiska känselkroppen MP62TA00 är en epoxikapslad närhets-VR-sensor med ett driftstemperaturområde på -40 till +107 °C. Den är 25,4 mm lång med en gängad kropp (40 UNS).

VR-sensorer är passiva enheter, så de behöver ingen strömkälla. Därför används de ofta för mätningar i roterande maskiner. Exempelvis används VR-känselkroppar som MP62TA00 i stor utsträckning för att känna av passerande kuggar på kuggdrev, kedjekransar eller kuggremshjul. De kan också användas för att känna av bulthuvuden, kilspår eller andra snabbrörliga metalliska mål (Figur 3).

Figur 3: VR-sensorer används ofta för att känna av kuggar, kammar och kilspår i roterande maskiner. (Bildkälla: Red Lion Controls)

De används som varvräknare för att mäta varvtal och används också parvis för att mäta roterande axlars excentricitet.

Den andra typen av magnetisk sensor använder Hall-effekten för att detektera närvaron av ett magnetfält. Hall-effekten beskriver samspelet mellan en strömbärande ledare och ett magnetfält vinkelrätt mot ledarens plan. När en strömförande ledare placeras i ett magnetfält kommer en spänning (Hall-spänning) att genereras vinkelrätt mot både strömmen och fältet. Hall-spänningen är proportionell mot magnetfältets flödestäthet och kräver att målobjektet är magnetiskt.

55100-3H-02-A från Littelfuse Inc. är en flänsmonterad Hall-effektgivare som finns med en digital utgång eller en programmerbar analog spänningsutgång (Figur 4).

Figur 4: Blockdiagram och foto av den flänsmonterade Hall-effekt-närhetssensorn 55100-3H-02-A med en spänningsutgång. (Bildkälla: Littelfuse Inc.)

55100-3H-02-A mäter 25,5 x 11 x 3 mm och finns med en 3-ledningars spänningsutgång eller en 2-ledningars strömutgång. Båda versionerna erbjuder medelhög (130 Gauss), hög (59 Gauss) eller programmerbar känslighet. Komponenten har en hög känslighet och ett aktiveringsavstånd på 18 mm med en specificerad magnet. Pulldown-utgången kan absorbera upp till 24 VDC och 20 mA.

Denna sensor kan köras med switchningsfrekvenser upp till 10 kHz och kan känna av både dynamiska och statiska magnetfält. Förmågan att detektera statiska magnetfält är en stor fördel med Hall-effektsensorn, eftersom den kan användas för att känna av att en dörr är stängd eller ett föremål är i ett fixerat läge.

Optisk närhetssensor

Optiska närhetssensorer använder ljus - infrarött eller synligt - för att känna av föremål. De har fördelen av att ett mål inte behöver vara magnetiskt eller metalliskt - det måste bara hindra eller reflektera ljus. I princip avger optiska sensorer ljus och detekterar ljuset som reflekteras från målobjektet (Figur 5, vänster).

Figur 5: Den optiska närhetssensorn lokaliserar målobjektet genom att avge en ljusstråle och detektera reflektionen från målet. (Bildkälla: Art Pini)

EE-SY1200 från Omron Electronics Inc. är ett bra exempel på en optisk närhetssensor (Figur 5, höger). Det är en ultrakompakt fotosensor monterad på ett litet kretskort som drivs med infrarött ljus med en våglängd på 850 nm. Den består av ett LED-sändar- och fototransistorpar i ett ytmonterat paket med måtten 1,9 x 3,2 x 1,1 mm, som arbetar över ett temperaturintervall på -25 till + 85 °C. Det rekommenderade avkänningsavståndet är från 1,0 till 4,0 mm.

Dess lilla format på kortet gör den idealisk för att exempelvis rikta in metalliserade mylarmaterial i en automatisk inpackningsmaskin.

