Емкостный датчик линейка своими руками. Универсальный индукционный датчик. Функции и принцип действия

02.09.2019

Датчики для автоматических устройств радиоэлектронной аппаратуры являются важнейшими элементами в электрических схемах. Датчики, широко известные радиолюбителям, применяются повсеместно в профессиональной промышленной и непрофессиональной аппаратуре, изготовленной самими радиолюбителями. Например, датчик удара в автомобильных сигнализациях, или датчик шума в акустических устройствах, или датчик ИК излучения в устройствах дистанционного контроля параметров. Вариантов конструкций датчиков бесконечно много. Например, датчик качки (или удара) в автомобильной сигнализации с одинаковой эффективностью может быть изготовлен несколькими разными способами. Сами по себе датчики являются только частью электронной схемы, поэтому не будем забывать, что и от схемы управления зависит надежная работа всего устройства. Что же такое датчик?

Определений его множество, но самое простое - это прибор, изменяющий свое состояние в зависимости от внешних воздействий. Ниже мы рассмотрим несколько вариантов датчиков, которые можно без больших временных и финансовых затрат изготовить в домашних условиях своими руками. Эти датчики посылают однократные импульсы или пачки импульсов (дребезг контактов) на электронное устройство контроля в зависимости от воздействия на них.

В настоящее время радиоэлектронная промышленность предлагает радиолюбителям промышленные варианты датчиков казалось бы на все случаи жизни - даже счетчики Гейгера, регистрирующие радиацию, стали доступны. Следующий материал актуален по причине большой розничной стоимости большинства промышленных датчиков и направлен на поощрение творчества радиолюбителя в бытовых и «полевых» условиях, когда возможно изготовить датчики самостоятельно, без потери их качества.

Механические датчики

На рис. 3.28 изображен вариант изготовления плоского механического датчика. Монтируя один или несколько таких датчиков под ковролином, линолеумом, или под обоями, удается внешне незаметно управлять освещением, например, прихожей.

При нажатии ногой на плоскость датчика (или нажатии рукой на определенное место на стене квартиры, офиса) фольгированные контакты замыкаются, и импульс по соединительным проводам уходит на схему управления. Чувствительность датчика высокая - он реагирует даже на небольшую нагрузку.

Рис. 3.28. Конструкция механического датчика

Как видно из рисунка, на плотную фольгу накладывается картон с прорезанным внутри отверстием, а на него накладывается еще один слой фольги. К токопроводящей фольге (вполне подходит плотная фольга на бумажной основе) аккуратно припаиваются тонкие гибкие проводники. Весь получившийся «бутерброд» затем ламинируют. В качестве материала для ламинирования используют полиэтиленовую папку-карман для бумаг или школьных принадлежностей - ее нужно разрезать по размеру датчика, вложить фольгу и картон внутрь и через тряпочку прогладить утюгом. Можно просто обклеить датчик скотчем. Если в схеме управления используются помехоустойчивые элементы (полевые МОП-транзисторы или микросхемы) - длина соединительных проводов от датчиков до схемы может составлять несколько метров. Если требуется большее удаление, то применяются шинные усилители и преобразователи уровня на микросхемах (например, на элементах К561ПУЗ, К561ПУ4, К561ЛП1, К561ЛН2 и других). Если изготовить датчик в несколько слоев, чередуя проводник и диэлектрик, то получившийся «толстый бутерброд» можно использовать как датчик силы воздействия (нажима) - то есть как датчик для взвешивания. Вариантов применения такого датчика много, его особенностью является возможность легкой маскировки. Плоский датчик надежен, долговечен и описан автором подробно в нескольких разработках автоматических бытовых устройств.

Акустические датчики

На рис. 3.29 и 3.30 представлены две чувствительные схемы, осуществляющие функции акустического датчика, вырабатывающего серии (пачки) импульсов при звуковом воздействии, отличном от спокойного акустического фона. Схема на операционном усилителе (рис. 3.29) использует в качестве датчика воздействия пьезоэлемент.

