Индуктивный датчик схема своими руками

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Индуктивный датчик приближения на основе TCA505 своими руками

Датчик приближения – это датчик, способный обнаруживать наличие близлежащих объектов без какого-либо физического контакта. Датчик приближения часто излучает электромагнитное поле или пучок электромагнитного излучения и ищет изменения в поле или обратном сигнале.

Опубликованная здесь схема представляет собой индуктивный датчик приближения, который используется для бесконтактного обнаружения металлических объектов. Схема может быть использована для обнаружения металлических предметов или в качестве датчика положения (датчика расстояния).

В данном случае микросхема TCA505 используется для в качестве основы индуктивного бесконтактного переключателя, который может обнаруживать металлические объекты в диапазоне 5-10 мм. Резонансный контур генератора LC реализован с использованием открытого феррита и параллельно подключенного конденсатора (вывод LC). Если металлический объект перемещается ближе к открытой стороне феррита, энергия берется из резонансного контура, и амплитуда колебаний соответственно уменьшается. Это изменение амплитуды передается на пороговое переключение с помощью демодулятора и активирует выходы.

Схема была проверена с напряжением 12 В постоянного тока, однако она также может работать с более высоким напряжением питания, до 42 В с небольшим изменением значений компонентов. Обычно светодиод D2 горит, когда катушка обнаруживает металлический объект. Светодиод D2 гаснет, а светодиод D1 включается, поэтому обычно Out-2 обеспечивает низкую выходную мощность, а Out-1 обеспечивает высокую выходную мощность при обнаружении металлического объекта. Выходной сигнал Q3 переходит в логическую «1», а Q1 в логический «0», оба выхода с открытым коллектором. Потенциометр PR1 помогает отрегулировать расстояние чувствительности датчика. Выход каждого транзистора может напрямую управлять малым реле, так как каждый выход обеспечивает 50 мА тока. Сенсорная катушка может быть изготовлена с использованием металлического сердечника 14 мм, индуктивность должна быть от 540 мкГн до 640 мкГн. Схема подключения выглядит следующим образом.

Расположение компонентов на плате следующее:

Источник

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК

Приветствую уважаемых радиолюбителей. Предлагаемый вашему рассмотрению индукционный датчик может использоваться во многих устройствах – сигнализациях отрывания дверей или снятия с полок товаров, в тахометрах, в искробезопасных указателях уровня жидкостей, вместо прерывателей в бензиновых двигателях, в элементах автоматики, к примеру в отключении клапана набора воды в ёмкостях. Схема взята из классических её прототипов, но упрощена и сбалансирована. Она достаточно проста, но, при этом и надёжна, и отличается чёткостью своей работы, легко изготавливается, налаживается и встраивается в различные устройства.

Схема принципиальная датчика

Для более чёткого рассмотрения картинки — сохраните её на ПК и увеличьте.

Схема построена как генератор с индуктивной обратной связью. Колебательный контур на элементах: L2, C2 задаёт частоту, катушка L1 и ёмкость C1 обратной связи обеспечивают генерацию, резисторы: R2, R4 задают режим транзистора по постоянному току и стабилизируют его. Развязку по высокой частоте обеспечивает цепочка: R1, C3.

Важно! Ёмкость С3 должна быть импульсной, хорошего качества и номиналом как указано в схеме.

Формирователь выходного сигнала выполнен по схеме удвоения напряжения на элементах: C4, C5, VD1, VD2, R3 диоды любые высокочастотные, резистор R3 подбирается в зависимости от необходимой скорости убывания выходного напряжения при срыве генерации. При наличии металлического лепестка между катушками генерация срывается.

Печатная плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита, для её крепления используется 2 мм. отверстие, в которое вставляется болт с надетой на него ограничивающей бобышкой (или просто кусок хлорвиниловой трубки от капельницы) и зажимается всё гаечкой, либо болт вкручивается в нарезанную на каком-то основании резьбу.

