C2 S de Proximitate Oct.2015

23
SENZORI DE PROXIMITATE Proximitatea exprimă gradul de apropiere dintre două obiecte, fără contact fizic între acestea; unul dintre obiecte reprezintă referinţa. Senzorii de proximitate, care sunt specifici interacţiunii de la distanţă dintre două corpuri , pot fi inductivi, magnetici, capacitivi, fotoelectrici, ultrasonici, fluidici etc. De cele mai multe ori, senzorii de proximitate sunt folosiţi a) pentru detectarea unor obstacole sau obiecte (situate într-o zonă delimitată), b) pentru sesizarea unor capete de cursă (plasate pe traiectoria de mişcare a unui mobil), c) pentru determinarea interstiţiului dintre două suprafeţe. 1. Senzori inductivi de proximitate 1.1. Prezentare generală Acești senzori sunt dispozitive care realizează, de obicei, funcţia de comutator. Schimbarea stării (închis - deschis) se obţine atunci când un obiect metalic se apropie de suprafaţa activă a senzorului, la o distanţă mai mică decât distanţa nominală de acţionare.

description

C2 S de Proximitate Oct.2015

Transcript of C2 S de Proximitate Oct.2015

Page 1: C2 S de Proximitate Oct.2015

SENZORI DE PROXIMITATE

Proximitatea exprimă gradul de apropiere dintre două obiecte, fără contact fizic între acestea; unul dintre obiecte reprezintă referinţa.

Senzorii de proximitate, care sunt specifici interacţiunii de la distanţă dintre două corpuri, pot fi inductivi, magnetici, capacitivi,

fotoelectrici, ultrasonici, fluidici etc.

De cele mai multe ori, senzorii de proximitate sunt folosiţi

a) pentru detectarea unor obstacole sau obiecte (situate într-o zonă delimitată),

b) pentru sesizarea unor capete de cursă (plasate pe traiectoria de mişcare a unui mobil),

c) pentru determinarea interstiţiului dintre două suprafeţe.

1. Senzori inductivi de proximitate

1.1. Prezentare generală

Acești senzori sunt dispozitive care realizează, de obicei, funcţia de comutator.

Schimbarea stării (închis - deschis) se obţine atunci când un obiect metalic se apropie de suprafaţa activă a senzorului, la o distanţă

mai mică decât distanţa nominală de acţionare.

Page 2: C2 S de Proximitate Oct.2015

Structura senzorului este cea din fig. 1. Senzorul inductiv conţine patru blocuri electronice conectate în cascadă: oscilator,

demodulator, trigger Schmitt şi circuit de ieşire (fig. 1).

Senzorul conține o bobină înfăsurată în jurul unui miez de ferită situat în capul de sesizare.

Bobina face parte dintr-un oscilator care creează, în timpul funcţionării, un câmp magnetic alternativ în jurul acesteia.

La introducerea unui corp metalic în câmpul magnetic respectiv, în masa metalului apar curenţi Foucault, care generează un câmp

magnetic de sens contrar, blocând oscilaţiile.

Acestea se diminuează, până încetează complet, pe măsură ce obiectul metalic se apropie de senzor, aşa cum se arată în fig. 2.

Dispariţia oscilaţiilor determină inversarea stării elementului de comutaţie, reprezentat de tranzistorul TS din fig. 1.

Figura 1. Structura unui senzor inductiv de proximitate

Figura 2

Diminuarea progresivă şi dispariţia oscilaţiilor

la apropierea unui obiect metalic de senzorul inductiv

Page 3: C2 S de Proximitate Oct.2015

Dacă tensiunea de intrare a circuitului de ieşire este 0V, tranzistorul TS conduce şi LED-ul luminează (fig. 3, în care RTD este o

termorezistenţă).

Aplicând o tensiune de intrare de nivel ridicat acestui circuit, TS se blochează şi LED-ul este stins (fig. 4).

Figura 3

Comportarea circuitului de ieşire la aplicarea unei tensiuni de intrare de 0V

Figura 4

Comportarea circuitului de ieşire la aplicarea unei tensiuni de intrare de

nivel ridicat

Page 4: C2 S de Proximitate Oct.2015

Tensiunile la ieşirile celor patru blocuri electronice ale senzorului inductiv în absenţa detectării unui obiect metalic sunt

reprezentate în fig. 5, iar la detectarea obiectului metalic – în fig. 6.

