سنسور مجاورتی یا پراکسیمیتی

یکی از متداول ترین سنسورها در خط تولید، سنسور مجاورتی است.

در این مقاله، بصورت فوق العاده ای به انواع سنسور مجاورتی (القایی و خازنی) پرداخته ایم.

ویدیوها و تصاویر این مقاله به شما کمک می کند که درک مناسبی از این قطعه مهم پیدا کنید.

با یک ویدیو معرفی شروع کنیم:

بخش اول: معرفی سنسور مجاورتی

۱٫۱ معرفی

از شما بابت مطالعه دوره‌ی آموزشی سنسور مجاورتی (غیرتماسی) سپاس گزاریم.

برای شروع این دوره به هیچ پیشنیاز خاصی نیاز ندارید.

در این دوره اصول کاری و اجزای یک سنسور مجاورتی را بررسی نموده و به تعدادی از کاربردهای این سنسورها اشاره خواهیم کرد.

این دوره بیشتر بر روی سنسور مجاورتی القایی تاکید دارد،
ولیکن توضیحاتی مختصر از سنسورهای مجاورتی خازنی را نیز ارائه خواهیم داد.

امیدواریم از گذراندن این دوره، لذت ببرید. اوقات خوشی را برای شما آرزومندیم!

۱٫۲ مسیر و زمان یادگیری

در این دوره به بررسی اصول اولیه‌ی سنسور مجاورتی خواهیم پرداخت و در انتهای این دوره، چند سنسور معروف را معرفی خواهیم کرد.

۱٫۳ نتایج حاصل از این دوره

براساس اطلاعاتی که در این دوره ارائه می‌شود، آموزندگان به صورت صحیح می‌توانند که:

مهمترین ویژگی‌های سنسورهای القایی را برشمرده و کاربردهایی از این سنسورها را شرح دهند.
با طراحی داخلی یک سنسور القایی آشنا شده و ساختمان داخلی این سنسور را شناسایی کنند.
سنسورهای القایی شیلدد و نان شیلدد را با هم مقایسه کرده و مزایا ومعایب هریک را برشمارند.

بخش دوم: سنسورهای مجاورتی

۲٫۱ معرفی و دسته‌بندی سنسور مجاورتی

شما در این درس خواهید آموخت که:

  • ویژگی‌های اصلی سنسورهای مجاورتی چیست.
  • تفاوت بین سنسورهای خازنی (capacitive) و سنسورهای القایی (inductive) را مشخص نمایید.
  • با تئوری‌هایی که مربوط به سنسورهای مجاورتی القایی می‌باشند، آشنا شوید.
  • تفاوت‌های بین سنسورهای القایی شیلدِد (shielded) (محافظت‌شده) و نان‌شیلدد (nonshielded) (محافظت‌نشده) چیست.

سنسور مجاورتی

به سراغ سنسور مجاورتی (غیر تماسی) می‌رویم:

یک سنسور مجاورتی (پراکسیمیتی “Proximity” که همچنین سوئیچ پراکسیمیتی نیز خوانده می‌شود)
به نزدیک شدن یک شیء به سنسور و حضور یک شیء در نزدیکیِ قسمت حسگر سنسور پاسخ می‌دهد.
در اکثر موارد حداکثر فاصله‌ای که یک شیء می‌تواند از سنسور مجاورتی داشته باشد تا
سنسور بتواند آن را تشخیص دهد، در حدود ۰ تا ۲۰ میلی‌متر است.

خیلی از اوقات، از یک سنسور مجاورتی بدین منظور استفاده می‌شود که
قسمت پایانی یک ماشین یا یک دستگاه را تشخیص داده و سپس سیگنالی را به خروجی ارسال کند
تا به واسطه‌ی سیگنال ارسالی، یک وسیله‌ی دیگر یا یک ماشین دیگر به حرکت درآمده و
برنامه‌ای را که ما برای آن وسیله برنامه‌ریزی کرده‌ایم، اجرا شود.