Изготовление индуктивного датчика

Файл и чертёж проекта можно скачать по ссылке. Катушки L1 и L2 без сердечников. L2 содержит 30 витков провода ПЭВ-1 (0.1-0.12 мм). L1 20-30 витков провода ПЭВ-1 (0.1-0.12 мм.) в зависимости от щели-расстояния в датчике (подбирается опытным путём, но при щели около 2 мм. 23-26 витков). Мотаются катушки на оправке (маленькое 1-1.5 мм. сверло, или иголка, кусок проволоки) между двумя картонными щёчками, после закрепляются клеем и снимаются с оправки, щёчки отбрасываются тоже. Толщина катушек два — три диаметра провода, мотаются в навал. Обе готовые катушки надеваются на пластиковый стержень, который после можно вынуть, между катушек ставится полиэтиленовая или фторопластовая прокладка подходящей толщины (полиэтилен и фторопласт отстаёт от застывшей эпоксидной смолы).

Из прессшпана вырезается крестовидная развёртка коробочки, в её дне прокалывается четыре отверстия, в которые продевают гибкие многожильные провода для выводов катушек, к ним подпаивают концы катушек, развёртку сгибают для получения коробочки, обматывают скотчем или изолентой, продевают насквозь ещё один пластиковый штырь (пластик после извлекается и получается отверстие для крепления), центрируется и крепится также штырь с катушками и, наконец, заливают эпоксидкой. Гибкими выводами катушки подпаиваются каждая на своё место, фазируются для получения генерации, датчик крепится на своё место, рядом с ним плата генератора.

В нынешнее время такие катушки или подобные им можно найти во многих уже не нужных, сломанных или устаревших устройствах, к примеру в флоппи-приводах. Есть и готовые и катушки и датчики, но не всегда их можно приобрести, и не всегда это дёшево. Ну и сделать своими руками тоже для кого-то удовольствие, особенно если будет работать не хуже, а где-то и лучше готовых изделий.

Фотографий готового устройства нет, так как мопед продал, а прибор был в нём. Так же как и плата самого зажигания, к которому и подсоединён этот датчик. Теперь возможно только побробнейшее описание и ответы на вопросы интересующихся на форуме. Но зажигание вместе с этим датчиком действительно было на порядок лучше промышленного. Искрами в лабораторном испытании даже киповскую бумагу поджигало. Ребята шутили — зачем тебе теперь бензин? На макулатуре будешь ездить. В общем схема отличная, рекомендую! Автор статьи — ПНП.

Источник

Так что же это за «хитрость» — индуктивный датчик приближения?

Рассматриваются принцип действия, схемотехника, особенности двух типов индуктивных датчиков приближения — генераторного и резонансного. Даётся краткая характеристика современного европейского рынка индуктивных датчиков приближения.

В 50-е годы ХХ века, в эру дискретных корпусных электронных компонентов, была разработана оригинальная генераторная схема, выполненная всего на четырёх-пяти транзисторах, которая успешно применяется до сих пор и положила начало производству миллионными тиражами малогабаритных индуктивных датчиков, основное назначение которых — создавать логический (бинарный) электрический сигнал, когда металлический предмет (target — мишень) приближается к датчику на малое расстояние (обычно это расстояние составляет от долей миллиметра до ста миллиметров).

Эти индуктивные датчики оказались очень доступным, простым, надёжным, дешёвым элементом систем управления приводов, станков, автоматических линий, систем измерения физических величин. Пожалуй, десятки, если не сотни, фирм по всему миру выросли на производстве этих элементов АСУТП — индуктивных датчиков приближения. Например, в США в 1990 г., по крайней мере, 35 компаний занималось производством подобных датчиков. По оценкам журнала «Control Engineering Europe» глобальный рынок датчиков приближения оценивался в 2002 г. в 2,7 млрд. Евро и его рост составляет 5 % в год (имеется в виду весь рынок датчиков приближения: индуктивных, оптических, ёмкостных, ультразвуковых, магнитных), а европейский рынок датчиков приближения — в 1 млрд. Евро. По мнению этого журнала, главными производителями электронных датчиков приближения являются фирмы: ABB, Balluff, Banner, Baumer Electric, Bernstein, Carlo Gavazzi, Datasensor, ifm electronic, Leuze, Pepperl + Fuchs, Schmersal, Schneider, Sick, Siemens, Turck (приведены в алфавитном порядке).

Хорошо видно, что костяк составляют немецкие фирмы, и это является одним из «кирпичиков» лидерства немецкого машиностроения в мире. Если сузить этот список до тройки самых главных производителей индуктивных датчиков в Германии, то места распределятся так: 1-е место ifm electronic; 2-е место Pepperl + Fuchs; 3-е место Balluff.

