Датчик расстояния до металла

Обновлено: 21.09.2024

Каталог промышленных оптических датчиков расстояния - лазерных дальномеров Balluff, Banner, IFM Electronic, Leuze Electronic, Pepperl+Fuchs, SICK с аналоговыми выходами 4-20 мА, 0-10 В или цифровыми интерфейсами на различные диапазоны измерения. Бесконтактное измерение расстояние - постоянно возникающая задача в современном производстве, решить ее помогут лазерные датчики расстояния, представленые в данном разделе каталога.

Диапазон измерения: 0,05. 8 м. Источник излучения: лазер (класс 1), красный. Световое пятно: 7х7 мм. Разрешение: 3 мм. Точность: 30 мм. Время измерения: 3,5. 50 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + 2xPNP/NPN NO/NC. Интерфейс: IO-Link. Температурный диапазон эксплуатации: -40. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: кабель 0,2 м с разъемом M12 5 pin.

Диапазон измерения: 0,2. 10 м (подавление заднего фона до 19 м) . Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 15х15 мм. Точность на максимальном расстоянии: ± 47,0 мм. Частота измерений: 1-50 Гц. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + PNP NO/NC. Интерфейс: IO-Link. Температурный диапазон эксплуатации: -10. +60 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем М12 5 pin.

Диапазон измерения: 1. 75 m (подавление заднего фона до 150 м) с отражателем E21159. Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно : 150х150 мм. Точность на максимальном расстоянии: ± 63,0 мм. Частота измерений: 1-33 Гц. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + PNP NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -10. +60 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем М12 4 pin.

Диапазон измерения: 0,2. 10 м (подавление заднего фона до 100 м). Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно : 15х15 мм. Точность на максимальном расстоянии: ± 65,0 мм. Частота измерений: 1-33 Гц. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + PNP NO/NC. Интерфейс: IO-Link. Температурный диапазон эксплуатации: -10. +60 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем М12 5 pin.

Диапазон измерения: 0,3. 6 м (подавление заднего фона до 100 м). Источник излучения: лазер (класс 1), красный. Световое пятно : 8х8 мм. Точность на максимальном расстоянии: ± 165,0 мм. Частота измерений: 1-33 Гц. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + PNP NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -10. +60 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем М12 4 pin.

Диапазон измерения: 0,2. 10 м (подавление заднего фона до 100 м). Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно : 15х15 мм. Точность на максимальном расстоянии: ± 65,0 мм. Частота переключений: 5 Гц. Выходной сигнал: PNP NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -10. +60 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем М12 4 pin.

Диапазон измерения: 150. 2000 мм . Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 2х6 мм. Разрешение: 1. 3 мм. Точность: 1,5 % от диапазона измерения. Время измерения: 1. 5 мс. Выходной сигнал: 2xPNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 10. 30 V DC. Подключение: разъем М12 5 pin

Диапазон измерения: 150. 2000 мм . Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 2х6 мм. Разрешение: 1. 3 мм. Точность: 1,5 % от диапазона измерения. Время измерения: 1. 5 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мА + PNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 10. 30 V DC. Подключение: разъем М12 5 pin

Диапазон измерения: 0,3. 10 м . Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 7х7 мм. Разрешение: 3 мм. Точность: 0,5 % от диапазона измерения. Время измерения: 1,4. 50 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мА + PNP NO/NPN NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем М12 5 pin.

Диапазон измерения: 150. 2000 мм . Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 2х6 мм. Разрешение: 1. 3 мм. Точность: 1,5 % от диапазона измерения. Время измерения: 1. 5 мс. Выходной сигнал: 0. 10 В + PNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 10. 30 V DC. Подключение: разъем М12 5 pin

Диапазон измерения: 0,1. 25 м с отражателем REF 7-A-100x100 (50111527) . Источник излучения: лазер ( класс 1 ), красный. Световое пятно: 25х25 мм. Разрешение: 3 мм. Точность: 50 мм. Время измерения: 3,5. 50 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + PNP/NPN NO/NC. Интерфейс: IO-Link. Температурный диапазон эксплуатации: -40. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: кабель, 2 м