از مهمترین مزایای سنسورهای مجاورتی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • قابل اعتماد بودن حتی در محیط های بسیار سخت و خشن (مثلا در محیط‌های نفتی یا محیط‌های صحرایی و فضای آزاد)
  • نصب و راه‌اندازی آسان
  • قیمت‌های بسیار مناسب و جذاب (مثلا ارزان‌تر از سنسورهای نوری)

امروزه از سنسور مجاورتی در کاربردها و صنایع گوناگونی استفاده می‌شود. برخی از این کاربردها عبارتند از:

  • صنایع خوردروسازی
  • تولیدات ماشین ابزارها
  • فرآوری محصولات غذایی
  • وسایل نقلیه (مثل کامیون‌ها یا ماشین‌های کشاورزی)
  • ماشین‌های کارواش

دسته‌بندی سنسورهای مجاورتی

سنسورهای مجاورتی به دو نوع کلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

سنسورهای مجاورتی القایی (Inductive proximity sensors):

این سنسورها با تولید یک میدان الکترومغناطیسی، اجسام را تشخیص می‌دهند. با استفاده از این سنسورها فقط اجسام فلزی قابل تشخیص می‌باشد.

سنسورهای مجاورتی خازنی (Capacitive proximity sensors):

این سنسورها با تولید یک میدان الکترواستاتیکی خازنی، اجسام را تشخیص می‌دهند.
درنتیجه با این سنسورها قادر به تشخیص انواع گسترده‌ای از اجسام می‌باشیم.

اگرچه سنسورهای القایی فقط اجسام فلزی را تشخیص می‌دهند، ولیکن کاربرد بیشتری در صنعت دارند!
علت آن است که این سنسورها نسبت به اختلالات خارجی (نویز) کمتر اثر پذیر بوده و ارزان‌تر نیز می‌باشند.

در درس‌های بعدی به بررسی جزئیات سنسورهای القایی خواهیم پرداخت.

۲٫۲ عملکرد سنسورهای القایی

یک سنسور مجاورتی القایی تشکیل می‌شود از یک کویل (سیم‌پیچ) که اطراف یک هسته‌ی فریتی(اکسید آهن) پیچیده شده است و
در قسمت ابتدایی (head) سنسور قرار گرفته است.
همچنین یک میدان الکترومغناطیسی نوسانی اطراف این کویل تولید می‌شود و
این کویل از طریق یک مدار داخلی (electrical circuit) که نظاره‌گر و کنترل‌کننده می‌باشد، تاثیر می‌پذیرد.

هنگامی‌که یک جسم فلزی در اطراف این سنسور جابه‌جا شود، جریان الکتریکی‌ای درون جسم ایجاد می‌شود.

این جریان منجر به ایجاد یک اثر ترانسفورمری (تبدیل کنندگی) می‌شود که در نتیجه‌، انرژی درونی کویل کاهش یافته و
با کاهش نوسانات میدان الکترومغناطیسی، قدرت میدان الکترومغناطیسی کاهش می‌یابد.

سپس مدار نظاره‌گر و کنترل‌کننده‌ی کویل، این کاهش نوسانات را احساس کرده و خروجی خود را سوئیچ می‌کند.
درنتیجه سیگنالی به خروجی ارسال شده و از مشاهده شدن یک جسم توسط سنسور، ما را مطلع می‌سازد.

به علت قواعد کاری ای که برای سنسورهای القایی و میدان‌های الکترومغناطیسی حاکم می‌باشد،
سنسورهای القایی به نسبت سنسورهای نوری در محیط‌های سخت‌تر مناسب‌تر و پرکاربردتر می‌باشند.
مثلا برای محیط‌های نفتی یا محیط‌های پر از گرد و غبار، عوامل خارجی تاثیر چندانی بر روی عملکرد این سنسورها نخواهند داشت.

خروجی سنسورهای القایی

امروزه سنسورهای القایی از خروجی ترانزیستوری (NPN یا PNP) بهره‌مند می‌باشند.
ابن مدل سنسورها بسیار پرکاربرد بوده و شاید با این اسم DC-3 wire (دی سیِ سه سیمه) با آنها آشنا باشید.

