Как датчики приближения работают в различных отраслях?

В современном технологическом мире присутствуют миллиарды процессов, управляемых скрытыми и в большинстве случаев нераспознаваемыми деталями. Будь то замысловатые движения производственной линии на заводе или тускнеющий экран телефона при телефонном звонке, именно датчики приближения делают автоматизацию и интеллектуальный дизайн возможными за кулисами. Такие устройства дают машинам основное чувство - способность видеть или ощущать присутствие какого-либо объекта, не прикасаясь к нему. Это стало ключевым фактором эффективности, безопасности и ориентированного на пользователя дизайна практически во всех крупных отраслях промышленности. Данная статья прольет свет на принципы работы этих решающих элементов, расскажет об их основных упреках в адрес датчиков приближения и обсудит их судьбоносное применение в самых важных промышленных предприятиях.

Что такое датчики приближения и почему на них полагаются в промышленности?

Чтобы оценить их влияние, нужно сначала понять их фундаментальную природу и явные преимущества перед традиционными механическими альтернативами.

Что такое датчик приближения?

Датчик приближения - это электронный прибор, способный обнаруживать присутствие близлежащих объектов без физического контакта. В коммерческих целях датчик работает путем проецирования энергетического поля в непосредственной близости от него, например, электромагнитного поля, инфракрасного луча света, звукового луча высокой частоты и т. д. Затем датчик анализирует изменение этого поля или его обратный сигнал. Как только объект в зоне обнаружения нарушает это поле, выходная цепь датчика переключается и сообщает о присутствии объекта подключенной системе управления (например, ПЛК, микроконтроллеру или компьютеру). Отличительной особенностью датчиков приближения от других устройств механического типа, таких как бесконтактные выключатели, является то, что датчики приближения могут быть идентифицированы как бесконтактные.

Почему эта технология незаменима

Широкое распространение датчиков приближения не случайно - это прямой результат неоспоримых эксплуатационных преимуществ, которые они обеспечивают, делая их незаменимыми для современной автоматизации.

• Повышенная надежность и долговечность: Поскольку датчики приближения не имеют движущихся частей, они не подвержены механическому износу, который характерен для традиционных выключателей. Эта твердотельная конструкция обеспечивает значительно больший срок службы и снижает требования к техническому обслуживанию, что приводит к сокращению времени простоя и снижению долгосрочных затрат.
• Высокоскоростная работа: Не подверженные механической инерции, электронные датчики могут включаться и выключаться с невероятно высокой скоростью. Это делает их идеальными для приложений с быстрыми процессами, такими как подсчет объектов на быстро движущейся конвейерной ленте или мониторинг движение объекта в машиностроении.
• Безопасность и целостность продукции: Бесконтактная природа этих датчиков позволяет им обнаруживать объекты, не нарушая их. Это очень важно в тех случаях, когда объект является хрупким, свежеокрашенным или стерильным. Это также повышает безопасность оператора, позволяя машинам чувствовать окрестности рук или инструментов в опасных зонах.
• Устойчивость окружающей среды: Многие типы датчиков приближения заключены в прочные корпуса, что делает их очень устойчивыми к воздействию условия окружающей среды пыли, влаги, масла и химических загрязнений. Это позволяет им надежно работать в суровых промышленных условиях, где механические устройства быстро выходят из строя.

Понимание четырех основных типов технологий определения приближения

Хотя в основе всех датчиков приближения лежит один и тот же принцип бесконтактного обнаружения, они выполняют эту задачу на основе различных физических принципов. Выбор типа датчика определяется природой материала целевого объекта, необходимой дальностью обнаружения и условиями эксплуатации. Существует четыре основных типа датчиков приближения, а именно: индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и ультразвуковые. Индуктивные датчики приближения

Индуктивный датчик - это рабочая лошадка промышленной автоматизации для обнаружения металлических объектов.

Принцип работы:

В качестве альтернативы индуктивный датчик создает высокочастотное электромагнитное поле с помощью катушки на чувствительной поверхности. Объекты, изготовленные из металлического материала (черные или цветные материалы), при попадании в это поле будут создавать на своих внешних поверхностях очень малые электрические токи, называемые вихревыми токами. Эти вихревые токи вызывают образование второй напряженности магнитного поля, которая противодействует первоначальному полю датчика и уменьшает его. Эта потеря колебаний поля ощущается внутри схемы датчика и используется для формирования выходного сигнала.

Целевые объекты: Исключительно для обнаружения металлических предметов.

Преимущества:

• Чрезвычайно прочный и долговечный.
• Высокая устойчивость к пыли, грязи, маслу и влаге.
• Быстрая скорость переключения и очень долгий срок службы.
• Выдерживает экстремальные температуры.

Недостатки:

• Предназначен только для обнаружения металлических целей.
• Диапазон чувствительности относительно небольшой, обычно от нескольких миллиметров до 60 мм.