Диапазон измерения: 0,1. 25 м с отражателем REF 7-A-100x100 (50111527). Источник излучения: лазер ( класс 1 ), красный. Световое пятно: 25х25 мм. Разрешение: 3 мм. Точность: 50 мм. Время измерения: 3,5. 50 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + PNP/NPN NO/NC. Интерфейс: IO-Link. Температурный диапазон эксплуатации: -40. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: кабель 0,2 м с разъемом M12 5 pin

Диапазон измерения: 0,1. 25 м с отражателем REF 7-A-100x100 (50111527). Источник излучения: лазер ( класс 1 ), красный. Световое пятно: 25х25 мм. Разрешение: 3 мм. Точность: 50 мм. Время измерения: 3,5. 50 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA/0. 10 В + PNP/NPN NO/NC. Интерфейс: IO-Link. Температурный диапазон эксплуатации: -40. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Диапазон измерения: 0,05. 8 м. Источник излучения: лазер (класс 1), красный. Световое пятно: 7х7 мм. Разрешение: 3 мм. Точность: 30 мм. Время измерения: 3,5. 50 мс. Выходной сигнал: 2xPNP/NPN NO/NC. Интерфейс: IO-Link. Температурный диапазон эксплуатации: -40. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin

Диапазон измерения: 50. 200 мм. Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 1x1 мм. Разрешение: 0,1 мм. Точность: 1% от диапазона измерения. Время измерения: 2 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA + PNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Диапазон измерения: 50. 450 мм. Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 1x1 мм. Разрешение: 0,1 мм. Точность: 1% от диапазона измерения. Время измерения: 2 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA + PNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Диапазон измерения: 50. 650 мм. Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 1x1 мм. Разрешение: 0,1. 0,5 мм. Точность: 1% от диапазона измерения. Время измерения: 2 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA + PNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Диапазон измерения: 50. 450 мм. Источник излучения: лазер ( класс 1 ), красный. Световое пятно: 1x1 мм. Разрешение: 0,1 мм. Точность: 1% от диапазона измерения. Время измерения: 4 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA + PNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Диапазон измерения: 50. 450 мм. Источник излучения: лазер (класс 2), красный. Световое пятно: 1x1 мм. Разрешение: 0,1 мм. Точность: 1% от диапазона измерения. Время измерения: 2 мс. Выходной сигнал: 4. 20 мA + 2xPNP/NPN NO/NC. Температурный диапазон эксплуатации: -20. +50 °C. Питание: 18. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики

В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.

Сфера применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.

Устройство

Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство индуктивного датчика

Как видите на рисунке, в его состав входят:

магнитопровод или ярмо (1) – предназначен для передачи электромагнитного поля от генератора в зону чувствительности;
катушка индуктивности (2) – создает переменное электромагнитное поле при протекании электрического тока по виткам;
объект измерения (3) – металлический якорь, вводимый или перемещаемый в области чувствительности, неметаллические предметы не способные влиять на состояние электромагнитного поля, поэтому они не используются в качестве детектора;
зазор между объектом измерения и основным магнитопроводом (4) – обеспечивает меру взаимодействия в качестве магнитного диэлектрика, в зависимости от модели датчика и способа перемещения может оставаться неизменным или колебаться в заданном диапазоне;
генератор (5) – предназначен для генерации электрического напряжения заданной частоты, которое будет создавать переменное магнитное поле в заданной области.

Принцип работы

Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.

Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя

При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.

Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания

При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.

Расстояние срабатывания и объект воздействия

В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.

Рис. 4. Область и объект срабатывания

Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.

Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:

Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала

На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного. В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:

замыкающий – при перемещении контролируемого объекта происходит перевод во включенное положение;
размыкающий – в случае воздействия индуктивный датчик переводит контакты в отключенное положение;
переключающий – одновременно объединяет оба предыдущих варианта, за одну коммутацию переводит один вывод во включенное, второй, в отключенное положение.

По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.

Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик

По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:

напряжение питания – определяет допустимый минимум и максимум разности потенциалов, при которой индуктивный датчик нормально работает;
минимальный ток срабатывания – наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
расстояние срабатывания – допустимый промежуток удаления, при котором будет происходить коммутация;
индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость электрического тока и линий магнитной индукции для конкретной модели;
поправочный коэффициент – применяется для внесения поправки, в зависимости от дополнительных факторов;
частота переключений – максимально возможное количество раз коммутации в течении секунды;
габаритные размеры и способ установки.

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Рис. 7. Схема подключения двухпроводного датчика

Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 8. Схема подключения трехпроводного датчика индуктивности

В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 9. Схема подключения четырехпроводного датчика индуктивности

По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.

Пятипроводных датчиков индуктивности

Рис. 10. Схема подключения пятипроводного датчика индуктивности

В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:

высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
может функционировать как от бытовой сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и прочих источников питания;
способны обеспечивать значительную мощность на выходе – порядка нескольких десятков Ватт;
характеризуются высокой чувствительностью в зоне измерения.

Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.

Ультразвуковой дальномер

Приветствую всех. Попал мне в руки недавно ультразвуковой датчик, который измеряет расстояние до объекта - US-100. Подобную вещь можно приобрести на торговых интернет площадках. На рынках своего города таких игрушек в продаже не удалось найти. Было решено построить схему на основе такого датчика на распространенном микроконтроллере AVR ATmega8. Назначение устройства состоит в измерении расстояния до объекта, а также измерения температуры. К слову о температуре. Модель US-100 это ультразвуковой датчик с температурной компенсацией. Скорость распространения звуковой (ультразвуковой) волны при разных температурах будет отличаться. Измерение датчика основано на времени прохождения звуковой волны от объекта до приемника датчика. Температурная компенсация, скорее всего не полностью, устранит погрешность вызванную температурой окружающей среды.

При рассмотрении печатной платы, можно сделать заключение об источнике измерения температуры: термометр находится в микросхеме или измерение температуры идет за счет диода, расположенного на краю платы. При измерении температуры диодом используется его P-N переход и связано это с температурным коэффициентом проводимости. С большой уверенностью это второй вариант, так как при работе ниже приведенной схемы при касании пальцами этого диода, температура изменяется. Так что при измерении лучше всего стараться руками не трогать датчик, чтобы получить более точные данные о расстоянии.

Для измерения датчик использует 2 головки, напоминающие большой микрофон или маленький динамик. По сути это и то, и то. Одна из головок излучает ультразвуковую волну, вторая принимает отраженный сигнал ультразвуковой волны. По времени прохождения определяется пройденное расстояние. По видимому ограничение измеряемого расстояния в 4,5 метра обусловлена мощностью излучателя.

Что относительно общения датчика с микроконтроллером, модель US-100 имеет два возможных интерфейса, выбираемые перемычкой на задней стороне платы датчика. Если перемычка стоит выбран интерфейс UART, если перемычка снята, используется интерфейс или режим работы GPIO. В первом случае для общения с микроконтроллером используется либо аппаратные средства микроконтроллера, либо программные. Во втором случае принимать и передавать данные придется только вручную. В схеме устройства задействуем более простой режим работы с использованием UART интерфейса.

Необходимо уточнить нюансы по распиновке и подключению датчика к микроконтроллеру. Обычно при передачи данных по UART линии Rx и Tx подключаются крест накрест - Rx на Tx, а Tx на Rx. Данный ультразвуковой датчик же нужно подключать в соответствии с подписанными контактами на печатной плате Rx на Rx, а Tx на Tx. Китайцы отожгли, согласен. Прежде чем это определилось, пришлось долго мучиться и в конце концов придти к этому. Итак, при работе по UART, для инициализации одного измерения расстояния ультразвуковому датчику US-100 необходимо на вывод Trig/Tx передать значение 0x55, что соответствует символу "U". В ответ датчик передаст два байта информации о расстоянии на вывод Echo/Rx - первый байт - это старшие 8 бит, второй байт - младшие 8 бит. Единицы измерения расстояния - миллиметры. Чтобы два байта перевести в одно значение расстояния, необходимо первый байт умножить на 256 и прибавить второй байт. Необходимо делать таким образом, потому что при переполнении младшего байта, старший байт увеличивается на единицу. Чтобы вывести текущее значение температуры окружающей среды, необходимо передать значение 0x50, что соответствует символу "P". В ответ датчик передаст значение температуры. Фактическое значение температуры будет равно полученному значению от датчика отнять 45.