Figura 5. Tensiunile la ieşirile blocurilor electronice ale senzorului inductiv în absenţa detectării unui obiect metalic

Figura 6. Tensiunile la ieşirile blocurilor electronice ale senzorului inductiv la detectarea unui obiect metalic

Page 5: C2 S de Proximitate Oct.2015

1.2. Caracteristici

a) Constructiv, senzorii inductivi de proximitate pot fi realizaţi

- cu faţa sensibilă inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-zis al senzorului,

- cu faţa sensibilă separată, printr-un cablu flexibil, de corpul senzorului.

b) Deplasarea obiectului metalic în raport cu senzorul se

realizează după mai multe direcţii. De exemplu, în cazul

feţei sensibile situate frontal, direcţiile de deplasare sunt

cele din fig. 7.

Figura 7. Direcţiile de deplasare a obiectului detectat

c) Senzori inductivi ecranaţi si neecranaţi Un senzor inductiv ecranat (fig. 8) are miezul de ferită înconjurat de o bandă de metal. Ca urmare, câmpul electromagnetic

este “direcţionat” doar în faţa zonei active a senzorului, iar suprafaţa de sesizare a obiectului metalic este redusă.

Senzorul neecranat nu conţine un cilindru metalic (de ecranare) în jurul miezului de ferită (fig. 9). Senzorul neecranat

asigură o distanţă de sesizare mai mare (aproximativ dublă) decât senzorul ecranat cu acelaşi diametru.

a) b) Figura 8

Senzor inductiv ecranat: a) imaginea senzorului; b) schema detaliată.

a) b) Figura 9

Senzor inductiv neecranat: a) imaginea senzorului; b) schema detaliată.

Page 6: C2 S de Proximitate Oct.2015

d) Distanţa de sesizare

Dimensiunea obiectului detectat şi materialul din care este

construit acesta influenţează distanţa de sesizare (detecţie).

Există obiectul metalic standard (o placă pătrată, cu

grosimea de 1 mm, confecţionată din oţel moale

feromagnetic) pentru care se defineşte valoarea nominală Sn

a distanţei de sesizare (fig. 10).

Figura 10. Distanţa de sesizare a obiectului standard

e) Factorul de corecţie

Când obiectul detectat are suprafaţa (paralelă cu zona activă) mai mică decât cel standard, se aplică un factor de corecţie (T).

În aceste condiţii, distanţa de detectare se notează cu Snew şi se calculează cu formula TSS nnew .

Factorul de corecție este subunitat și depinde de

- tipul senzorului (ecranat sau nu),

- mărimea suprafeței obiectului plan detectat,

- natura materialului obiectului detectat,

- grosimea obiectului detectat.

Materialul obiectului de

detectat

Factorul de corectie

Senzor inductiv

ecranat

Senzor inductiv

neecranat

Otel moale, Carbon 1.00 1.00

Otel inoxidabil 0.70 0.08

Alama 0.40 0.50

Aluminiu 0.35 0.45

Cupru 0.30 0.40

Page 7: C2 S de Proximitate Oct.2015

f) Histerezisul

Histerezisul unui senzor de proximitate (fig. 11) este cursa dintre punctul de oprire a oscilaţiilor (la apropierea obiectului de

senzor) şi punctul de pornire a oscilaţiilor (la îndepărtarea obiectului de senzor).

Histerezisul este necesar pentru a evita comutările parazite rapide ale ieşirii senzorului, când acesta este supus unor şocuri sau

vibraţii sau când obiectul ţintă este staţionar la distanţa nominală de sesizare.

Efectul histerezisului asupra nivelurilor de comutare ale tensiunii de ieşire a senzorului este prezentat în fig. 12.

