Сензори за регистриране на обекти

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2013

Регистрирането на обекти в процесите на индустриалната автоматизация се осъществява на базата на контактни и безконтактни сензори. Като контактни сензори за наличие на обекти могат да се използват механични превключватели. Те генерират сигнал от типа включено/изключено в резултат на механичен контакт с обекта. Когато натискът на обекта се премахне, превключвателят се връща в начално положение.

Различават се два вида – нормално отворени превключватели (при прилагане на механично въздействие затварят електрическа верига) и нормално затворени (при прилагане на механично въздействие се отварят и прекъсват електрическата верига). Превключвателите могат да се използват за детекция на преминаваща част. Това може да стане с помощта на палец валяк или лост. Контактните сензори все още намират широко приложение най-вече поради ниската си цена и факта, че не се влияят от формата, цвета и материала на обекта.

При безконтактните сензори отсъства допир между тях и преместващия се обект. Изходният им сигнал е функция от взаимното положение между сензора и обекта. Сред предимствата им са високата надеждност, поради това, че няма механични контакти между обекта и преобразувателя, няма триене, износване, шум и изменение на преходното съпротивление.

Като недостатък може да се отбележи нелинейната функция на преобразуване. Изходният сигнал зависи обикновено не само от разстоянието до обекта, но и от формата и материала му. Тези преобразуватели могат да работят в аналогов или дискретен режим. При аналогов режим изходният сигнал е непрекъсната функция от разстоянието между преобразувателя и обекта. В дискретен режим съществуват две дискретни нива на изходния сигнал – високо и ниско.

Високото изходно ниво съответства на наличието на обект, намиращ се под определено разстояние до преобразувателя. Ниското ниво съответства на липса на обект или обектът е далеч от преобразувателя. Обикновено преобразувателите на близост се използват в дискретен режим на работа. В зависимост от физическия принцип на действие те могат да бъдат: индуктивни, вихровотокови, капацитивни, ултразвукови и др.

Индуктивни сензори
Безконтактните индуктивни датчици могат да се използват при решаване на задачи от автоматизацията в условия на висока запрашеност, температура, влажност, вибрации, продължителен режим на работа и др. Освен високата си надеждност, гарантират и добра разрешаваща способност и лесна поддръжка.

По отношение на принципа си на действие могат да се разглеждат като трансформатор, чиято първична намотка е намагнитващата намотка, а вторичната му намотка – измервателната намотка на преобразувателя. Магнитният контур на този трансформатор включва преместващия се обект, който трябва да бъде феромагнитен или с феромагнитно покритие. Колкото обектът е по-близо до преобразувателя, толкова напрежението в измервателната намотка е по-голямо.

Капацитивни сензори
За разлика от индуктивните сензори, капацитивните могат да регистрират и неметални материали. Те използват свойството на приближаващия се обект да променя измервания от сензора капацитет. Преобразувателят обикновено се включва в мост за променлив ток. Типичните приложения са в дървопреработването, производството на хартия, стъкло, пластмаси, хранително-вкусовата и химическата промишлености.

Вихровотокови сензори
Принципът на действие на вихровотоковия преобразувател се основава на изменението на активното съпротивление и индуктивността на бобина при приближаването към нея на проводим обект. Променливият ток, протичащ през бобината, създава магнитно поле, което пресича обекта и поражда вихрови токове в него.

Те създават магнитно поле, което противодейства на причината за неговото появяване, т. е. магнитното поле на бобината намалява. При това се променят електрическите параметри на бобината: активното съпротивление се увеличава поради нарастването на загубите в проводящата среда, а индуктивността на бобината намалява.

Ултразвукови сензори
Ултразвуковите сензори могат да откриват обекти от всякакви материали, отразяващи звуковите вълни, независимо от цвят, форма, размери, смущения в околната среда. Силната запрашеност на въздуха и малки отлагания по повърхността на сензорите практически не оказват влияние на работоспособността им.

При този тип сензори за регистриране се използват излъчвател и приемник на ултразвук. Излъченият ултразвук се отразява от обекта и се връща обратно към приемника. Характеризират се с висока шумозащитеност, пожаро- и взривобезопасност, проста конструкция, устойчивост на удари и вибрации, широк диапазон на температура и налягане, висока точност и бързодействие. Това обуславя широкото им приложение в промишлеността.