Параметры ультразвукового датчика US-100:

напряжение питания - 2,4 - 5,5 вольт постоянного напряжения
потребляемый ток в режиме ожидания - 2 мА
рабочая температура - минус 20 - плюс 70 С
угол обзора - 15 градусов
интерфейс - GPIO или UART
измеряемое расстояние - от 2 см до 450 см
погрешность - плюс минус 3 мм + 1%

Конфигурация UART для датчика: 9600 baud rate, 8 data bits, parity: none, 1 stop bit.

Перейдем к схеме устройства.

Схема ультразвукового дальномера построена на основе микроконтроллера Atmega8 и ультразвуковом датчике US-100. Питание схема берется от линейного стабилизатора напряжения L7805, его можно заменить отечественным аналогом КР142ЕН5А, конденсаторы в обвязке стабилизатора обязательны, хотя может работать и без них. Некоторые стабилизаторы просто не запускаются без конденсаторов. Линейный стабилизатор можно заменить на импульсный, например MC34063 или LM2576, но придется немного изменить схему согласно подключению импульсных стабилизаторов в схеме. Конденсаторы С5-С7 необходимы для обеспечения стабильности работы микроконтроллера и датчика. Номиналы всех конденсаторов можно варьировать в разумных пределах. Резистор R2 необходим для предотвращения самопроизвольного перезапускания микроконтроллера и служит подтяжкой положительного питания на вывод reset. Резистор R1 регулирует контраст LCD-дисплея. В качестве информационной панели был взят жидкокристаллический (ЖК или по другому LCD) экран SC1602, 2 строки по 16 символов на основе контроллера HD44780. Заменить LCD-дисплей можно на любую другую модель на базе контроллера HD44780 с таким же количеством строк и символов в строке или больше. На печатной плате LCD-дисплея есть возможность задействовать подсветку экрана двумя способами - либо при помощи допаивания резистора и перемычки на самой плате экранчика или при помощи специальных выводов, обычно обозначенных как "А" и "К". Анод и катод соответственно. К ним через токоограничительный резистор подключается напряжение питания схемы 5 вольт. В данной схеме задействован первый способ, поэтому на схеме не обозначено. Вместо тактовых кнопок S1 - S5 можно использовать любые другие кнопки. Светодиод LED1 можно использовать любой подходящий по цвету или заменить его на транзистор и управлять какой-либо другой схемой в зависимости от превышения дистанции от датчика. В зависимости от примененного типа транзисторов (P-N-P или N-P-N) при превышении лимита дистанции или расстояния выход будет иметь положительное или отрицательное напряжение, то есть при высоком логическом сигнале микроконтроллера транзистор N-P-N будет открыт, а транзистор P-N-P закрыт. В прошивку микроконтроллера заложен параметр, при котором при превышении обозначенного лимита расстояния на вывод PB0 будет подаваться высокий логический уровень напряжения. В данной схеме светодиод просто сигнализирует о превышении. Данный сигнал дублируется на LCD-дисплее подчеркиванием данный о лимите дистанции. Данный параметр можно регулировать кнопками S1, S2. При нажатии происходит увеличение или уменьшение на 10 мм. Информация о дистанции на дисплей выводится также в миллиметрах. Информация о температуре окружающей среды выводится на дисплей в градусах Цельсия. К статье прилагается два варианта прошивок: 1) непрерывное измерение параметров дистанции и температуры (интервал примерно 0,2 секунды), при этом кнопки S4, S5 не задействуются, 2) при нажатии кнопок S4, S5 происходит однократный запрос к датчику на измерение температуры и расстояния. Видео к статье сделано с прошивкой номер 1. Для программирования микроконтроллера необходимо прошить фьюз биты:

Новичкам рекомендую пользоваться шестнадцатеричными значениями фьюз битов HIGH и LOW, чтобы не напортачить с расстановкой галочек. Скриншот из AVRstudio (есть отличия от дудки, sina prog и других программ для прошивки микроконтроллеров). Если Вы используете программы для прошивки микроконтроллеров AVR, в которых нет ввода параметров фьюзов, то можно воспользоваться фьюз калькуляторами для перевода галочек в шестнадцатеричную форму и наоборот.