Figura 11. Histerezisul unui senzor de proximitate

Figura 12

Nivelurile de comutare ale ieşirii senzorului de proximitate

Punct de

pornire a

oscilaţiilor

Punct de

oprire a

oscilaţiilor

Histerezis

Page 8: C2 S de Proximitate Oct.2015

1.3. Aplicaţii

a) Monitorizarea unui robot industrial

Din motive de siguranţă, la un robot industrial trebuie monitorizate unghiurile maxime de răsucire admise la diferite axe. Pentru

aceasta, se utilizează senzori inductivi de siguranţă (fig. 13) conectaţi la o unitate de comandă. Interogarea poziţiei opritoarelor de

cuplare are loc fără atingere.

Figura 13. Senzori inductivi pentru monitorizarea unui robot

b) Interogarea poziţiei la terminale de ventile. Pentru monitorizarea poziţiei fiecărui ventil se folosesc senzori inductivi

a) b)

Figura 14. Interogarea poziţiei la terminale de ventile

Page 9: C2 S de Proximitate Oct.2015

c) Alte aplicaţii

Figura 15. Aplicaţii tipice ale senzorilor inductivi de proximitate GL-6

Figura 16. Sortarea capacelor feroase / neferoase

ale unor bidoane

Figura 17 Figura 18 Figura 19

Indicator pentru barieră coborâtă Identificarea unor piese metalice pe o bandă rulantă Detectoare de poziţie în staţiile de triaj din căile ferate

Page 10: C2 S de Proximitate Oct.2015

2. Senzori capacitivi de proximitate

2.1. Prezentare generală

Senzorii capacitivi pot detecta atât obiecte conductoare cât şi obiecte izolatoare din punct de vedere electric; obiectele pot fi solide,

lichide sau sub formă de pulberi.

Distanţa de sesizare pentru metale este mai mare decât pentru dielectrici, iar la aceştia din urmă creşte la creşterea constantei

dielectrice.

Funcţionarea senzorilor capacitivi se bazează pe modificarea capacităţii unui condensator; modul în care se modifică aceasta este

diferit în funcţie de natura obiectului (conductor sau dielectric).

Dacă obiectul este metalic (conductor), una dintre armături este senzorul, iar cealaltă este obiectul. Schimbarea capacităţii

condensatorului este rezultatul modificării distanţei dintre cele două armături datorită deplasării obiectului în raport cu senzorul. Un

astfel de dispozitiv este reprezentat schematic în fig. 24.

Figura 24. Senzor capacitiv de proximitate utilizat pentru detectarea obiectelor metalice

Page 11: C2 S de Proximitate Oct.2015

Dacă obiectul detectat este confecţionat dintr-un material izolator din punct de vedere electric, este preferabil să se folosească o

armătură de referinţă, plasată la o distanţă fixă faţă de senzor, care reprezintă cealaltă armătură a senzorului (fig. 25).

Figura 25. Senzor capacitiv de proximitate utilizat pentru detectarea obiectelor dielectrice

Când în spaţiul dintre cele două armături apare un obiect dielectric, capacitatea condensatorului se modifică.

Variaţia capacităţii condensatorului depinde de constanta dielectrică şi grosimea obiectului.

Se consideră obiect plat din fig. 25, realizat dintr-un material dielectric cu permitivitatea relativă εr.

Condensatorul format după apariţia obiectului în apropierea senzorului are mai mulţi dielectrici între armături, iar capacitatea C a

sa este capacitatea echivalentă a trei condensatoare conectate în serie, corespunzătoare celor trei straturi dielectrice:

0

r

0

00

2

r0

0

0

1 ddd

S

1

S

d

S

d

S

d

C

1.

Page 12: C2 S de Proximitate Oct.2015

Senzorii capacitivi produşi de diferite firme sunt, de fapt, traductoare capacitive întrucât conţin şi circuitele electronice care

constituie adaptorul.

Fig. 27 prezintă schema bloc a unui traductor capacitiv de proximitate (denumit adesea, în prezent, senzor).

Obiectul ţintă (metalic) reprezintă una dintre armăturile condensatorului de sesizare.

Acest condensator este integrat într-un oscilator RC.

Când obiectul ţintă intră în zona de sensibilitate a senzorului, oscilaţiile încetează.

Celelalte blocuri electronice din structura adaptorului sunt demodulatorul, triggerul Schmitt şi circuitul de ieşire, iar

funcţionarea întregului ansamblu este cea descrisă anterior pentru senzorul inductiv.

