Spis treści:
Czujniki zbliżeniowe należą do podstawowych rodzajów sensorów, stosowanych głównie w automatyce przemysłowej. Dowiedz się, jak stosować je z Arduino!
Czujniki indukcyjne - budowa i zasada działania
Czujniki indukcyjne to podgrupa sensorów zbliżeniowych dostosowana do wykrywania obecności metalowych obiektów w sposób bezdotykowy (tj. bez konieczności kontaktu fizycznego czujnika z obiektem, np. przeszkodą).
Działają one na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, a możliwości ich wykorzystania są niezwykle różnorodne – obejmują zarówno automatykę przemysłową, jak i robotykę, co więcej: czujniki w specjalnych wykonaniach mogą znaleźć zastosowanie także konstrukcjach z wielu innych obszarów.
Czujnik indukcyjny zbudowany jest z cewki, włączonej do obwodu rezonansowego współpracującego z elektronicznym oscylatorem. Gdy metalowy przedmiot zbliża się do cewki, pole magnetyczne cewki generuje w nim prądy wirowe.
Te zaś wytwarzają swoje własne pole magnetyczne, które oddziałuje z pierwotnym polem magnetycznym cewki, powodując zmianę jej impedancji, a co za tym idzie – odstrojenie obwodu od jego bazowej częstotliwości rezonansowej. Wykrycie takiej zmiany jest interpretowane przez obwody sensora jako obecność obiektu w zasięgu działania czujnika. Istotnym aspektem pozostaje tu fakt, że wykrywany przedmiot nie musi dotykać czujnika, a odległość na jaką czujnik będzie w stanie “wyczuć” przeszkodę zależy od wielkości przedmiotu i rodzaju materiału, z którego został on wykonany, a także – od konstrukcji konkretnego modelu czujnika.
Należy pamiętać, że czujniki indukcyjne są czułe tylko na obiekty metalowe! Materiały nieprzewodzące, takie jak drewno, plastik czy szkło, uniemożliwiają przepływ prądów wirowych, a co za tym idzie – nie wpływają na pole magnetyczne czujnika i pozostają dla niego „niewidoczne”, niezależnie od odległości.
Zalety i wady czujników indukcyjnych
Czujniki indukcyjne oferują szereg zalet, w tym przede wszystkim długą żywotność – nie posiadają żadnych ruchomych części, które mogłyby ulec zużyciu, co ma miejsce np. w przypadku konwencjonalnych przełączników krańcowych. Kolejną istotną cechą tej grupy komponentów jest doskonała odporność na warunki środowiskowe, takie jak kurz, wilgoć czy drobiny oleju, a także zdolność do pracy w wysokich temperaturach. Wiele czujników produkowanych jest w hermetycznych, wytrzymałych obudowach, zapewniających niemal całkowitą ochronę przed najbardziej „brutalnym” wpływem otoczenia. Należy jednak podkreślić, że – choć zastosowanie czujników ogranicza się do obiektów metalowych – to istnieją również dodatkowe czynniki, które w mniejszym lub większym stopniu wpływają na zakres detekcji. Zasięg mocno zmienia się m.in. w zależności od rodzaju metalu, odległości od obiektu, a nawet jego kształtu.
Parametry czujników indukcyjnych
Noty katalogowe przemysłowych sensorów indukcyjnych pełne są rozmaitych parametrów elektrycznych, mechanicznych oraz środowiskowych, których omówienie wymagałoby poświęcenia naprawdę sporego artykułu tylko tej jednej podgrupie czujników. Dlatego też skupimy się na kilku najważniejszych parametrach, determinujących przydatność danego czujnika w określonej aplikacji.
- Zasilanie – czujniki indukcyjne wymagają zasilania prądem stałym (DC) lub przemiennym (AC). Napięcie zasilania zazwyczaj wynosi od 5 V do 24 V dla modeli DC i do 240 V dla modeli AC. Bezpieczne użytkowanie czujnika wymaga przestrzegania tych parametrów i nieprzekraczania dopuszczalnych granic, określonych przez producenta.