Схема была собрана и проверена на макетной плате для Atmega8:

Конструктивно схему можно оформить, например, в виде пистолета с лазерным указателем направления ультразвукового датчика. Единственно ограничено измеряемое расстояния, при превышении которого погрешность резко возрастает. Также ограничение касается положения и размера предмета, до которого измеряется расстояние - расстояние до слишком мелких объектов или объектов находящихся под большим углом будет искажено. Идеальное сочетание достаточно большие предметы, находящиеся перпендикулярно направлению датчика. Погрешность измерений примерно соответствует заявленным производителем. Данное устройство при дальнейшем развитии можно использовать как обнаружитель препятствий, наподобие парктроника в комнатных условиях, так как на улице ультразвуковые головки данного датчика будут забиваться грязью.

Предлагайте свои идеи и варианты применения, наиболее интересные идеи в будущем могут быть реализованы.

К статье прилагаю 2 варианта HEX прошивок для МК, проект в Proteus (версия 7.7, ультразвукового датчика US-100 в базе proteus'а нет, но задействован UART отладчик), а также небольшое видео, демонстрирующее работу схемы.

Датчики приближения Autonics: индуктивные и емкостные

Бесконтактные датчики приближения можно встретить в медицинских приборах, в составе автоматизированных промышленных линий, в бытовой технике. Один из ведущих мировых производителей продукции для автоматизации, компания Autonics, предлагает бесконтактные датчики приближения серий PRDCM (индуктивные) и CR (емкостные).

Что общего между индуктосином фрезерного станка, сенсорным экраном смартфона, датчиком закрытия двери автомобиля и светильником с автоматическим включением? Ответ – во всех приведенных приложениях используются датчики приближения.

Датчики приближения – элементы, позволяющие обнаруживать присутствие, приближение или удаление различных объектов. Это достаточно широкий класс устройств (рисунок 1).

Рис. 1. Виды датчиков приближения

По типу взаимодействия с объектом датчики приближения делятся на контактные и бесконтактные.

Яркими примерами контактных датчиков являются концевые выключатели (например, датчики закрытия дверей в автомобилях).

Контактные датчики могут выполнять не только функцию включения и выключения, но и определять положение объекта, например, резистивные датчики уровня топлива. Для них выходным является аналоговый сигнал – значение сопротивления, пропорциональное уровню жидкости.

Достоинствами контактных датчиков является простота устройства и использования. Среди их недостатков можно отметить наличие механических подвижных частей и невозможность, в большинстве случаев, создать высокий уровень пыле- и влагозащищенности, что приводит к сокращению срока службы. Гораздо более длительный ресурс и максимальную защиту от негативного воздействия внешней среды имеют бесконтактные датчики.

Бесконтактные датчики делятся на две группы: датчики положения и выключатели. Основная функция бесконтактных выключателей состоит в релейном переключении состояния выхода при обнаружении объекта. В датчиках положения на выходе формируется сигнал, зависящий от расстояния до объекта.

Каждая из групп содержит сенсоры с различными технологиями обнаружения: индуктивные, емкостные и фотоэлектрические.

Рассмотрим бесконтактные индуктивные и емкостные выключатели производства компании Autonics.

Устройство и принцип действия индуктивных и емкостных датчиков приближения

Емкостные и индуктивные датчики способны обнаруживать присутствие объекта без непосредственного контакта с ним. При этом индуктивные выключатели чувствительны только к металлическим предметам, а емкостные способны детектировать любые предметы, диэлектрическая проницаемость которых отлична от воздуха (например, воду, дерево, металл, пластик и так далее). Рассмотрим принцип работы каждого датчика отдельно.

Основным элементом индуктивного датчика является катушка индуктивности (рисунок 2). Она подключена к генератору. Переменное электрическое напряжение на ее выводах вызывает переменное магнитное поле. Линии поля будут перпендикулярны направлению тока в витках катушки.