Фирмы, специализирующиеся на производстве индуктивных датчиков, выпускают огромный ассортимент, насчитывающий до тысячи и более типоразмеров. Некоторые эксплуатационные и технические параметры индуктивных датчиков приближения указывают на совершенство технологии фирмы-производителя:

• датчики размещаются в корпусах диаметром 3 мм с полным набором функций (встроенный светодиод, защита выхода от короткого замыкания и неправильного подключения питания, степень защиты корпуса не ниже IP67);
• датчики имеют цельнометаллический корпус, т. е. чувствительная поверхность датчика закрыта металлом;
• высокая степень защиты (герметизации) корпуса, например, IP68, IP69K. При защите IP69K датчик вместе с электрическим разъёмом можно обрабатывать горячими водяными брызгами под давлением (до 100 бар);
• выпуск датчиков с так называемым корректирующим фактором, равным 1. То есть датчик, практически, на одинаковых расстояниях определяет приближение к нему разных металлов: углеродистой стали, нержавеющей стали, меди, алюминия и др.;
• выпуск датчиков с аналоговым выходом, когда на выходе датчика создаётся измерительный аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию между датчиком и предметом;
• выпуск датчиков, выдерживающих высокие давления (200, 300, 500 бар);
• выпуск датчиков, работающих при очень низких (до −60 °С) или очень высоких (до +180. 200 °C) температурах;
• максимальная частота переключения выходного бинарного (релейного) сигнала 5, 7, 10 кГц.

Надёжность серийных индуктивных датчиков такова, что специальные их исполнения применяются в наиболее ответственных местах, связанных с безопасностью людей: опасные для персонала ТП или, например, в АСУ современными канатными дорогами.

Технология производства датчиков настолько отработана, что фирмы-производители гарантируют сроки эксплуатации до трёх-пяти лет. Например, фирма ifm electronic указывает о пятилетней гарантии в своих каталогах. Сроки службы датчиков могут составлять 20 лет и более. Причём, это уже проверено на практике, поскольку по сей день работают целые производства, закупленные комплектно в Германии в 80-х годах ХХ века и снабжённые такими датчиками.

Схемотехника современных индуктивных датчиков приближения разнообразна и может значительно отличаться от своих «прародителей» середины ХХ века. Например, для автоматизации управления больших технологических комплексов или сложных машин требуется устанавливать десятки и сотни индуктивных и иных датчиков. В этом случае ощутимую выгоду на линиях связи может дать новое поколение двухпроводных датчиков с интерфейсом AS—i (actuator — sensor interface), когда к одной двухпроводной медной шине подключаются до 248 датчиков. При этом, по одной и той же шине проходит электропитание датчиков, исполнительных механизмов и получение информации с датчиков. По существу, один датчик с AS—i интерфейсом — это микроконтроллер со своей системой передачи данных.

Но всё же, оригинальность генераторной схемы -«первоисточника» современных индуктивных датчиков приближения, богатство функциональных возможностей схемы, её простота впечатляют. Рассмотрим эту схему, оценим с чего всё начиналось, откуда «поднялись» несколько российских, а ещё раньше — множество зарубежных фирм.

Один из вариантов этой схемы изображён на рис. 1

«Гвоздь» схемы — генератор колебаний на транзисторной сборке VT1 с двухобмоточным индуктивным чувствительным элементом. Параметры двух индуктивных катушек, уложенных на один сердечник, конденсаторы и резисторы рассчитываются и подбираются так, что при подключении питания в генераторе самопроизвольно возникают колебания. Причём, достоинство генератора — в способности к колебаниям в очень широком диапазоне питающих напряжений. Отсюда и получается широкий диапазон допустимых напряжений питания во многих индуктивных датчиках: 10. 30 В постоянного тока. Конструктивное исполнение катушек индуктивности может быть самое разнообразное: обмотки, уложенные в броневой сердечник; обмотки, намотанные на сердечник произвольной формы; два стандартных сердечника типа ДМ, соединённые между собой; просто обмотки без сердечников. Сердечники лишь концентрируют, перераспределяют в пространстве около обмоток потоки рассеяния. Большинство изготовителей применяют сердечник-«чашку», чтобы бóльшую часть потоков сконцентрировать в открытой области «чашки». Здесь и будет наблюдаться максимальная чувствительность генератора к приближению металлов. Однако, главное — подобрать параметры колебательного контура так, чтобы обеспечивалось возникновение колебаний при включении питания.