Оптични сензори
Действието им се основава на взаимодействието (прекъсване, преминаване или отразяване) на генериран светлинен лъч с обекта. Генерирането на лъча се извършва в предавателя чрез електронен блок. Обикновено приемникът е фотодиод или фототранзистор със същата спектрална характеристика, както и предавателя. За да се ограничи действието на приемника до улавяне на лъчи само от предавателя без друга светлина, обикновено се използват две решения - работа с импулси или синхронен детектор, който реагира само на импулси с честота на излъчените от приемника.

При голяма част от оптичните сензори лъчът се формира от светодиод, работещ във видимия или инфрачервен спектър. Инфрачервените LED са подходящи за значителни разстояния поради по-големия им к. п. д., който е предпоставка за повишаване на мощността на излъчване и намаляване на загряването им. Сензорите с LED във видимия спектър са по-лесни за настройка, пускане в експлоатация и проверка на работата. Освен светодиоди в предавателите се използват и полупроводникови лазери.

Характеризират се с по-тесен лъч и по-голяма мощност, което благоприятства работата им на по-големи разстояния. Като недостатък при тях може да се посочи вероятността тънкият им лъч да бъде прекъснат от твърди частици във въздуха и нуждата от повишени мерки за безопасност за работещите в сектора.

И при двата вида диоди за увеличаване на разстоянието с малка загуба на мощност и нагряване се използва излъчване на къси импулси с честота на повторение няколко kHz. При следене на непрозрачни обекти се регистрира наличието или отсъствието на отразен лъч. Наличието на прозрачни обекти (напр. стъклени бутилки на конвейер) се регистрира по намаляването на интензитета на отразения лъч.

Могат да се различат три основни режима на отчитане на обекти от оптичните сензори – дифузен, бариерен и рефлекторен. При сензорите, използващи дифузен метод, обектът се регистрира, когато той премине пред сензора и отрази излъчената светлина обратно към приемника. В случая голямо влияние оказва цветът на обекта. Колкото по-светъл е обектът, разстоянието на което може да бъде регистриран този обект се увеличава. Излъчвателят и приемникът са разположени обикновено, но не винаги, в един и същи корпус.

При дифузния метод излъчената светлина достига повърхността на обекта под някакъв ъгъл. Светлината в този момент се разпръсква от повърхността на обекта в много посоки. Приемникът може да бъде под различен ъгъл и малка част от разпръснатата светлина ще го достигне. От тази гледна точка дифузният метод е сравнително неефективен метод на регистриране.

Също така при дифузния метод има огромно значение в каква степен повърхността на регистрирания обект отразява светлината. Светла бяла повърхност ще бъде засечена на много по-голямо разстояние, отколкото матова черна повърхност. Обект с големи размери, успяващ да обхване целия поток на сензора, ще върне повече енергия към приемника, отколкото малък обект, който покрива потока само частично.

Повечето дифузни сензори използват лещи, за да насочат излъчените светлинни лъчи, както и да фокусират повече от отразената светлина. Лещите при дифузните сензори позволяват увеличаването на разстоянието за отчитане, но също така увеличават значително ъгъла на монтаж в приложения, които засичат лъскави и гладки повърхности.

При бариерния метод приемникът и излъчвателят са в различни корпуси и се монтират един срещу друг, като помежду им има светлинен поток. Обектът се засича, когато премине между приемника и излъчвателя, блокирайки светлината, подавана от излъчвателя към приемника. Според специалистите, бариерният метод е най-ефикасният метод на отчитане наличието на обекти с помощта на оптични сензори.

При рефлекторния метод се използва рефлектор, който отразява попадналата върху него светлина. Светлинният поток се образува между излъчвателя, рефлектора и приемника. Той може да бъде инфрачервен или с видима червена светлина. Когато обектът пресече светлинния поток, интензитетът на отразената светлина, връщаща се обратно към сензора, намалява и обектът бива засечен.

За да се отчитат лъскави обекти, е необходимо сензорът да бъде монтиран по такъв начин, че ъгълът на падане на светлинния поток върху обекта да бъде различен от 90°. По този начин интензитетът на отразената светлина намалява. Друг начин да се отчитат лъскави обекти е да се използват поляризиращи филтри. Пред излъчвателя и приемника на светлина се поставят филтри, чиито равнини на поляризация са завъртени на 90°.

Излъчената поляризирана светлина се отразява от рефлектора, който същевременно променя и нейната равнина на поляризация, така че да може да премине през филтъра на приемника. Ако излъчената светлина се отрази от обект, то нейната равнина на поляризация не се променя, и филтърът на приемника не пропуска тази светлина, което служи за отчитане на наличието на обект.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top