Figura 27. Schema bloc a traductorului capacitiv de proximitate

Page 13: C2 S de Proximitate Oct.2015

În fig. 28 sunt prezentate câteva tipuri de “senzori” capacitivi de proximitate.

Principalul avantaj al acestora este posibilitatea de a detecta orice corp (conductor sau izolator). Senzorii capacitivi de proximitate

Dezavantaj: sunt puternic influenţaţi de perturbaţii externe (temperatură, câmpuri electrice, impurităţi, umiditate).

Figura 28. Senzori capacitivi de proximitate

Senzorii capacitivi ecranaţi sunt recomandaţi pentru detectarea obiectelor izolatoare, cu constante dielectrice reduse.

Senzorii neecranaţi sunt recomandaţi pentru detectarea obiectelor cu constante dielectrice ridicate.

Senzorii capacitivi neecranaţi sunt o alegere mai bună pentru medii cu praf sau umezeală.

Ca orice senzor de proximitate, cel capacitiv prezintă un histerezis care însă este mai pronunţat decât la senzorii inductivi.

Page 14: C2 S de Proximitate Oct.2015

2.2. Senzori capacitivi care detectează atât obiecte metalice cât și nemetalice

Un asemenea senzor capacitiv de proximitate este proiectat să genereze un câmp electrostatic şi să detecteze modificările acestuia

determinate de apropierea obiectului detectat de faţa activă a senzorului.

Reprezentarea schematică a structurii interne este cea dîn fig. 33.

Senzorul constă într-o sondă capacitivă conectată într-un oscilator (OSCILLATOR), urmat de un redresor cu filtru (DETECTOR) şi

un etaj final (OUTPUT). Se observă asemănarea, ca structură, cu senzorul inductiv de proximitate (schema bloc din fig. 1).

Figura 33. Structura internă a senzorului capacitiv de proximitate

Figura 34

Liniile câmpului electric între electrozii metalici A şi B

În absenţa obiectului de detectat (TARGET), oscilatorul este inactiv.

La apropierea obiectului ţintă de senzor, capacitatea sondei senzorului creşte, iar la depăşirea unei valori de prag se produce

comutarea ieşirii senzorului.

Electrozii metalici A şi B din fig. 33 sunt poziţionaţi încât să formeze un condensator ”deschis”, ca în fig. 34. Capacitatea

senzorului se calculează în funcţie de aria suprafeţei fiecărui electrod (A sau B), distanţa dintre electrozi şi constanta dielectrică

a materialului dintre cei doi electrozi.

Capacitatea sondei depinde de dimensiunile obiectului ţintă, natura materialului şi constanta dielectrică, dar şi de distanţa faţă

de sonda senzorului.

Page 15: C2 S de Proximitate Oct.2015

Figura 35

Liniile câmpului electric între electrozii metalici A şi B în condiţiile detectării

unui obiect metalic

Figura 36

Liniile câmpului electric între electrozii metalici A şi B în condiţiile detectării

unui dielectric

Constantele dielectrice pentru câteva materiale uzuale

Materialul εr Materialul εr

Sticlă 3,7 – 10 Făină 1,5 – 1,7

Hârtie 1,6 – 2,6 Cereale 3 – 5

Zahăr 3 Lemn uscat 2 – 7

Sare 6 Lemn umed 10 – 30

Pentru o anumită dimensiune a obiectului ţintă, se aplică factori de corecţie pentru determinarea distanţei de sesizare, ca la senzorii

inductivi de proximitate.

Materialele cu constanta dielectrică mai mare sunt mai uşor de detectat. Constantele dielectrice pentru câteva materiale uzuale sunt

date în tabelul 7.3.

Page 16: C2 S de Proximitate Oct.2015

2.3. Aplicaţii

Figura 29 Figura 30

Senzori capacitivi de proximitate utilizaţi în industria alimentară Senzori capacitivi de proximitate utilizaţi în industria lemnului

a) b)

Figura 31 Figura 32

Senzori capacitivi de proximitate utilizaţi pentru detectarea Senzori capacitivi de proximitate utilizat la un xerox

nivelului unui lichid (a) sau al unei substanţe granulare (b)

Page 17: C2 S de Proximitate Oct.2015

3. Senzori ultrasonici

3.1. Prezentare generală

Senzorii ultrasonici şi cei optici, în infraroşu, sunt cei mai utilizaţi senzori de proximitate.