Рис. 3.29. Акустический датчик, построенный на ОУ

Такой вариант неоднократно публиковался в сочетании с другими типами ОУ и поэтому он не претендует на оригинальность. В качестве пьезоэлемента использован капсюль ЗП-22 и из-за относительной чувствительности - реагирует только на удары - он не очень эффективен, однако с успехом может применяться в охранных устройствах, например, для охраны окон. Для этого капсюль нужно надежно приклеить к стеклу и датчик будет выдавать одиночные импульсы при ударах по стеклу. Чем больше площадь стекла (охраняемой зоны) - тем более чувствителен датчик. Он может применяться для охраны со стороны внешних стекол и витрин в магазинах. Чем больше сопротивление резисторов R4 и R2 на входе компаратора - тем чувствительнее схема. С выхода компаратора (вывод 6) импульс поступает на ключевую или формирующую схему. Конденсатор С1 (К50-24) фильтрует помехи по питанию.

На рис. 3.30 показан более чувствительный, хотя и более старомодный вариант. В качестве ВМ1 используется любой угольный микрофон от старых телефонных аппаратов (МК-10 и аналогичные). Транзисторный усилитель собран по схеме последовательного усиления таким образом, что коэффициент усиления второго каскада вдвое больше первого и т.д. На рисунке мы видим трехкаскадный усилитель, позволяющий использовать эту схему как сверхчувствительную, однако, если такая чувствительность не является столь необходимой - можно обойтись и только одним каскадом на составном транзисторе. Усилитель работоспособен в широких пределах напряжения питания схемы. С коллектора последнего транзистора пачки импульсов поступают на ключевую или формирующую последовательность импульсов схему (например, одновибратор). Усиление эффективно регулируется резистором R1 (чем больше его сопротивление - тем чувствительнее схема) и в незначительных пределах резистором R6. Как известно, в таких микрофонах находится угольный порошок, очень чувствительный к сотрясениям и звуковым волнам, он изменяет сопротивление микрофона по постоянному току. Эти импульсы и улавливает усилитель на транзисторах VT1-VT4. Отрицательной особенностью схемы является ее инерционность, обусловленная свойствами угольных микрофонов. Но для многих радиолюбительских разработок такая чувствительная схема практически незаменима по своей простоте и эффективности. Положительные качества - простота в изготовлении, некритичность к обратному включению и перепадам напряжения питания, надежность. Проводники от микрофона к электрической схеме должны иметь минимальную длину. Транзисторы допустимо применять любые из серий КТ3107, КТ361. В практике автора устройство, показанное на рис. 3.30, успешно и стабильно применяется в качестве звукового датчика для подачи рыбам в аквариум воздуха. Микрофон вместе со схемой датчика устанавливается в пластмассовом компактном корпусе, который надежно крепится к стенке аквариума так, чтобы обеспечить плотное прилегание рабочей поверхности угольного микрофона к стеклу. Практика показала, что любое движение за стенкой аквариума даже небольшой рыбки вблизи микрофона-датчика, а тем более всплывание рыбы к верхнему краю воды за воздухом улавливается датчиком и он выдает пачку импульсов. Угольный микрофон изменяет свое сопротивление в зависимости от внешних акустических воздействий. Это изменение затем воспринимается усилительной схемой на транзисторах. Количество импульсов в пачке пропорционально силе воздействия звуковой волны на микрофон. Импульсы преобразуются схемой управления, и автоматически включается компрессор на 1…2 часа (время, обусловленное дополнительным таймером).

Этот датчик может найти и другое применение, например, как акустический датчик, реагирующий на разговор в помещении, и включающий подсветку. Если корпус устройства вместе с микрофоном монтировать на полу - схема будет оповещать о приближении человека задолго до его подхода к датчику. Так как шаги человека по полу, как показывает практика в городских квартирах, воздействуют на его поверхность и передаются на большое расстояние. Таким образом, вариантов применения такого датчика очень много.

Индуктивный датчик

На рис. 3.31 показан простой датчик, реагирующий на магнитную индукцию. Когда вблизи обмотки катушки И появляется небольшой ток (например, в проводах линии связи), он наводится в катушке и передается на усилительный каскад на составном транзисторе. Усилитель для этой схемы может быть любой конфигурации, с большим коэффициентом усиления. С положительной обкладки конденсатора С2 снимается переменное напряжение, наведенное в катушке И. Если в качестве катушки применить магнитную антенну, можно получить прибор, реагирующий на

Рис. 3.31. Усилитель для индукционного датчика

радиоволны определенной длины, то есть контролировать радиоэфир. Чувствительность схемы регулируется резистором R1, задающим смещение на составной транзистор.