Ultraljudssensorer

Vid behov av större avkänningsavstånd, såsom att upptäcka bilar vid ett drive-in-fönster, kan ultraljudsbaserade närhetssensorer användas. Dessa sensorer upptäcker föremål av vilken typ som helst på avstånd upp till flera meter. Grunden för mätningen är tiden det tar för en ultraljudspuls som emitteras från sensorns sändare att reflekteras från målobjektet och plockas upp av sensormottagaren (figur 6).

Figur 6: Vid avståndsmätning med ultraljud mäts tiden från sändarens ultraljudspuls (vänster) till ankomsttiden för den reflekterade pulsen (höger). Denna tidsperiod är dubbla restiden för den initiala pulsen från sensorn till målobjektet. (Bildkälla: Art Pini)

Tiden från den sända pulsen till den mottagna reflektionen representerar restiden från sensorn till målobjektet och tillbaka igen. Genom att känna till utbredningshastigheten och flygtiden kan avståndet beräknas. I exemplet som visas är flygtiden 3,1 ms. För luft är ljudhastigheten 344 m/s vid 21 °C, så det totala avståndet till objektet och tillbaka är 1,2 m. Räckvidden från sensorn till objektet är hälften av restiden, 0,6 m.

MB1634-000 från MatBotix Inc. är en ultraljudssensor med ett mätavstånd på 5 m. Den kräver en strömkälla på 2,5 - 5,5 volt. Den arbetar med en frekvens på 42 kHz och matar ut avståndet till målet som en analog spänning, pulsbredd eller en seriell dataström för transistor-transistorlogik (TTL). Den har kompensation för målstorleksvariation, driftspänning och intern temperatur (valfri extern temperaturkompensation), allt i ett paket på mindre än en kubikcentimeter - 22,23 x 38,05 x 14,73 mm (Figur 7).

Figur 7: MB1634-000 är en ultraljudsavståndsmätare med sändare och mottagare och en räckvidd på 5 m. (Bildkälla: MaxBotix Inc.)

Kapacitiva närhetssensorer

Kapacitiva närhetssensorer kan upptäcka metalliska och icke-metalliska mål i pulver, granulat, flytande och fast form. Ett bra exempel är Carlo Gavazzis CD50CNF06NO (Figur 8). Anordningarna liknar i allmänhet induktiva sensorer förutom att den induktiva sensorns avkänningsspolar har ersatts av en kapacitiv avkänningsplatta. De används ofta för att exempelvis känna av vätskenivåer i lagringstankar.

Figur 8: I en generisk kapacitiv närhetssensor (vänster) bildar kondensatoravkänningsplattan en kondensator med det externa målobjektet; värdet på kapacitansen avgör oscillatorns frekvens. CD50CNF06NO från Carlo Gavazzi (till höger) är en kapacitiv närhetssensor avsedd för övervakning av vätskenivåer. (Bildkälla: Art Pini)

Avkänningsplattan i sensorn bildar en kondensator med målobjektet och kapacitansen varierar med avståndet till objektet. Kapacitansen för avkänningsmålet bestämmer oscillatorns frekvens, som övervakas för att växla utgångstillstånd närhelst en tröskelfrekvens passeras.

CD50CNF06N0 är avsedd för övervakning av vätskenivåer. Det är en 3-ledningssensor med öppen kollektor-NPN-transistor konfigurerad i normalt öppet läge. Den kräver en strömförsörjning på 10 - 30 volt DC. Den är inrymd i ett platt paket 50 x 30 x 7 mm och har ett avkänningsavstånd på 6 mm. I sin normala nivåavkänningstillämpning skruvas den eller limmas fast på utsidan av en icke-metallisk tank.

Slutsats

Närhetssensorer använder flera tekniker som passar för olika tillämpningar. Beroende på sensortyp, kan de upptäcka både metalliska och icke-metalliska föremål med ett avkänningsavstånd från millimeter till fem meter eller längre. De är tillräckligt kompakta för att fungera i trånga utrymmen och många kan användas i hårda miljöer. Denna bredd av teknologier ger användaren en mängd olika möjligheter att uppfylla alla tänkbara behov av olika sorts närhetsdetektering.