در برخی از این سنسورها، پیکربندی به گونه‌ای است که دارای ۲ سیم اتصالی (connections) مثبت و منفی می‌باشد،
این مدل را مدل DC-2 wire (دی سیِ دو سیمه) می‌نامند. در این مدل، بار (مصرف‌کننده) را به هر دو سیم می‌توانیم متصل کنیم،
ولیکن در مدل سه سیمه، بار را بایستی مطابق با تصویر زیر، به سنسور وصل کنیم.

سنسور مجاورتی NO و NC

همچنین سنسور مجاورتی را از نظر شرایط کاری به دو گروه تقسیم‌بندی می‌کنند.
دسته‌ی (normally open (NO و دسته‌ی (normally closed (NC تقسیم‌بندی می‌کنند.
NO یا NC بودن، توصیف‌کننده‌ی آن است که سیگنال خروجی سنسور در هنگام احساس کردن یک شیء در حالت High (ولتاژ بالا) است یا
در حالتی که هیچ شیئی وجود ندارد. به‌این معنا که در کدام حالت، سیگنال خروجی ON می‌باشد.

  • NO (نرمالی اُپن): سیگنال سطح بالا، در هنگام تشخیص دادن اجسام؛ سیگنال سطح پایین در شرایط عادی و بدون هیچ جسمی
  • NC (نرمالی کلوز): سیگنال سطح بالا، در شرایط عادی و بدون هیچ جسمی؛ سیگنال سطح پایین، در هنگام تشخیص دادن اجسام

در تصویر زیر یک سنسور مجاورتی دو سیمه با خروجی NO را مشاهده می‌کند.
همان‌طور که از اسم این سنسور مشخص است، خروجی این سنسور در حالت عادی نرمالی اُپن یا به اصطلاح باز است،
پس از آنکه جسمی توسط این سنسور تشخیص داده شود، خروجی این سنسور فعال شده و به حالت ON (ولتاژ سطح بالا) در می‌آید.

با نزدیک شدن به سنسور، لامپ روشن می‌گردد (مسیر جریان بسته می‌شود)

اکنون در شکل زیر سنسوری با خروجی NC را مشاهده می‌کنید.
تا زمانی‌که جسمی(موس) به سنسور نزدیک نشود، خروجی سنسور، با سطح بالای ولتاژ (ON) بوده و
چراغ روشن می‌ماند؛ به محض آنکه جسمی به سنسور نزدیک شود، خروجی OFF شده و لامپ هم خاموش می‌شود.

سنسور مجاورتی ای که دارای هر دو مدل خروجی NO و NC باشند را مدل دو حالته یا آنتی وَلِنت (antivalent) می‌گوییم.

برای هر دو نوع سنسورهای خازنی و القایی، حالت‌های کاری NO و NC وجود دارد.
آنچه که در این دو فیلم مشاهده کردید، از سنسورهای خازنی می‌باشد.

۲٫۳ برد سنسور مجاورتی

برد سنسور (sensing distance)

برد یک سنسور (sensing distance) یکی از مهمترین مشخصات برای انتخاب یک سنسور پراکسیمیتی می‌باشد.

همچنین سنسور مجاورتی القایی از نظر محورها و جهت‌های قابل تشخیص به یک بعدی، دو بعدی و حتی سه بعدی تقسیم‌بندی می‌شوند.

بردی که برای سنسورهای مجاورتی در بخش مشخصات سنسور نقل می‌شود،
بر پایه‌ی حرکت دادن یک جسم استاندارد (standard target) در مقابل سنسور می‌باشد.
این هدف یا شیء استاندارد، یک ورق مربعی از جنس فولاد با ضخامت ۱mm می‌باشد.
که معمولا یکی شیء با رنگ سفید و سیاه و خاکستری مانند می‌باشد.
(با توجه به استاندارد EN 60947-5-2 مشخص می‌شود)

توجه داشته باشید که این برد بر اساس حرکت اجسام به صورت مستقیم به طرف سطح سنسور یا عکس آن می‌باشد
و برد سنسور برای اجسامی که به صورت شعاعی حرکت داده می‌شوند، متفاوت است.