Senzorii ultrasonici de proximitate au următoarele avantaje :

pot detecta, fără contact sau uzură, o largă varietate de obiecte : transparente, opace, din metal, sticlă, plastic, carton, lemn

etc., lichide, solide sau pulberi ;

printr-o procesare adecvată a semnalelor, permit determinarea distanţei până la obiectul detectat.

Câteva capsule de senzori ultrasonici sunt prezentate în figura 8.1.

Figura 8.1

Page 18: C2 S de Proximitate Oct.2015

3.2. Generarea undelor ultrasonice

Undele ultrasonice (ultrasunete, unde ultrasonore) sunt unde sonore cu frecvenţa peste 20kHz.

Pentru emiterea ultrasunetelor de frecvenţă joasă (20-60kHz) se poate folosi generatorul magnetostrictiv, iar pentru emiterea

ultrasunetelor de frecvenţe mari se foloseşte generatorul piezoelectric.

a) Generatorul magnetostrictiv

Funcţionarea dipozitivului se bazează pe efectul magnetostrictiv care constă în deformarea corpurilor feromagnetice (fier, nichel,

cobalt) sub acţiunea unui câmp magnetic.

De exemplu, în interiorul unei bobine alimentate în curent alterntiv se introduce o bară din nichel (paralelă cu lungimea

bobinei). Când câmpul magnetic produs de bobină variază periodic, bara se scurtează periodic.

În cazul unor frecvenţe mari ale câmpului alternativ, vibraţiile capetelor barei dau naştere la unde ultrasonore.

b) Generatorul piezoelectric

Efectul piezoelectric constă în apariţia unor sarcini electrice egale şi de semne contrare pe feţele unui cristal supus la

deformări de tracţiune, după anumite direcţii.

Sarcinile de semne opuse îşi schimbă locul între ele dacă înlocuim tracţiunea cu comprimarea cristalului.

Efectul piezoelectric invers (electrostricţiunea) constă în dilatări şi comprimări succesive ale cristalului sub acţiunea unui

câmp electric alternativ.

Producerea ultrasunetelor se bazează pe efectul piezoelectric invers.

Partea esenţială a generatorului piezoelectric constă dintr-o lamelă piezoelectrică (de obicei din cuarţ) pe feţele căreia sunt

aplicaţi doi electrozi (sub forma unor straturi subţiri metalice) legaţi la o sursă de tensiune alternativă.

Sub acţiunea câmpului electric alternativ, lamela începe să vibreze cu o frecvenţă egală cu cea a tensiunii aplicate.

Page 19: C2 S de Proximitate Oct.2015

Vibraţiile lamelei sunt transmise în mediul înconjurător sub formă de ultrasunete.

Intensitatea radiaţiei ultrasonore este de ordinul ×10W/cm2 … ×100W/cm

2.

Traductorul ultrasonic este introdus într-o răşină, pentru protecţia împotriva umidităţii, prafului şi altor factori de mediu.

Carcasa are o construcţie specială pentru a asigura obţinerea unei unde acustice înguste.

Undele ultrasonore străbat aerul cu viteza sunetului (c 340m/s) şi sunt orientate spre zona explorată de senzor.

Ultrasunetele emise de senzor suferă reflexia şi refracţia (modificarea direcției de propagare a undei) la suprafaţa de separare a

două medii diferite.

Undele sonore sunt parţial reflectate înapoi, către senzor, de către obiectul aflat în zona explorată.

De aceea mulți senzori ultrasonici emit şi recepţionează unde ultrasonore (reprezentarea schematică a unui asemenea senzor este

cea din figura 8.2).

Intervalul de timp dt dintre momentul emiterii undei ultrasonice şi momentul recepţionării ecoului de către senzor este direct

proporţional cu distanţa D dintre senzor şi obiectul detectat.

Distanţa faţă de obiectul detectat se calculează cu relaţia 2

tcD d .

Pentru îmbunătăţirea preciziei măsurării, se calculează, succesiv, câteva valori ale distanţei D şi se consideră rezultatul final ca

fiind media valorilor calculate.