Теперь, если к катушкам близко поднести металлический предмет или любой материал (мишень), в котором могут наводиться вихревые токи, то способность колебательного контура к колебаниям резко падает из-за взаимоиндукции катушек и мишени. Если продолжить сближение катушек с мишенью, колебания практически прекратятся или их амплитуда уменьшится в несколько раз. Таким образом, чувствительность генератора к приближению металлического или магнитного материала очень высока, что также является важным достоинством схемы. На коллекторе 7 транзисторной сборки уже присутствует демодулированный сигнал, который поступает на компаратор — триггер Шмитта на транзисторах VT2, VT3. Поскольку на коллекторе 7 имеется аналоговый сигнал, находящийся в функциональной зависимости от расстояния между катушками и приближающимся предметом, его можно использовать для измерительных целей, т. е. определения этого расстояния. Компаратор создаёт релейный (бинарный) усиленный выходной сигнал. Генераторной схема названа потому, что чувствительным элементом схемы является генератор: есть колебания в генераторе — мишень находится вне чувствительной зоны катушек, колебания нарушились — мишень находится внутри чувствительной зоны. Светодиод VD1 будет светиться и к нагрузке будет прикладываться напряжение питания, когда мишень приближена к чувствительному элементу. Фирмы теперь уже, практически, не выпускают датчиков без встроенных в корпус индикаторных светодиодов. Такой светодиод в выходной цепи удобен при монтаже датчика и контроле его работоспособности. В случае индуктивного характера (например, реле) нагрузку следует шунтировать диодом VD3, чтобы ликвидировать паразитные всплески в выходном сигнале датчика. Диод VD2 выполняет важную функцию защиты всей схемы от неправильной полярности питания. Недостатком такой генераторной схемы индуктивного датчика приближения является разное расстояние переключения датчика для разных материалов мишени — так называемый, коэффициент редукции. Производители приводят его в своих каталогах обычно для материалов из стали, алюминия, латуни.

Авторами статьи в Московском Энергетическом институте (1988 г.) был разработан иной индуктивный датчик приближения, работающий на резонансном принципе, т. е. индуктивный датчик малых перемещений. Резонансный принцип действия для чувствительных элементов фотодатчиков был предложен ещё раньше и хорошо показал себя в измерительном электронном оборудовании для Московской Олимпиады (1980 г.).

Принципиальная схема резонансного индуктивного датчика приближения приведена на рис. 2

Чувствительным элементом датчика является катушка с сердечником L1, которая вместе с конденсатором С1 составляет параллельный резонансный контур, запитываемый от R—C генератора несущей частоты.

На рис. 1 чувствительный элемент (две катушки с сердечником) является составной частью генератора несущей частоты. В двух описываемых схемах форма колебаний (синусоидальные, прямоугольные или иные) большого значения не имеет. В резонансной схеме (см. рис. 2) несущие колебания создаются регулируемым RC генератором, состоящим из двух элементов микросхемы 564ЛН2. Несущие колебания через разделительный резистор R2 поступают в резонансный контур L1-C1. Частота резонанса контура должна быть в пределах регулировки генератора резистором R1. На частоте резонанса внутреннее сопротивление параллельного резонансного контура наибольшее. Поэтому, амплитуда на затворе полевого транзистора VT1 максимальная. Реальный L—C контур имеет и боковые резонансы, но амплитуда колебаний напряжения в контуре при боковых резонансах значительно меньше, чем на частоте основного резонанса. Генератор настраивается резистором R1 на частоту колебаний, при которой напряжение на входе компаратора максимальное (в отсутствии мишени вблизи чувствительного элемента). Поскольку внутреннее сопротивление L—C контура значительное, то применяется в качестве усилителя именно полевой транзистор, имеющий большое входное сопротивление. После усилителя сигнал детектируется диодом VD2 и фильтруется фильтром R4-C3. Таким образом, на входе компаратора существует сигнал постоянного напряжения. В отсутствии мишени у чувствительного элемента сигнал напряжения на входе компаратора максимален и составляет 3. 4 В. После сближения активного чувствительного элемента и мишени, например, из углеродистой стали, в материале мишени будут наводиться вихревые токи, которые начинают взаимодействовать с чувствительным элементом индуктивного датчика. Вследствие этого, нарушается резонанс, уменьшается амплитуда напряжения на L—C контуре, уменьшается напряжение на выходе фильтра и на входе компаратора. Если продолжается сближение чувствительного элемента и мишени, то уменьшение напряжения на входе компаратора составит 1,5. 2 В. Компаратор построен на двух элементах микросхемы 564ЛН2. Пороги переключения компаратора и ширина гистерезиса устанавливаются величинами сопротивлений резисторов R5, R6, R7. Гистерезис компаратора устанавливает гистерезис датчика. При сближении датчика и мишени происходит переключение выхода компаратора из логического нуля в логическую единицу. При удалении мишени происходит обратное переключение компаратора. При указанных номиналах элементов схемы включение датчика происходит на расстоянии около 1,5 мм от поверхности стальной мишени, выключение — на расстоянии около 2,5 мм от той же поверхности. Резистор R9, находящийся в коллекторной цепи выходного транзистора VT2, выполняет функцию защиты от токовых перегрузок выхода, препятствует протеканию чрезмерного выходного тока. В случае индуктивного характера нагрузки датчика (например, реле) диод VD3 будет подавлять броски напряжения в нагрузке. Диод VD1 является защитой при неправильном подключении полярности питания к датчику. В коллекторной цепи выходного транзистора, при необходимости, может быть включён светодиод с резистором для визуального контроля состояния выхода индуктивного датчика.