Емкостные датчики приближения

Емкостные датчики отличаются большей универсальностью материалов по сравнению с индуктивными аналогами.

Принцип работы:

Емкостные датчики представляют собой открытый конденсатор, в котором одной пластиной является чувствительная поверхность, а второй внутренний электрод - другая пластина. Это обеспечивает стабильное электростатическое поле. Когда какой-либо объект, как проводящий, так и непроводящий, приближается к чувствительной поверхности, диэлектрическая проницаемость зазоров между пластинами изменяется. Это изменение диэлектрических способностей приводит к изменению емкости системы. Когда это изменение превышает установленный порог, датчик становится активным.

Целевые объекты: Может обнаружить практически любой материал, включая металлы, пластик, дерево, жидкости, порошки и гранулированные вещества.

Преимущества:

• Обладает широким спектром материалов, которые может обнаружить.
• Применяется в таких областях, как определение уровня жидкости через неметаллическую стенку резервуара.

Недостатки:

• Более чувствительны к факторам окружающей среды, таким как влажность и сырость, которые могут вызывать ложные срабатывания.
• Диапазон чувствительности также довольно короткий.

Фотоэлектрические датчики приближения

Фотоэлектрические (или оптические) датчики используют луч света для обнаружения присутствия объекта.

Принцип работы:

Эти датчики состоят из двух основных компонентов: излучателя (обычно это светодиод инфракрасного или видимого света) и приемника (фотодиод или фототранзистор). Они работают в одном из трех основных режимов:

Двутавровая балка: Излучатель и приемник находятся в отдельных корпусах, обращенных друг к другу. Объект обнаруживается, когда он прерывает луч света между ними.

Светоотражающие: Излучатель и приемник находятся в одном корпусе. Луч света отражается от специального отражателя, и объект обнаруживается, когда он прерывает этот путь.

Диффузно-отражающий: Излучатель и приемник находятся в одном корпусе, и датчик полагается на световой луч, отражающийся непосредственно от целевого объекта.

Целевые объекты: Обнаруживает большинство непрозрачных или полупрозрачных объектов.

Преимущества:

• Обеспечивает гораздо большую дальность обнаружения, чем индуктивные или емкостные типы, достигая многих метров.
• Универсальны и доступны в различных конфигурациях.

Недостатки:

• На производительность могут влиять цвет, отражательная способность и текстура поверхности мишени.
• Линзы могут помутнеть от пыли, грязи или влаги, что требует периодической очистки.

Ультразвуковые датчики приближения

Ультразвуковые датчики используют звуковые волны для измерения расстояния и обнаружения объектов, подобно гидролокатору.

Принцип работы:

Датчик издает короткий высокочастотный импульс звука. Затем он переходит в режим прослушивания, ожидая, пока звук отразится от объекта и вернется в виде эха. Микропроцессор датчика измеряет время, прошедшее с момента излучения до приема звука (так называемое “время полета”). Используя скорость звука, он точно рассчитывает расстояние до объекта.

Целевые объекты: Может обнаружить практически любой объект, отражающий звук, независимо от его цвета, прозрачности или блеска поверхности. К ним относятся прозрачное стекло, жидкости и блестящие металлы.

Преимущества:

• Отлично справляется с обнаружением прозрачных объектов или объектов неправильной формы.
• Не зависит от цвета.
• Может использоваться для измерения расстояния, а не только для обнаружения присутствия.

Недостатки:

• Более медленное время отклика по сравнению с фотоэлектрическими датчиками.
• Могут испытывать трудности с обнаружением мягких, звукопоглощающих материалов, таких как пенопласт или ткань.
• Может иметь “слепую зону” очень близко к поверхности датчика, где обнаружение невозможно.

Краткое описание типов датчиков приближения

Автоматизация с помощью датчиков в обрабатывающей промышленности

Датчики приближения в обрабатывающей промышленности образуют основные этапы автоматизации. Сотни таких датчиков на современной производственной линии взаимодействуют друг с другом, чтобы обеспечить бесперебойное, безопасное и максимально эффективное протекание процессов. Проверка местоположения металлических деталей машин, зажимов и приспособлений повсеместно осуществляется с помощью магнитных датчиков приближения. Продолжая приведенный выше пример, датчик укажет роботизированной руке, что металлическое шасси находится в правильном положении перед началом сварки. В конвейерной системе необходимо обнаруживать и подсчитывать объекты, и фотоэлектрические датчики идеально подходят для этой цели; датчик с поперечным лучом может обеспечить прохождение каждой бутылки, а диффузный датчик - убедиться, что этикетка наклеена на коробку. Такая непрерывная обратная связь означает, что управление может быть точным, количество ошибок минимально, а производительность очень высока.