عوامل کاهش‌دهنده‌ی برد سنسور

متناسب با فلزی که استفاده می‌شود، رنج قابل تشخیص توسط سنسور می‌تواند کمتر از مقدار داده شده باشد.
مطابق با نمودار شکل زیر، برد قابل تشخیص توسط سنسور، برای فلزات مختلف تقریبا کاهش یافته و
کمتر از مقدار محاسبه شده برای فولاد می‌باشد. ممکن است اطلاعات جزئی‌تری پیرامون وابستگی نوع فلز و
برد قابل تشخیص توسط سنسور، در قسمت مشخصات فنی (technical information) در دیتاشیت سنسورهای القایی، وجود داشته باشد.

اندازه و سایز اجسام

برد قابل تشخیص توسط سنسور، به سایز جسم مورد نظر نیز وابسته می‌باشد
(برای اجسام کوچکتر، فاصله‌ی قابل تشخیص، کمتر می‌باشد).
در واقع هرچه ابعاد جسم بزرگتر، تشخیص جسم راحت‌تر می‌باشد.

همچنین نوع و ضخامت روکشی که برای سطح جانبی جسم انتخاب شده است،
بر حداکثر مسافتی که برای تشخیص آن جسم می‌توانیم داشته باشم، اثر گذار است.

Hysteresis برای برد یک سنسور

در دیتاشیت سنسور ممکن است به عبارت هیستریسز (Hysteresis) برخورده باشید،
این عبارت به معنای حداکثر خطایی است که در برد سنسور ممکن است وجود داشته باشد.
معمولا مقدار هیستریسز برای سنسورهای القایی بین ۵-۱۰% می‌باشد.
این بدان معناست که اگر به اندازه‌ی ۵-۱۰% بیشتر از مقداری که برای برد سنسور ذکر شده است،
از سطح سنسور فاصله بگیریم، سنسور ریست شده و عملا جسم را تشخیص نمی‌دهد.
هر چه مقدار هیستریسز سنسور کمتر باشد، به معنای دقیق‌تر بودن برد سنسور می‌باشد.

فرکانس پاسخ‌گویی (Response Frequency)

مطابق با استاندارد EN60947-5-2، فرکانس پاسخ‌گویی مشخصی کننده‌ی
تعداد دفعاتی است که در یک ثانیه می‌توان جسمی را درمقابل سنسور آورده و سنسور آن جسم را تشخیص دهد.

به تصویر و نمودار زیر توجه کنید، همان‌طور که مشاهده می‌کنید برای محاسبه‌ی فرکانس پاسخ‌دهی،
سنسور را در فاصله‌ی ۵۰% (نصف) نسبت به حداکثر بردی که سنسور دارد، قرار می‌دهیم و همچنین
محاسبه‌ی فرکانس با میان‌گیری از تمامی زمان‌هایی که هم جسمی در مقابل سنسور قرار می‌گیرد
و هم فاصله‌ی زمانی‌ای که شیء بعدی را میآوریم، انجام می‌شود.

۲٫۴ سنسورهای القایی شیلدد یا نان شیلدد

سنسورهای القایی محافظت‌شده (Shielded Inductive Sensors)

سنسور مجاورتی شیلدد، به‌گونه‌ای ساخته می‌شوند که اطراف هسته‌ی فریتی را یک صفحه‌ی محافظ فراگرفته است.
این کار منجر می‌شود که میدان مغناطیسی فقط در راستای مستقیم و سطح جلویی سنسور ایجاد شود.
این بدان معناست که سنسور فقط امکان تشخیص اجسام در جهت مستقیم را دارد.

یک سنسور مجاورتی شیلدد (shielded proximity sensor) می‌تواند به صورت فلشی بر روی سطوح فلزی نصب شود
(به‌خصوص در فضاهای محدود). این‌کار مزیت‌های حفاظت مکانیکی و پروتکشن‌های دیگری را نیز برای سنسور فراهم خواهد کرد.

اگرجه این‌کار باعث کاهش برد سنسور می‌شود، ولیکن می‌توان سنسور را به آسانی در جاهای مختلفی نصب نموده
و فلزاتی که در اطراف قرار دارند، هیچ اثری بر روی کارایی سنسور ندارند.