Page 20: C2 S de Proximitate Oct.2015

3.3. Conul sonic

Senzorul ultrasonic emite unde sonore care sunt reflectate de orice obiect (sau suprafață de separare dintre 2 medii) aflat în

conul sonic.

Forma şi dimensiunile conului sonic depind de obiectul detectat.

De exemplu, pentru senzorul S18U, conurile sonice sunt reprezentate bidimensional, pentru trei obiecte cu forme diferite, în

figura 8.3.

Obiectele sunt :

o tijă cilindrică (rod, în figură), cu diametrul secţiunii transversale 2,25mm, respectiv 8mm ;

o suprafaţă plană, 50mm×50mm.

Pe ordonată este reprezentată distanţa laterală (lateral distance) faţă de senzor, iar pe abscisă – distanţa de sesizare (sensing

distance).

Figura 8.2. Reprezentarea schematică

asenzorului ultrasonic

Figura 8.3. Conuri sonice pentru senzorul S18U

Page 21: C2 S de Proximitate Oct.2015

Zonele caracteristice ale conului sonic

Fiecare senzor ultrasonic are trei zone caracteristice (figura 8.4) :

zona moartă / de insensibilitate,

zona de sensibilitate / domeniul de funcţionare,

zona de detectare / domeniul de comutare / fereastra de sesizare.

Figura 8.4. Zonele caracteristice ale senzorului ultrasonic

Prezenţa unui obiect în zona moartă nu poate

fi detectată (cu certitudine).

Condiţia necesară ca un obiect să fie detectat

este ca acesta să se afle în zona de

sensibilitate a senzorului ultrasonic.

Zona de detectare este inclusă în zona de

sensibilitare sau este identică cu aceasta.

Orice obiect aflat în zona de detectare este

detectat cu certitudine de senzor, adică

schimbă starea ieșirii senzorului.

Zona de detectare este adesea ajustabilă.

Zona moartă

Zona de

detectare

Zona de

sensibilitate

Senzor

Obiect

Page 22: C2 S de Proximitate Oct.2015

Influența condițiilor de mediu asupra senzorilor ultrasonici

Influența temperaturii

În aer şi alte gaze, viteza sunetului depinde, în primul rând, de temperatură.

În aer, dependenţa vitezei sunetului, c[m/s], de temperatura T[oC] este de forma T27320c .

De exemplu, la 0°C viteza sunetului în aer este de c=331,5 m/s, iar la 20°C aproximativ 343,4 m/s.

Creşterea temperaturii mediului de propagare apropie de senzor ambele limite ale zonei de detectare.

Mulţi senzori ultrasonici sunt compensaţi cu temperatura.

Condiţiile de mediu (pulberi, ploaie sau praf în atmosferă) afectează şi ele funcţionarea senzorului ultrasonic.

Observații

o Temperatura obiectului ţintă modifică zona de sensibilitate a senzorului ultrasonic pentru că suprafeţele calde reflectă undele

sonore mai puţin decât cele reci.

o O suprafaţă lichidă reflectă la fel undele sonore ca şi suprafaţa plată a unui corp solid.

o Zona de sensibilitate este mai redusă la materialele textile, spumă, lemn pentru că acestea absorb undele sonore.

Page 23: C2 S de Proximitate Oct.2015

3.4. Aplicaţii

Senzorii ultrasonici sunt folosiţi într-o mare diversitate de aplicaţii, dintre care :

monitorizarea nivelului fluidelor în sticle sau rezervoare mici, situate în locuri stâmte (unde spaţiul de montaj este redus) ;

detectarea prezenţei unor sticle transparente, strălucitoare sau lucioase, pe o bandă rulantă (figura 8.5);

măsurarea debitului de lichid;

detectarea unor suprafeţe cu reflexie puternică (figura 8.6);

detectarea materialelor de ambalare transparente;

poziţionarea diverselor obiecte transparente sau colorate;

detectarea sau măsurarea distanţelor faţă de obiecte lucioase.

Figura 8.5 Figura 8.6

Detectarea prezenţei unor sticle transparente Detectarea unor suprafeţe cu reflexie puternică