Чем больше сопротивление переменного резистора - тем чувствительнее схема. Для оптимального режима усиления (т.к. напряжение питания схемы может существенно изменяться) подбирается номинал резистора R2 так, чтобы ток, потребляемый этим узлом от источника питания, был в пределах 2 мА. На практике датчик улавливает переменный ток от 50 мА в проводах на расстоянии до 5 см. Длина проводов от катушки L1 до входного каскада схемы для исключения помех должна стремиться к минимуму.

Катушка наматывается проводом ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,1…0,15 мм внавал и содержит 2500 витков на любом подходящем картонном, деревянном или пластмассовом каркасе диаметром 8 мм. Внутрь каркаса вставляется сердечник из феррита марки 600 - 2000НН. Длина каркаса соответствует длине сердечника и находится в пределах 25…40 мм.

Датчик тока

Конструкция устройства показана на рисунке 3.32.

Датчик представляет собой геркон с намотанным по длине его стеклянного корпуса проводом диаметром 0,08…0,1 мм. Намотка внавал (300-400 витков) - в зависимости от назначения датчика. Когда по обмотке такого датчика протекает электрический ток, геркон под воздействием магнитной индукции замыкает (размыкает) свои контакты, коммутируя периферийную цепь. На основе этого датчика радиолюбитель может самостоятельно изготовить «токовое реле», соединив один из контактов геркона с концом обмотки, как показано на рис. 3.33.

Сразу после включения протекающий через нагрузку ток создает падение напряжения на обмотке L1. Падение напряжения на обмотке прямо пропорционально силе тока в цепи. Наведенное напряжение создаст небольшое электромагнитное поле, которое будет достаточным для воздействия на контакты геркона, которые заблокируют электрическую цепь. Когда нагрузка обесточит – ся (или ток в ее цепи уменьшится, что может произойти в силу очень разных причин), падение напряжения на L1 уменьшится, уменьшится магнитное поле, и контакты геркона разомкнуться. Чувствительность такого датчика зависит от количества витков L1 и силы тока в цепи. Токовое реле, как и электромагнитный датчик, имеет много вариантов применения в радиотехнических конструкциях.

Датчик малого тока

Рис. 3.36. Оптический датчик

параллельно передатчику и под углом к нему расположены фотоприемники (блок 2), также обращенные в пространство. При отсутствии отражающего объекта энергия, излучаемая свето- диодом, рассеивается, не попадая на чувствительную поверхность фотоприемников. При появлении объекта в пределах действия активного излучения световой отраженный луч улавливается одним или несколькими датчиками-приемниками, вследствие этого от фотоприемника на управляющую схему поступает импульс. Расстояние от излучателя сигнала до приемника (датчика) в плоскости излучения не должно превышать 4…5 сантиметров. Однако, если в качестве объекта-отражателя использовать зеркальную поверхность (даже без фокусирующей линзы) с радиусом кривизны 50…80 мм, то устройство может эффективно срабатывать на расстоянии до отражающего объекта до 25 см.

По этому принципу был создан специальный датчик, который испытывался в системе обеспечения жизнедеятельности аквариумов и в качестве датчика дождя для автомобилей. Рассмотрим работу узла (принципиальная схема показана на рис. 3.36, б) на примере аквариума. Датчик (оптрон АОРС113А - оптопара с открытым оптическим каналом, в данной схеме его излучающие светодиоды и принимающие фоторезисторы включены параллельно) монтируется с внешней стороны на одну из стенок аквариума и рабочей поверхностью обращен внутрь аквариума. Аноды излучающих диодов внутри корпуса оптрона объединены и имеют общий вывод 8. Корпус АОР113А и АОРС113А - металлический, с шестнадцатью выводами, на основе керамической подложки, типа «планар», со стеклянным окном. Это позволяет упростить монтаж к ровной контролируемой поверхности.

Отличие АОР113А от АОРС113А в том, что в составе АОРС113А находятся два идентичных приемо-передатчика (подобные одному в АОР113А). Оптрон АОРС113А позволяет контролировать соответственно две координаты и включать дифференциальные фотоприемники последовательно либо параллельно.