سنسورهای القایی محافظت نشده (Non-shielded Inductive Sensors)

سنسورهای نان شیلدد (محافظت نشده) هیچ حفاظتی بر روی هسته‌ی فریتی سنسور ندارند
و بخش احساس کننده‌ی سنسور هیچ پوشش جانبی‌ای ندارد.
تفاوت بین سنسورهای شیلدد و نان‌شیلدد را به وضوح می‌توان مشاهده کرد.

طراحی سنسورهای القایی به این سبک، رنج تشخیص بیشتری را نسبت به سنسورهای شیلدد، فراهم می‌کند.
برای سایزهای قطری مشابه، سنسورهای محافظت‌نشده (Non-shielded) عموما از این قابلیت بهره‌مند بوده که
توانایی تشخیص در دو جهت را دارند، حال آنکه سنسورهای شیلدد این ویژگی را ندارند.
درواقع مزیت سنسورهای نان شیلدد، توانایی تشخیص در چندین جهت می‌باشد.

سنسور مجاورتی نان‌شیلدد را نمی‌توان به صورت فلشی نصب نمود، درنتیجه حفاظت مکانیکی آنها کمتر می‌باشد.
همان‌طور که در تصویر هم واضح است، به علت میدانی که در اطراف (تمامی جهت‌های) سوئیچ مجاورتی ایجاد می‌شود،
این میدان ممکن است توسط اجسام فلزی تحت تاثیر قرار گیرد.

در نصب سنسورهای نان شیلدد، حتما دقت عمل بالایی داشته باشید و
دستورالعملی که برای راهنمایی نصب این سنسورها در دیتاشیت آنها ذکر شده را حتما مطالعه نمایید.

تداخل متقابل (Mutual Interference)

اگر سنسورهای مجاورتی در کنار یکدیگر نصب شوند، ممکن است بر عملکرد یکدیگر تاثیر بگذارند.
این اثر را تداخل متقابل می‌گویند. این اتفاق ممکن است در حالت‌هایی که سنسورها در مقابل یکدیگر یا آنکه در کنار هم قرار می‌گیرند، رخ بدهد.

برای جلوگیری از این تداخل و یافتن حداقل فاصله‌ای که بایستی بین سنسورها باشد
تا سنسورها بر یکدیگر تاثیر نگذارند، به دیتاشیت سنسور مراجعه کنید.

از معایب سنسورهای نان‌شیلدد، می‌توان به اثر تداخل متقابل اشاره کرد.
البته احتما رخ دادن این معزل برای سنسورهای شیلدد بسیار کمتر است.

۲٫۵ انتخاب یک سنسور پراکسیمیتی

هنگامی که قصد انتخاب یک سنسور مجاورتی مناسب برای یک کاربرد خاص را دارید، بایستی به یکسری از نکات توجه نمایید:

  • ویژگی‌های جسم موردنظر (نوع فلز، سایز، روکش)
  • جهت حرکت جسم موردنظر
  • سرعت جسم موردنظر
  • اثر فلزات محیطی
  • اثر دما، ولتاژ، EMC، اغتشاشات، شوک، رطوبت، پودرها، مواد شیمیایی و شوینده
  • برد موردنیاز

توسط | ۱۳۹۷-۶-۱۲ ۱۸:۵۳:۰۶ +۰۴:۳۰ ۱۹ خرداد ۱۳۹۷|اتوماسیون صنعتی, تکمیل شده دسته بندی ها|برچسب ها:٪ s |بدون ديدگاه

در باره نویسنده :

ما یه هدف مشترک داریم و میخوایم مهارت هایی که توی صنعت لازمه رو به افراد آموزش بدیم تا روزی که کالای ایرانی در دنیا بهترین باشه. اگه شما هم هدفتون همینه، نماتکی بشید. (:

ثبت ديدگاه

در کمتر از 20 ثانیه عضو شوید و بیش از 100 آموزش رایگان در اختیار شماست.
ویدئوها را برایم بفرست
ما هم مثل شما از ایمیل های تبلیغاتی بیزاریم.
Close