- Rodzaj wyjścia – w czujnikach indukcyjnych spotkamy zwykle wyjścia albo typu NPN, albo PNP. W pierwszym przypadku tranzystor wyjściowy “zamyka obwód do masy”, co oznacza, że podłączone z zewnątrz obciążenie jest zwierane do masy układu (ujemnej szyny zasilania), podczas gdy czujnik z wyjściem PNP działa „od strony zasilania” – obwód jest zwierany z dodatnim biegunem zasilacza (np. +24 V). Co ważne, czujniki różnią się także sposobem pracy tranzystora wyjściowego – podobnie jak w przypadku klasycznych przełączników, wyróżniamy sensory z wyjściem typu NO (normalnie otwarte) oraz NC (normalnie zamknięte).
- Obudowa – typ obudowy czujnika określa jego zdolność do pracy w danych warunkach otoczenia. Większość czujników indukcyjnych wyposaża się w obudowy wykonane w postaci metalowej rurki z gwintem zewnętrznym (np. M12), zakończonej czołem wykonanym z tworzywa sztucznego. Takie obudowy są odporne na wstrząsy, wilgoć, pył, działanie niektórych środków chemicznych, smarów, etc. Do klasyfikacji poziomu ochrony czujnika często stosuje się standardy ochrony, takie jak IP67 lub IP68.
- Zasięg wykrywania – czyli maksymalna odległość, na jaką czujnik jest w stanie wykryć „standardowy” obiekt (np. metalową płytkę o określonych wymiarach). Jest to kluczowy parametr, który trzeba uwzględnić podczas projektowania systemu.
- Częstotliwość pracy – określa, jak szybko czujnik jest w stanie reagować na zmiany. Wyższa częstotliwość pracy oznacza, że czujnik jest w stanie wykryć szybko poruszające się obiekty.
- Temperatura pracy – każdy producent określa dla swoich czujników zakres dopuszczalnych temperatur otoczenia, w których elementy mogą funkcjonować prawidłowo. Wiele czujników radzi sobie z temperaturami od -25 do 70oC, ale niektóre modele są przystosowane do pracy w jeszcze bardziej ekstremalnych warunkach.
Współpraca czujnika z Arduino
Podłączenie czujnika indukcyjnego do platformy Arduino jest zadaniem stosunkowo prostym i wymaga jedynie podstawowej wiedzy o elektronice. W przypadku trójprzewodowych czujników dostępne są następujące wyprowadzenia:
- Zasilanie (VCC) – przewód zasilania czujnika indukcyjnego, zwykle oznaczony kolorem brązowym, należy podłączyć do zasilania 5V lub 12V na płytce Arduino, w zależności od wymagań specyficznego modelu czujnika.
- Masa (GND) – przewód masy czujnika indukcyjnego (czarny lub niebieski, zależnie od wykonania); należy podłączyć go do dowolnego pinu GND na płytce Arduino.
- Sygnał (Out) – przewód sygnałowy, zwykle oznaczony jako niebieski, należy podłączyć do dowolnej linii cyfrowej (np. D5) Arduino. W celu ochrony modułu Arduino przed uszkodzeniem, zalecane jest również użycie rezystora ograniczającego prąd, zaś w przypadku czujników pracujących z napięciem zasilania wyższym niż 5 V – warto zastosować dodatkowe ograniczenie w postaci diody Zenera, włączonej równolegle do wejścia mikrokontrolera i „obcinającej” napięcie do bezpiecznego dlań poziomu.
Odczyt stanu czujnika nie różni się od obsługi dowolnego innego sensora z wyjściem binarnym – wystarczy jedynie skonfigurować dany pin GPIO jako wejście:
pinMode(numer_pinu, INPUT)
a następnie sprawdzić jego stan poprzez funkcję:
digitalRead(numer_pinu)
Warto pamiętać, że stan aktywny (tj. wystawiany przez czujnik na wyjście po wykryciu metalu w pobliżu czoła sensora) będzie zależny zarówno od budowy wyjścia (NPN lub PNP), jak i trybu pracy (NO lub NC). I jeszcze jedna ważna uwaga: dobrą praktyką jest sprawdzanie specyfikacji technicznej czujnika indukcyjnego ZAWSZE przed podłączeniem go do płytki Arduino, ponieważ różne modele mogą prezentować odmienne wymagania co do zasilania i sposobu połączenia. Ze względów bezpieczeństwa, w przypadku Arduino zaleca się stosowanie czujników, których zakres napięć zasilania obejmuje napięcie 5 V – takie komponenty, np. kompaktowy sensor zbliżeniowy E2S-H4N1, znajdziesz w ofercie sklepu Botland.