Улучшение пользовательского опыта в бытовой электронике, например, в смартфоне

Однако за пределами заводских цехов датчики приближения лежат в основе устройств, которыми мы постоянно пользуемся. Большинство людей знакомы с самой популярной разновидностью - инфракрасным (ИК) датчиком приближения в вашем смартфоне. Когда вы подносите телефон к уху во время разговора, экран автоматически отключается, чтобы избежать нежелательных контактов с кожей лица, а также для экономии заряда батареи. Для этого используется небольшой ИК-светодиод, излучающий невидимый луч инфракрасного света, и светочувствительное устройство, считывающее его отражение. Когда ваше лицо находится рядом, интенсивность отраженного света очень высока, что побуждает программное обеспечение отключить экран и сенсорный экран. Такое простое и легкое взаимодействие - отличный пример того, как можно использовать датчики для создания более естественного и интеллектуального пользовательского опыта, особенно в Android и мобильных приложениях.

Улучшение систем безопасности с помощью датчиков в автомобильной промышленности

Датчики приближения - один из самых используемых в автомобильной промышленности функционалов, основными задачами которого являются обеспечение безопасности автомобиля и удобства водителя. Привычный звуковой сигнал системы помощи при парковке - это работа ультразвуковых датчиков, установленных в бампере автомобиля. Эти датчики издают звуковые импульсы при движении автомобиля задним ходом. Звук отражается, когда сзади автомобиля появляется препятствие, например, автомобиль, бордюр или пешеход. Оценивая время полета, система определяет расстояние до препятствия и преобразует его в звуковой или/и видимый сигнал для водителя. Чем ближе объект, тем быстрее подается звуковой сигнал. Эта система позволила значительно сократить количество неудач при парковке на низких скоростях и послужила основой для создания сложных автоматизированных систем парковки и помощи водителю (ADAS).

Как выбрать датчик, соответствующий потребностям вашей отрасли

Выбор подходящего датчика приближения из тысяч доступных моделей - важнейшее инженерное решение. Правильный выбор требует систематической оценки специфических требований приложения. Инженер или технический специалист должен следовать четкому процессу принятия решений:

• Определите целевой материал: Является ли обнаруживаемый предмет металлическим? Если ответ утвердительный, то индуктивный датчик обычно является наиболее прочным и экономичным вариантом. Емкостные, фотоэлектрические или ультразвуковые датчики необходимы в случае неметаллических предметов, жидкостей или порошков.
• Определите расстояние срабатывания датчика: Индукционные и емкостные датчики можно использовать, когда диапазон измерений невелик (несколько миллиметров). Фотоэлектрические датчики наиболее распространены, когда необходимо измерять большие расстояния - от нескольких сантиметров до многих метров. Ультразвуковые датчики занимают промежуточное положение, работая между сантиметровым и метровым диапазонами.
• Анализ операционной среды: Будет ли датчик подвергаться воздействию пыли, воды, масла или горячих температур? Индуктивные датчики могут быть очень жесткими в грязной и загрязненной среде. Фотоэлектрические линзы должны быть защищены от помутнения при сильном запылении или воздействии пара.
• Рассмотрите свойства объекта: Кроме материала, решающее значение имеют и другие характеристики. Является ли цель прозрачной, как бутылка из стекла? Предпочтительнее использовать светоотражающий/ультразвуковой фотоэлектрический датчик. Имеет ли она неоднородный цвет? Рассеянный фотоэлектрический датчик будет менее надежным, чем ультразвуковой датчик, который не различает цвета.
• Оцените требования к скорости и точности: Когда требуется точный подсчет числа или позиционирование, а скорость является проблемой, необходимо сочетание быстрого времени отклика индуктивных и фотоэлектрических датчиков. В тех случаях, когда требуется высокая точность измерения расстояния, подойдет ультразвуковой датчик или специальный лазерный фотоэлектрический датчик.

Будущее датчиков приближения в робототехнике и IoT

Работа датчиков приближения все еще находится в процессе развития. Они приобретают все большее значение в сфере IoT и робототехники. В случае с современными роботами для совместной работы (“коботами”), предназначенными для работы в одном пространстве с человеком, набор передовых датчиков используется для обеспечения безопасности и формирования виртуального защитного поля, которое снижает или останавливает скорость робота, когда человек находится слишком близко. Датчики приближения - самые важные органы сбора данных в обширной сети IoT. С их помощью "умные" здания определяют, кто находится в помещении, чтобы регулировать освещение и управление системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, "умные" сельскохозяйственные системы проверяют уровень заполнения бункеров для зерна, а логистические компании отслеживают движение посылок по складу. Благодаря неумолимо уменьшающимся размерам, растущей энергоэффективности и возможности подключения (с помощью беспроводных соединений), способность датчиков передавать данные в режиме реального времени будет все чаще становиться двигателем инноваций, лежащих в основе разработки следующего поколения интеллектуальных, подключенных систем.