Některé senzory přiblížení jsou vhodné pro detekci železných předmětů, jiné mohou detekovat jakýkoli druh kovu a jiné mohou dokonce detekovat jakýkoli typ objektu a dokonce i lidi. Tento článek představí několik typů senzorů přiblížení a poskytne informace o jejich vlastnostech pro snadnější výběr. Představíme si senzory přiblížení od společností Texas Instruments , Red Lion Controls , Littelfuse Inc. , Omron Electronics Inc. , MaxBotix Inc. a Carlo Gavazzi Inc.

Indukční senzory

Indukční snímače přiblížení detekují přítomnost vodivých předmětů. Jejich snímací dosah závisí na materiálu detekovaného kovu. Detekce probíhá pomocí vysokofrekvenčního magnetického pole, které je generováno cívkou v oscilačním obvodu. Ve vodivém cíli, který se přibližuje k magnetickému poli, se indukuje vířivý proud, čímž se vytvoří opačné magnetické pole, které účinně snižuje indukčnost senzoru.

Indukční senzor pracuje dvěma způsoby:

• Jak se cíl přibližuje k senzoru, zvyšuje se tok indukčního proudu. To zvyšuje zátěž na oscilačním obvodu, a tím ovlivňuje jeho oscilaci, která je částečně utlumena nebo dokonce zastavena. Senzor detekuje tuto změnu stavu oscilace (amplitudy) a vygeneruje signál, že je detekován předmět v zorném poli.
• Snímání změny frekvence místo amplitudy. Předmět z neželezných kovů, jako je hliník nebo měď, způsobí zvýšení oscilační frekvence, zatímco předmět ze železných kovů, jako je železo nebo ocel, způsobí snížení oscilační frekvence. Tato změna oscilační frekvence vzhledem k referenční frekvenci způsobí změnu výstupního stavu snímače.

Příkladem indukčního spínače je LDC0851HDSGT od Texas Instruments. Využívá druhého způsobu detekce, čili změnu frekvence v momentě přítomnosti předmětu v jeho elektromagnetickém poli (obrázek 1).

Obrázek 1: Indukční bezdotykový snímač LDC0851HDSGT používá k měření rozdílu frekvence dvě cívky – snímací cívku (Sense coil) a referenční cívku (Reference coil). (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Indukční spínač LDC0851 je ideální pro bezkontaktní detekci přiblížení, detekci přítomnosti, počítání událostí a jednoduchá tlačítka, kde je snímací dosah menší než 10 mm. Spínač mění svůj výstupní stav, když se vodivý předmět pohybuje v těsné blízkosti snímací cívky. Diferenční implementace (použití cívky Sense and Reference k určení relativní indukčnosti systému) a hystereze se používají k zajištění spolehlivého přepínání, které je imunní vůči mechanickým vibracím, teplotním změnám nebo vlivům vlhkosti.

Indukční snímací cívky LDC0851HDSGT jsou vyladěny pomocí jediného kondenzátoru, který nastavuje oscilační frekvenci v rozsahu 3 až 19 MHz. Výstup push-pull je ve stavu Low, když je snímaná indukčnost pod referenční indukčností, a vrací se do stavu High, když je nad referenční úrovní.

Magnetické senzory

Tyto senzory dokážou měřit polohu i rychlost pohybujícího se kovového předmětu. Magnetické senzory mohou být aktivní (senzor s Hallovou sondou) nebo pasivní (senzor s proměnným magnetickým odporem (VR)) jako je senzor MP62TA00 od Red Lion Controls (obrázek 2 vlevo). Bezdotykový snímač VR měří změny magnetického odporu. Magnetický odpor se dá přirovnat k elektrickému odporu v elektrickém obvodu. Skládá se z permanentního magnetu, pólového nástavce a snímací cívky uzavřené ve válcovém pouzdře.