Рис. 2. Принцип работы индуктивного датчика приближения

При отсутствии вблизи катушки металлических объектов линии магнитного поля замыкаются по воздуху. А амплитуда электрических колебаний будет максимальной.

Если же к катушке приближать металлический объект, то все большая часть силовых линий начнет замыкаться через него. Индуктивность катушки начнет увеличиваться. Этот процесс схож с процессом введения сердечника. При этом рост индуктивности приведет к уменьшению амплитуды и/или частоты колебаний.

Если такую систему снабдить детектором, то по изменению амплитуды сигнала можно судить о наличии металлического объекта, его приближении или удалении.

В основе работы емкостного датчика, как следует из названия, положено использование емкостных связей. Сам датчик, по сути, представляет собой одну из обкладок пространственного конденсатора. Второй обкладкой является земля. В качестве диэлектрика выступает преимущественно воздух. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха мала (ε = 1), то емкость такого конденсатора невелика. Если же к датчику начинает приближаться некоторый объект с более высоким значением ε, то суммарная емкость начнет увеличиваться (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип работы емкостного датчика приближения

Таким образом, по величине емкости можно судить о наличии объекта, его приближении или удалении. При этом материал объекта может быть практически любым, важным является только значение его диэлектрической проницаемости.

Как правило, для измерения используются схемы с преобразованием емкости в частоту или амплитуду колебаний, которые измеряются с помощью детектора. В итоге, как и в случае с индуктивным датчиком, необходимо наличие двух обязательных элементов: генератора и детектора (рисунок 4).

Рис. 4. Структурные схемы датчиков приближения

Емкостные и индуктивные выключатели имеют выходной сигнал релейного типа – «включен» или «выключен» (рисунок 5). По этой причине схема датчиков имеет переключательный элемент – триггер, который для предотвращения ложных срабатываний снабжен гистерезисом.

Рис. 5. Формирование выходных сигналов выключателей

Основные характеристики и особенности датчиков приближения

Зона чувствительности или активная зона (Sensing Distance), мм. Как было показано выше, диапазон действия датчиков приближения ограничен. Значительное изменение измеряемой емкости и индуктивности наблюдается вблизи чувствительного элемента сенсора (рисунки 2, 3).

Сенсор начинает «чувствовать» объект только на достаточно близких расстояниях, сравнимых с размерами самого датчика. Эта зона чувствительности называется активной зоной. В случае индуктивных датчиков она определяет область наибольшей плотности линий магнитного поля.

Расстояние срабатывания, мм. После попадания объекта в активную зону датчик переключается не сразу, а при достижении некоего порогового значения, которое задается внутренним триггером с гистерезисом.

Гистерезис необходим для исключения ложных срабатываний. При этом включение и выключение датчика происходят при различном уровне колебаний.

Рабочий зазор (Setting Distance), мм – расстояние, на котором гарантированно обнаруживается заданный объект.

В последнем определении использовался термин «заданный объект». Необходимо сделать дополнительные пояснения. Дело в том, что все перечисленные характеристики не являются жестко заданными. На их величину влияет целый ряд факторов: материал и размер объекта, температурный дрейф, технологические параметры самого датчика. По этой причине все приведенные характеристики измеряются при использовании конкретного объекта при нормальной температуре (обычно 20 или 25°С).

Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры индуктивных датчиков. Как было показано выше, приближающийся металлический объект выступает в роли сердечника для чувствительной катушки. Очевидно, что материал и форма сердечника оказывают значительное влияние на значение индуктивности.

По этой причине все номинальные характеристики относятся к конкретному объекту, который всегда указывается в документации на датчик. Обычно это железная квадратная пластина с заданными размерами.

Если предполагается использовать другой материал, то необходимо использовать поправочный коэффициент редукции (таблица 1).

Таблица 1. Примеры коэффициентов редукции индуктивных датчиков

Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры емкостных датчиков. Емкость результирующего конденсатора также зависит от формы и материала объекта. Максимальная чувствительность у датчика наблюдается для материалов с большой диэлектрической проницаемостью (таблица 2).