В больших аквариумах (объемом более 60 литров) имеются определенные трудности с заменой воды. Поэтому там устанавливаются компрессоры для фильтрации, очистки воды и постоянного снабжения воздухом акватории. Воду в больших аквариумах заменяют частично, а полностью очень редко, в случае крайней необходимости. В результате на дне и на стенках аквариума скапливаются различные органические отложения, загрязняющие воду. В некоторых случаях внутри акватории начинает цвести трава и вода совсем теряет прозрачность. Для ответственных хозяев это недопустимо. Рассматриваемый здесь оригинальный датчик практически не отражает излучение в случае чистых стенок аквариума и прозрачной воды, и начинает отражать луч, если есть загрязнение. Импульс от датчиков поступает на схему контроля параметров (реализованную на составном транзисторе), тогда при подаче питания на нагрузку (устройство сигнализации) последняя звуком сигнализирует о загрязнении аквариума. В схеме управления должна быть предусмотрена задержка подачи сигнала тревоги (таймер на несколько минут) для того, чтобы исключить ложные срабатывания системы сигнализации в случае появления в пределах активной зоны датчиков рыбы или, например, проползания улиток. Практикой доказано, что живым организмам в аквариуме не вредит небольшое излучение датчика. Скорее, можно констатировать обратный факт - рыбы часто появляются в рабочей зоне датчиков и живо интересуются происходящим.

Принцип действия датчика дождя для автомобиля аналогичен приведенному выше. Сами датчики (излучатели и приемники) соединены со схемой управления экранированными проводниками наименьшей длины. Исполнительное устройство датчика дождя призвано замыкать цепь автомобильной электроники - контакты выключателя стеклоочистителей. В автомобиле не нужна задержка на включение устройств нагрузки. Ночью, в темноте прибор ведет себя стабильно. Чувствительность устройства регулируется только один раз при установке на стекло автомобиля для исключения ложных срабатываний от солнечного спектра излучения в ясную погоду. Питание схемы - стабилизированное, может быть в пределах 10…18 В. Если точность срабатывания схемы не принципиальна, то в качестве нагрузки можно использовать любое автомобильное реле на напряжение 12 В.

Разница с предыдущим вариантом состоит в креплении корпуса с устройством к лобовому стеклу автомобиля (изнутри). В ясную погоду постоянное излучение свободно проходит через чистое стекло и рассеивается в пространстве. Во время дождя стекло с внешней стороны загрязняется дождевыми каплями, которые незначительно отражают лучи. Отраженный сигнал, соответственно, изменяет сопротивление фоторезисторов в корпусе оптрона с открытым оптическим каналом. Это приводит к изменению режима составного транзистора и появлению импульса тока на выходе. Так же как и в первом случае, фотоприемники (фоторезисторы) подключаются параллельно (их общее сопротивление при световом воздействии уменьшается быстрее - происходит увеличение чувствительности узла). Когда отражающего сигнала нет - суммарное сопротивление фоторезисторов оптрона высокое, порядка сотни кОм. На выходе схемы напряжение стремится к нулю относительно отрицательного полюса источника питания. Отраженное световое излучение уменьшит суммарное сопротивление фоторезисторов и откроет VT1, VT2. На выходе схемы появится напряжение высокого уровня, почти равное напряжению питания. Регулировка чувствительности схемы осуществляется переменным резистором R1, который следует выбрать с линейной характеристикой. С выхода схемы управляющий сигнал можно подавать на компаратор, сравнивающий базовое напряжение с входным (собранный по любой стандартной схеме, например на К521САЗ). Компаратор на своем выходе выдаст постоянный положительный сигнал при изменении напряжения на его входе. Сигнал с выхода компаратора через любой транзисторный ключ включит исполнительное реле, которое своими контактами замкнет цепь сигнализации (нагрузки).

Пара слов о монтаже к аквариумной стенке. Прозрачное окно корпуса оптрона моментальным клеем монтируется к стеклу, при этом следует следить, чтобы клей не попал на рабочую поверхность оптрона. Вместо АОРС113А можно применить два прибора АОР113А (на рис. 3.36, в, показана цоколевка и различие между данными оптронами). Они имеют аналогичные электрические параметры. Применение только одного элемента из пары не замедлит сказаться на работе всей схемы в сторону уменьшения чувствительности.

При использовании схемы в качестве датчика дождя для автомобиля необходимо учитывать следующий факт. Устройство хорошо работает в температурном диапазоне 0…50°С, поэтому зимой, если автомобиль не ставится в теплый гараж при отрицательной температуре воздуха, в первые моменты начала движения автомобиля, пока температура в салоне не поднимется до нуля градусов, датчик дождя может некорректно реагировать на внешние факторы.