Таким образом, рассмотренный индуктивный датчик вырабатывает бинарный сигнал высокого уровня при сближении с мишенью и низкого уровня — при удалении от мишени. Кроме того, в измерительных целях может быть использован выходной аналоговый сигнал индуктивного датчика, который снимается с фильтра. Этот сигнал монотонно изменяется при сближении чувствительного элемента и мишени. Установлено, что при расстояниях между датчиком и мишенью до 1 мм выходной аналоговый сигнал изменяется практически линейно. Изменение аналогового сигнала составляет не менее 2 В (от состояния, когда нет стальной мишени, до состояния, когда мишень и датчик соприкасаются). Схема обладает хорошей термостабильностью. Расстояние переключения индуктивного датчика с мишенями из разных материалов практически не изменяется, т. е. коэффициент редукции близок к единице.

В данном схемотехническом решении генератора, несущая частота, а, значит, амплитуда напряжения на L—C контуре, существенно зависят от стабильности напряжения питания. Поэтому, реальный допуск на изменение питающего напряжения не должен быть более ±5 %.

Очевидно, что схемотехника генератора несущей частоты, компаратора и выходного усилителя может быть весьма разнообразной и даже более термостабильной и нечувствительной к изменениям напряжения питания, чем описанные. Однако, резонансный чувствительный контур, простой усилитель на полевом транзисторе, детектор, фильтр, т. е. основа датчика, очень просты, оригинальны, надёжны и не требуют никаких подстроек.

Итак, рассмотрены две принципиальные схемы для построения индуктивных датчиков приближения. Каждая из них имеет свои достоинства. Вероятно, резонансная схема имеет больший потенциал для реализации по гибридной или интегральной технологии.

В заключении следует отметить, что западноевропейские лидеры в этой области постоянно патентуют всё новые и новые индуктивные датчики, ссылки на которые регулярно появляются в отечественных реферативных журналах электротехнической тематики. Новшества касаются как схемотехники, так и конструкции датчиков. В России работают две-три электротехнические компании по производству датчиков, использующих, в основном, первую (генераторную) схему. Их интернет-сайты приводятся в конце статьи. Заинтересованному читателю рекомендуем просмотреть сайт немецкой фирмы ifm electronic, один из удачных в этой области.

Статья впервые опубликована в журнале «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.» — Москва, 2005.- № 12.- с.36-39.

• Sensors expo // Sensors. September 1990.
• Колотов А. Бесконтактный прерыватель электронной системы зажигания // Радио. 1993. № 11.
• Габов А. П., Рыжов С. Н. Индуктивный конечный датчик в электроприводе // Всесоюзная науч.-техн. конф. «Следящие электроприводы пром. установок, роботов и манипуляторов»: Тез. докл. Челябинск, 1989.

Если у вас возникли какие-либо вопросы по данному материалу, вы можете задать их, написав на электронную почту соавтора статьи: ryzhovsn@list.ru

Источник: Кандидаты технических наук Андрей Павлович Габов и Сергей Николаевич Рыжов

Источник