Таблица 2. Значения диэлектрической проницаемости для различных материалов

Важно понимать, что при настройке и установке датчика следует учитывать возможность намокания или замасливания объекта наблюдения. Например, для воды ε = 80, поэтому даже тончайшая водяная пленка приведет к значительному изменению емкости. В этом может убедиться любой пользователь ноутбука с тачпадом. Если тачпад намочить – ноутбук потеряет управление до полного высыхания поверхности сенсора. Такая же картина наблюдается и в случае промышленных емкостных датчиков.

Размер объекта также имеет значение. Чем больше объект – тем больше емкость.

Температурный дрейф параметров датчиков приближения. Данная зависимость характеризует изменение характеристик датчика (размеров активной зоны и рабочего зазора) при изменении температуры.

Начальная точность, %. В документации на датчик кроме номинальных значений всегда указывается начальная точность – значение для заданной температуры и влажности. Этот разброс связан с технологическими особенностями производства датчика.

Частота срабатывания (Response Frequency), Гц, характеризует частоту переключений датчика.

Наибольшей частотой срабатывания обладают датчики, питающиеся от постоянного напряжения. При этом имеет место зависимость частоты от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта (таблица 3).

Таблица 3. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика постоянного тока 24 В

Датчики, питающиеся от переменной сети, имеют меньшую частоту переключений. Однако зависимость от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта отсутствует (таблица 4).

Таблица 4. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика переменного тока 100…240 В

Еще одной особенностью, о которой стоит помнить при использовании бесконтактных датчиков, является возможность взаимного влияния соседних сенсоров (рисунок 6). При монтаже датчиков не допускается их слишком близкое расположение на расстояниях меньших, чем указано в документации. Это касается случаев как встречной, так и параллельной установки.

Рис. 6. Ограничения при размещении соседних датчиков

Тип выходного каскада – одна из важнейших характеристик датчиков приближения. Датчики могут быть двух- и трехпроводными с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами (рисунок 7).

Рис. 7. Типы выходных каскадов датчиков приближения

Двухпроводные датчики Autonics выпускаются для работы с постоянным и переменным напряжением. Нагрузка может быть подключена как до, так и после датчика. При этом важно, чтобы величина сопротивления нагрузки обеспечивала протекание тока питания датчика. Если сопротивление нагрузки слишком велико – необходимо шунтировать его дополнительным резистором.

Трехпроводные сенсоры Autonics предназначены для работы в цепях постоянного тока и имеют два варианта исполнения с NPN- и PNP-выходным транзистором (рисунок 7). Если требуется постоянный контакт нагрузки с общей шиной – следует использовать датчик с PNP-выходом. Если же нагрузка требует подключения к шине питания – используется датчик с выходом NPN.

Выходной ток, мА – ток, который способен обеспечить выходной каскад датчика. Важный параметр, если сенсор напрямую управляет мощным потребителем. Если его мощности не хватает – следует использовать более мощный дополнительный внешний ключ.

Собственное падение напряжения, В, характеризует падение на датчике в замкнутом состоянии.

Собственный потребляемый ток, мА, измеряется для случая разомкнутых выходных контактов, то есть, когда через нагрузку не протекает ток.

Эксплуатационные характеристики. При использовании датчиков в жестких условиях промышленного производства следует помнить о таких параметрах как сопротивление изоляции, электрическая прочность, стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам, рейтинг пыле- и влагозащищенности, рабочий диапазон температуры влажности.

Компания Autonics выпускает огромное количество бесконтактных выключателей. Рассмотрим два популярных семейства: индуктивные датчики PRDCM и емкостные датчики CR.

Обзор индуктивных датчиков PRDCM

PRDCM – серия индуктивных цилиндрических выключателей с увеличенной зоной чувствительности и светодиодом состояния (рисунок 8).

Рис. 8. Внешний вид датчиков семейства PRDCM

Рис. 9. Внешний вид датчиков семейства CR

Датчики выпускаются в двухпроводном (таблица 6) и трехпроводном (таблица 5) исполнении. Активная зона представителей семейства достигает 25 мм, а рабочий зазор – 17,5 мм. Диапазон частот срабатываний составляет до 600 Гц.