Датчик возгорания

В радиолюбительской практике популярны простые и надежные устройства - датчики, реагирующие на изменение каких-либо параметров на входе. Одним из таких устройств является приведенная на рис. 3.51 схема, реагирующая на повышение…….

Фотодатчики и реализованные на их основе электронные устройства, управляющие различными бытовыми приборами, давно популярны среди радиолюбителей. Казалось бы, невозможно уже найти что-либо новое в схемном решении для таких устройств. Тем…….

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света. Монокристаллический фоторезистор Рис. 2.2. Монокристаллический фоторезистор Пленочный фоторезистор Рис. 2.3. Пленочный фоторезистор Рис. 2.4. Включение фоторезистора в цепь постоянного…….

Работа на производственных предприятиях требует частичной или полной автоматизации системы. Для этого используются различные приспособления, обеспечивающие бесперебойное функционирование. Приспособления из металла довольно часто контролируют индуктивные бесконтактные датчики, имеющие свои преимущества и недостатки. Они имеют небольшой размер и хорошо выполняют свою функцию при условии правильного подключения.

Общие сведения

Индукционный датчик представляет собой специальное приспособление, относящееся к бесконтактным. Это значит, что для определения местоположения объекта в пространстве ему не требуется непосредственный контакт с ним. Благодаря такой технологии, возможна автоматизация производственного процесса.

Как правило, приспособление применяется в различных линиях и системах на крупных заводах и фабриках. Его также можно использовать в качестве конечного выключателя. Прибор отличается высоким качеством и надежностью , работает даже в сложных условиях. Оказывает воздействие только на металлические предметы, поскольку другие материалы к нему нечувствительны.

Приспособление довольно устойчиво к агрессивным химическим веществам, широко применяется в машиностроительной, пищевой и текстильной промышленности. Аэрокосмическая, военная и железнодорожная отрасль также не обходится без этих датчиков.

Важность прибора делает его востребованным, поэтому множество компаний по всему миру выпускает различные модели со стандартным и расширенным набором функций, в разной ценовой категории.

Устройство прибора

Индуктивный датчик состоит из нескольких взаимосвязанных между собой узлов, которые и обеспечивают его бесперебойную работу. Основные детали приспособления следующие:

Все элементы расположены в корпусе, изготовленном из латуни или полиамида. Эти материалы считаются очень прочными для того, чтобы защитить сердцевину от отрицательного воздействия условий производства. Благодаря надежности конструкции, датчик способен выдержать значительную нагрузку и при этом корректно функционировать.

Принцип работы

Благодаря специальному генератору, выдающему особые колебания, осуществляется работа устройства. При попадании в поле его действия предмета, сделанного из металла, подается сигнал на блок управления.

Работа приспособления начинается после включения, которое даёт толчок к образованию магнитного поля. Это поле в свою очередь оказывает влияние на вихревые токи, меняющие амплитуду колебаний генератора, который первым реагирует на любые изменения.

Как только поступает сигнал, начинается обработка его в других узлах устройства. Сила этого сигнала во многом зависит от размера предмета, попавшего в поле действия приспособления, а также расстояния, на котором он находится. Следующим этапом будет преобразование аналогового сигнала в логический. Только так возможно точно определить его значение.

Особую роль играют такие датчики на производстве , где металлические детали должны идти по линии в определенном положении. Прибор может фиксировать его и при обнаружении любого, даже незначительного отклонения сигнализирует на главный пульт управления.

Как правило, чтение результатов функционирования устройства осуществляет специалист, выполняющий также роль контролера, наблюдающего за бесперебойной работой всей системы.

Основные определения

Для контроля работы устройства и чтения его сигналов существует несколько определений. Наиболее важными считаются следующие:

Благодаря этим определениям, возможно настроить приспособление для получения максимально точных данных, играющих важную роль в производственном процессе.

Преимущества и недостатки

Индукционные датчики имеют свои достоинства и недостатки, как и любое другое устройство. Главным преимуществом считается простота конструкции, не требующая сложной настройки и не нуждающаяся в особых условиях для монтирования. Приспособление не имеет скользящих контактов, сделано из прочного материала и может на протяжении длительного времени работать без перерыва.

Стоит также отметить, что прибор очень редко выходит из строя, и ремонт его не представляет сложности. Именно поэтому его часто устанавливают на предприятиях, где необходим почти круглосуточный контроль за производственным процессом. Бесконтактное подключение позволяет без проблем осуществлять соединение с промышленной системой напряжения.

Важным преимуществом считается высокая чувствительность, позволяющая устанавливать датчики на производстве, где работают с металлическими предметами из разных сплавов.

Несмотря на все достоинства приспособления, существуют и некоторые недостатки. Наиболее важным считаются погрешности, которые прибор выдает в работе. Нелинейный тип погрешности проявляется вследствие того, что прибор имеет свой показатель индуктивной величины, который может отличаться от значения тех предметов, на которые он реагирует. Именно поэтому датчик может реагировать на металл некорректно и подавать неверные сигналы.

Часто встречается температурная погрешность, связанная со значительным понижением или повышением температуры в производственном помещении. Инструкция к прибору предполагает его правильное функционирование при показателе +25 градусов. При отклонении значения в ту или иную сторону нарушается работа приспособления.

Одной из случайных погрешностей считается изменение показаний датчика вследствие воздействия на него электромагнитного поля других приборов. Для того чтобы избежать подобных ситуаций, на всех производствах установлен стандарт частоты электроустановок, составляющий 50 Гц. В этом случае риск возникновения погрешности из-за постороннего электромагнитного излучения снижается к минимуму. Исключить любые нарушения в работе устройства можно путем предварительной проработки деталей.

Способы подключения

В зависимости от типа устройства, отличаются и способы его подключения, поскольку определенные разновидности имеют разное количество проводов. Двухпроводные считаются наиболее простым, но и самым проблематичным вариантом. Включаются непосредственно в цепь токовой нагрузки. Для правильного проведения манипуляции необходимо номинальное сопротивление нагрузке. В случае его снижения или повышения приспособление начинает функционировать неправильно. Важным моментом будет подключение к сети, при котором необходимо соблюдать полярность.

Трехпроводные считаются наиболее популярными и простыми в подключении. Одни провода подсоединяются к нагрузке, а два других к источнику напряжения. Благодаря этому исключается вероятность реакции прибора на номинальное сопротивление в виде некорректной работы.

Существуют также датчики с четырьмя и пятью проводами. При их установке подключение двух проводов осуществляется к источнику напряжения, два - к нагрузке. Если присутствует пятый шнур, то есть возможность выбора подходящего режима работы.

Обычно провода обозначаются разными цветами с целью облегчения монтажа и последующего обслуживания датчика. Минус и плюс обозначены синим и красным цветом соответственно. Выход всегда маркируется черным цветом. Существуют устройства, в которых два выхода. Второй обычно белый и может служить также для входа. Эти нюансы указаны в инструкции по эксплуатации индуктивного датчика.

Корпус устройства может быть изготовлен из разного материала, иметь цилиндрическую, квадратную или прямоугольную форму. Наиболее распространенным считается первый вариант.

Правила выбора

Индукционный датчик считается важным элементом на многих предприятиях, поэтому к его выбору следует подойти очень ответственно. Рекомендуется соблюдать следующие правила:

Важный параметр - стоимость прибора. Зависит она чаще всего от фирмы-производителя и некоторых дополнительных функций, которые встроены в датчик. Однако существенной разницы в работе у устройств из разной ценовой категории не отмечается.

Популярные модели

Сегодня на рынке представлено множество моделей индуктивных датчиков. Наиболее востребованными считаются различные приборы от российской компании ТЕКО. Они отличаются хорошим качеством, отличными техническими характеристиками, простотой монтажа и эксплуатации. Главное достоинство устройств компании - демократичная цена.

Стоимость простых моделей начинается с 850 рублей, и за эти деньги прибор работает без нареканий. Выпускаются и более дорогие датчики с ценой от 2 до 5 тысяч рублей. Они обычно устанавливаются на крупных производствах, где необходима высокая точность и бесперебойная работа.

Индукционный датчик считается одним из лучших бесконтактных устройств, применяемых на различных заводах, фабриках и других предприятиях. Высокое качество и точность прибора делает его востребованным и необходимым.

Как обычно давайте сначала чуть углубимся в теорию.

Индуктивный датчик - бесконтактный датчик, предназначенный для контроля положения объектов из металла. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величины воздушного зазора.

В данной схеме мы видим катушку в составе колебательного контура, частота колебаний которого (и вытекающая из этого индуктивность) зависит от расстояния между катушкой и феромагнитным материалом. Измеряя индуктивность (или амплитуду колебаний) можно делать выводы относительно расстояния между катушкой и феромагнитным материалом.

Это принцип используется в индуктивных датчиках приближения. Упрощенная функциональная схема выглядит следующим образом. Генератор создает колебания в катушке, при изменении амплитуды колебаний выше (или ниже) порогового значения, срабатывает триггер и подает на выход логический ноль (или единицу, в зависимости от настроек).

1. Генератор создает электромагнитное поле взаимодействия с объектом
2. Триггер переключает состояние логического выхода
3. Комплексная защита защищает датчик от переполюсовки, помех по питанию
4. Ключевая схема создает выходной сигнал датчика
Такие датчики крайне широко используются в промышленности, например, в станкостроении, автомобильной отрасли и т.д.

Зачем такой датчик потребовался мне? Небольшая предыстория.
В свое время, году в 2011-2012 (за давностью уже точно не помню) на Kickstarter появился новый многообещающий стартап – 3Д принтер Makibox. Обещания были просто космические- за 200 USD (на секундочку, 2012 год!) полностью функциональный, отлично выглядящий и работающий 3Д принтер с подогреваемым столом. Доставку обещали включить в цену. Ближайшие доступные конкуренты тогда стоили около 800-1000 USD.

Выглядел он на фотках просто шикарно. Дальше началась вполне обычная для Кикстартера песня – срыв сроков поставки на год, повышение цены и т.д. Мне просто фантастически повезло, т.к. я был в первых рядах, то почти через 2 года с момента оплаты, я получил в первой и последней партии свой принтер за 350 USD (так подросла цена) с 4 катушками пластика (компенсация за «не помню что»). С учетом пластика получилось весьма недурственно. Затем фирма лопнула и тысячи вкладчиков остались ни с чем.

У меня даже сохранилось видео работы Макибокса. Ниже кадр первого запуска и первая деталь, которая даже не смогла допечататься.

Проблемы посыпались сразу и валом. Печатающая головка (hot end) намертво забивалась пластиком в течении первых пяти минут работы с гарантией 99%, через пару дней экспериментов накрылся экструдер (система подачи пластикового прутка), конструкция принтера была настолько непродуманная и хлипкая, что изделия гуляли и извивались во всех направлениях.

Надо сказать, что я все равно крайне был доволен тем, что ввязался в эту авантюру. Во-первых, я знал, на что шел. И в моем случае риск себя оправдал. А во-вторых, устраняя все огрехи конструкции, я досконально разобрался во всех аспектах и нюансах 3Д печати.

Печатающая головка был заменена на другую - E3D v.5. Экструдер напечатан новый, с жесткостью конструкции была проведена большая работа. И принтер начал печатать.

Но полностью устранить конструктивные просчеты было невозможно, а ходовые гайки из обычной пластмассы вызывали грусть, и понимание неизбежности скорого вырабатывания ресурса принтера.

И я решил собрать свой принтер. Технологию перемещения печатающей головки выбрал .

Вертикальную подачу стола я хотел сделать обязательно на ремнях, чтобы исключить искажения геометрии детали вдоль оси Z (wobbling). Также в голове сидели мысли – как бы подойти к решению проблемы выставления стола принтера «в горизонт».

На горизонтальности стола надо остановиться поподробнее. Это имеет непосредственно отношение к теме обзора и супер важно для качественной печати. Обычно все столы крепятся через систему пружинной регулируемой подвески в 3-х или 4-х точках.

И перед печатью необходимо долго и упорно гонять печатающую головку над столом и, крутя винты регулировки, добиваться максимально одинакового и точно заданного зазора (обычно 0.2-0.3 мм), причем на горячем (80-90 градусов) столе. Задача не самая, по правде говоря, интересная и увлекательная, да и обжечься можно. А т.к. настройки из-за вибрации и нагрева- охлаждения регулярно сбиваются, то эту процедуру надо повторять периодически. Причем процедура крайне важная – не будет идеального зазора и «горизонта» - деталь не приклеится к столу частично или полностью, и значит отвалится при печати или будет ужас какая кривая.

Поиски и раздумья привели меня к open source (свободно распространяемой) конструкции . Привлек меня в ней именно набор всех моих хотелок в одном флаконе: это и CoreXY, и вертикальная подача стола на ремне и герой нашего обзора – индуктивный датчик, используемый для калибровки стола.

Так как проект “открытый”, то существует большое сообщество энтузиастов, предлагающих всякие альтернативные улучшения и «фишечки». Посидев пару деньков над OpenSCAD, я определился с параметрами конструкции, распечатал необходимые детали, заказал недостающее в Китае.

Электроника, стол с подогревом, и шаговые двигатели взял с донора MakiBox. Дозаказать пришлось лишь 3 шкива под зубчатый ремень, собственно сам ремень, индуктивный датчик и несколько подшипников. Все влезло менее чем в 20 долларов.

И вот принтер собран.

Оптимизируя цену и конструкцию я погнался за двумя зайцами. Первый заяц – тишина. Я слышал как работают 3Д принтеры с линейными подшипниками – это громко. Они все же лязгают и для них нужны закаленные линейные направляющие.

И второй заяц, за которым я погнался – цена. Все же 12 подшипников и 6 осей стоят денег.

И надо сказать, что своих зайцев я догнал. В качестве осей взял незакаленные оси из разобранных струйных принтеров, 8мм в диаметре, а в качестве подшипников – выточил подшипники скольжения из маслонаполненного капролона. Оси из принтеров мне ничего не стоили, а на капролон я потратил 280 рублей и еще осталось на 3 или 4 комплекта. Работает механика практически бесшумно. Конечно с «песней» шаговых двигателей ничего поделать невозможно, но это меньшее из зол.

И наконец, герой нашего обзора. Фотку датчика отдельно возьму из сети, т.к. свой уже закреплен на 3Д принтере

И вот он на моем станке

Что делает индуктивный датчик? В прошивке 3Д принтера (я использую Marlin) есть раздел в котором описывается калибровка стола принтера. Можно указать 4 точки, в которых будет измеряться расстояние от датчика до стола.

Далее все очень и очень просто. Датчик проезжает по этим четырем точкам, опускает – поднимает стол и определяет расстояние между датчиком и столом. Растояние между столом и печатающей головкой в этих точках определяется как (Расстояние между датчиком и столом) – (Расстояние между датчиком и печатающей головкой).

Затем все эти величины учитываются прошивкой 3Д принтера, и начинается печать.

Так выглядит протокол обмена информацией в окне программы Repetier Host.

G28 – команда Homing (определение начальных положений по осям). Принтер гоняет печатающую головку до касания концевых датчиков осей
G29 – Это как раз Auto Leveling (Авто калибровка уровня). Проход по четырем точкам
Ниже результаты работы, расчет отклонения значений измерений четырех точек и необходимых поправок при печати.

И как водится, на самом принтере печатаем узлы для дополнительных компонентов. Напечатал держатель катушки с нитью.

И как всегда небольшое видео работы индукционного датчика и автокалибровки уровня стола принтера.

Резюме. Крайне недорогой прибор, который может серьезно облегчить жизнь владельцу 3Д принтера. Настоятельно рекомендуется к покупке.

Удачи и массы удовольствия от Ваших увлечений!

Планирую купить +38 Добавить в избранное Обзор понравился +40 +71

Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.

Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.

В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.

Схемы подключения датчиков PNP и NPN

Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.

Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.

Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.

На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.

Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков

На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN . Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.

Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.

Как проверить индуктивный датчик?

Для этого нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему. Затем – активировать (инициировать) его. При активации будет загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку, и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.

Замена датчиков

Как я уже писал, есть принципиально 4 вида датчиков с транзисторным выходом, которые подразделяются по внутреннему устройству и схеме включения:

PNP NO
PNP NC
NPN NO
NPN NC

Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.

Это реализуется такими способами:

Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
Изменение имеющейся схемы включения датчика.
Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.

Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:

PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.

Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.

Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.

Если внутренней нагрузки в датчике нет, и коллектор “висит в воздухе”, то это называют “схема с открытым коллектором”. Эта схема работает ТОЛЬКО с подключенной нагрузкой.

Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?

Бывают ситуации, когда нужного датчика нет под рукой, а станок должен работать “прям щас”.

Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.

В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.

Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.

Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.

Условное обозначение датчика приближения

На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.

НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.

На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов датчиков

Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.

Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.

Вот эта маркировка.

Синий (Blue) – Минус питания
Коричневый (Brown) – Плюс
Чёрный (Black) – Выход
Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.

Система обозначений индуктивных датчиков

Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics. / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан:1247 раз./

/ Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан:1004 раз./

/ Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан:1336 раз./

/ Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан:2163 раз./