Obrázek 2: Magnetický snímač VR (vlevo) je pasivní snímač, který snímá změnu magnetického pole mezi pólovým nástavcem a pouzdrem snímače (zobrazeno vpravo). (Zdroje obrázků: Art Pini a MP62TA00 od Red Lion Controls)

Feromagnetický objekt procházející těsně kolem pólového nástavce způsobuje změny v magnetickém poli. Tato změna zase generuje napětí v signální cívce. Velikost signálního napětí závisí na velikosti cílového objektu, jeho rychlosti a velikosti mezery mezi pólovým nástavcem a objektem.

Cílový objekt musí být v pohybu, aby jej senzor VR zaznamenal. MP62TA00 se závitovým magnetickým snímačem je epoxidem zapouzdřený bezdotykový snímač VR s rozsahem provozních teplot -40 až + 107 °C. Je dlouhý 25,4 mm se závitovým tělem ¼ - 40 UNS.

Senzory VR jsou pasivní zařízení, takže nepotřebují zdroj energie. MP62TA00 je používán pro snímání zubů na železných ozubených kolech, řetězových kolech nebo rozvodových kolech. Mohou být také použity k snímání hlav šroubů, drážek pro pero nebo jiných rychle se pohybujících kovových předmětů (obrázek 3).

Obrázek 3: Senzory VR se široce používají k snímání zubů ozubených kol, vaček a drážek pro pera v rotujících strojích. (Zdroj obrázku: Red Lion Controls)

Další využití naleznou v tachometrech k měření rychlosti otáčení a také se používají ve dvojicích k měření excentricity rotujícího hřídele.

Druhý typ magnetického senzoru využívá k detekci přítomnosti magnetického pole Hallova jevu. Hallův jev popisuje interakci vodiče, jímž prochází proud a magnetickým polem kolmého k rovině vodiče. Když je vodič, jímž prochází proud, umístěn do magnetického pole, bude napětí (Hallovo napětí) generováno kolmo na proud i na pole. Hallovo napětí je úměrné hustotě toku magnetického pole.

Senzor 55100-3H-02-A od společnosti Littelfuse Inc. Využívá Hallova jevu. Je k dispozici s digitálním výstupem nebo programovatelným analogovým napěťovým výstupem (obrázek 4).

Obrázek 4: Blokové schéma a fotografie 55100-3H-02-A. (Zdroj obrázku: Littelfuse Inc.)

Senzor 55100-3H-02-A má velikost 25,5 x 11 x 3 mm a je k dispozici s třívodičovým napěťovým výstupem nebo dvouvodičovým proudovým výstupem. Každá verze nabízí střední (130 Gauss), vysokou (59 Gauss) nebo programovatelnou citlivost. Má vysokou citlivost a aktivační rozsah 18 mm. Na Pull down výstup lze připojit až 24 V DC s proudem 20 mA.

Tento snímač může pracovat při spínacích frekvencích až 10 kHz a dokáže snímat dynamická i statická magnetická pole. Schopnost detekovat statická magnetická pole je hlavní výhodou Hallova jevu, protože jej lze použít k detekci zavřených dveří nebo objektu v pevné poloze.

Optické senzory

Optické senzory přiblížení používají ke snímání objektů světlo - infračervené nebo viditelné. Mají tu výhodu, že cíl nemusí být magnetický ani kovový - prostě musí bránit nebo odrážet světlo. Optické senzory v zásadě vyzařují světlo a monitorují světlo odražené od cílového objektu (obrázek 5 vlevo).

Obrázek 5: Optický senzor přiblížení lokalizuje cílový objekt vyzařováním paprsku světla a detekcí odrazu od cíle. (Zdroj obrázku: Art Pini)

EE-SY1200 od Omron Electronics Inc. je dobrým příkladem optického snímače přiblížení (obrázek 5, vpravo). Jedná se o kompaktní fotosenzor namontovaný na malé desce s plošných spojů. Fotosenzor pracuje na infračervené vlnové délce 850 nm. Uvnitř pouzdra o velikosti 1,9 x 3,2 x 1,1 mm je LED emitor a fototranzistor. Je schopen pracovat v teplotním rozsahu  -25 až + 85 °C. Doporučený snímací dosah je od 1,0 do 4,0 mm.

Ultrazvukové senzory

Požadavky na větší snímací vzdálenost, jako je detekce automobilů u vjezdové brány, lze zvládnout pomocí senzorů na principu ultrazvuku. Tyto senzory detekují objekty jakéhokoli typu na vzdálenosti až několik metrů. Senzor měří čas, od vyslání ultrazvukového impulzu do doby, kdy se impulz odrazil od cílového objektu a dorazí zpět do senzoru. (obrázek 6).

Obrázek 6: Pomocí ultrazvuku se měří čas ultrazvukového impulzu od vyslání (vlevo) do času příjmu odrazeného impulzu (vpravo). (Zdroj obrázku: Art Pini)

Pomocí naměřeného času lze vypočítat vzdálenost detekovaného objektu. V zobrazeném příkladu je doba letu 3,1 ms. Rychlost zvuku je 343 m/s, takže celková vzdálenost k objektu a zpět je cca 1m. 

MB1634-000 od MatBotix Inc. je ultrazvukový snímač s měřicím rozsahem 5 m. Tento senzor vyžaduje zdroj energie od 2,5 do 5,5 voltů. Pracuje na frekvenci 42 kHz a jeho výstup je vztažený ke vzdálenosti cíle ve formě analogového napětí, šířce pulzu nebo sériového výstupu (TTL). Senzor je vybaven kompenzační funkcí pro změnu velikosti cíle, provozního napětí a vnitřní teploty (volitelná je externí teplotní kompenzace). To vše pouzdře o velikosti 22,23 x 38,05 x 14,73 mm (obrázek 7).

Obrázek 7: MB1634-000 je sestava ultrazvukového vysílače a přijímače s dosahem až 5 m. (Zdroj obrázku: MaxBotix Inc.)

Kapacitní senzory

Kapacitní senzory přiblížení mohou detekovat kovové i nekovové cíle v práškové, granulované, kapalné a pevné formě. Dobrým příkladem je kapacitní senzor CD50CNF06NO od Carla Gavazziho (obrázek 8). Senzory jsou podobná indukčním senzorům, akorát že snímací cívky indukčního snímače jsou nahrazeny kapacitní snímací deskou. Nejčastěji se používají pro snímání hladiny kapalin v zásobnících.

Obrázek 8: U kapacitního snímače přiblížení (vlevo) tvoří snímací deska kondenzátor s externím cílovým objektem. Výsledná hodnota kapacity určuje frekvenci oscilátoru. CD50CNF06NO od Carla Gavazziho (vpravo) je kapacitní snímač přiblížení určený k monitorování hladiny kapaliny. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Senzorová deska vytvoří kondenzátor s cílovým objektem a kapacita se mění se vzdáleností k objektu. Výsledná kapacita určuje frekvenci oscilátoru, která je monitorována, aby bylo možné přepnout výstupní stav při každém překročení prahové frekvence.

CD50CNF06N0 je určen pro monitorování hladiny kapalin. Jedná se o třívodičový senzor s tranzistorem NPN s otevřeným kolektorem. Vyžaduje stejnosměrné napájecí napětí 10 až 30 voltů. Dodává se v pouzdře 50 x 30 x 7 mm a má snímací dosah 6 mm. Bývá přišroubován nebo přilepen na vnější stranu nekovové nádrže.

Závěr

Senzory přiblížení využívají různé technologie, které jsou vhodné pro různé aplikace. V závislosti na zvolené technologii mohou detekovat kovové i nekovové cíle se snímací vzdáleností v rozmezí od několika milimetrů do pěti nebo více metrů. Jsou dostatečně kompaktní pro provoz ve stísněných prostorech a mnoho z nich je schopno provozu v drsném prostředí, jelikož jsou hermeticky uzavřeny.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Art Pini.