Таблица 5. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства PRDCM

* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального.

Таблица 6. Основные характеристики двухпроводных датчиков семейства PRDCM

* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального
** – Масса обновленной единицы относится только к PRDCMT

Особенностями данной серии являются расстояние срабатывания, увеличенное до 2,5 раз по сравнению с предыдущим поколением, и наличие коннектора на корпусе, что удобно в эксплуатации и сокращает временные и материальные затраты на монтаж.

Выходной каскад имеет шесть вариантов исполнения: двухпроводной нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной NPN нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной PNP нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый. Диапазон питающих напряжений для всех датчиков: 10…30 В.

Нагрузочные характеристики трехпроводных представителей несколько выше: ток – до 200 мА, собственное падение напряжения – до 1,5 В. У двухпроводных – 100 мА и 3,5 В соответственно. Однако у трехпроводных выше и собственное потребление – до 10 мА (против всего 0,6 мА у двухпроводных).

Все датчики серии имеют отличные изоляционные свойства (до 1500 В) и высокое сопротивление изоляции 50 МОм.

Состояние датчика можно определить по светодиоду: если он светится, то ток поступает в нагрузку.

Датчики устойчивы к высоким вибрациям и ударным нагрузкам. Степень защиты (IP) составляет 67. Все это делает их отличным выбором для бытовых и промышленных приложений, таких как:

концевые датчики координатных столов в станках;
детекторы положения карусели инструментов фрезерных станков с ЧПУ;
датчики открытия дверей;
датчики приближения в установках автоматической роботизированной сварки;
датчики приближения в системах автоматической сборки;
детекторы брака (например, в линиях по производству консервов);
детекторы положения каруселей автоматического розлива молочных продуктов и так далее.

Код для заказа датчиков PRDCM представляет собой восьмипозиционное обозначение (таблица 7).

Таблица 7. Именование датчиков семейства PRDCM

Обзор емкостных датчиков CR

CR – серия емкостных цилиндрических датчиков от Autonics (рисунок 9).

Выпускаются датчики двух типоразмеров – CR18 и CR30 с зонами чувствительности 8 и 15 мм соответственно.

Двухпроводные нормально разомкнутые версии CRxx-xAO и двухпроводные нормально замкнутые версии CRxx-xAС работают с переменным выходным напряжением 110…240 В и током 5…200 мА. Частота срабатывания – 20 Гц.

Трехпроводные версии предназначены для работы в цепях постоянного напряжения 10…30 В с выходными токами до 200 мА. Их частота срабатывания достигает 50 Гц (таблица 8).

Таблица 8. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства CR

Состояние датчика можно определить по светодиоду. Если он светится – ток поступает в нагрузку.

Код для заказа датчиков серии CR включает 5 позиций: тип датчика, форму, диаметр головки, код зоны чувствительности, код типа выходного каскада (таблица 9).

Таблица 9. Именование датчиков семейства CR

Стоит отметить и высокую степень защиты: IP66 – для CR18, IP66 – для CR30. Изоляционные свойства также на высоте. Так как емкостные датчики способны обнаруживать не только металлические объекты, то спектр приложений серии CR еще шире, чем у индуктивных датчиков. Сфера их применения:

концевые выключатели станков;
детекторы автоматических линий розлива молока, пива, и тому подобное;
датчики уровня жидкости;
детекторы обнаружения брака в текстильном производстве.

Заключение

Серия индуктивных датчиков PRDCM производства компании Autonics предназначена для обнаружения металлических объектов на расстояниях до 25 мм. Существует шесть возможных конфигураций выходного каскада сенсоров этой серии: двухпроводной нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной NPN нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной PNP-нормально замкнутый и нормально разомкнутый.

Серия емкостных датчиков CR производства компании Autonics предназначена для обнаружения различных объектов (в том числе – деревянных, металлических и пластиковых) на расстояниях до 15 мм. Датчики выпускаются с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами для работы в цепях переменного напряжения 110…240 В (суффиксы AO и AC) и постоянного напряжения 10…30 В (суффиксы DN и DP).

Читайте также: