مکاترونیک Proximity sensor بسمه تعالی مکاترونیک Proximity sensor استاد:دکتر شمقدری ارائه دهنده:انوشا اعتباری دانشکده مهندسی برق دانشگاه علم و صنعت ایران نیم سال دوم 94-95
سرفصل مطالب مقدمه (تشخیص حضور یا عدم حضور قطعات) فناوری ها Limit Switches Inductive proximity Sensors پیکر بندی خروجی اتصالات Series &Parallel Shielded & Unshielded Proximity Sensor ضخامت استاندارد ضخامت هدف جنس هدف محدوده مجاز عملکرد سنسور انواع مختلف سنسورهای مجاورتی القایی دسته بندی ها محیط های عملکردی نا امن و خشن خروجی آنالوگ بازار
«سنسور مجاورتی القایی» مقدمه (تشخیص حضور یا عدم حضور قطعات)
مقدمه (تشخیص حضور یا عدم حضورقطعات) در حوزه ی ساخت و تولید نخست مسئله ای که حائز اهمیت است بحث حضور و عدم حضور قطعات است. لذا بحث ما بیشتر صفر و یک می باشد.بیشتر فناوری های امروزه به صورت contact وnon contact است.
«سنسور مجاورتی القایی» فناوری ها
فناوری ها اگر به جدول روبرو نگاهی بیاندازیم در یک نگاه جمع بندی کلی از سنسورهای حوزه manufacturingمی رسیم. آنچه که حائز اهمیت بوده مزایا و معایب و کاربرد های سنسور هاست که با مطالعه ی دقیق آنها به این نتیجه میرسیم که هریک برای یک کاربرد خاص و مهمی در ساخت و تولید تعبیه شده اند به گونه ای که ما را از استفاده از آنها بی نیاز میگرداند. حال به بررسی تک تک آنها می پردازیم: Limit switch Photoelectric Inductive Capacitive Ultrasonic
Limit switch: فناوری ها کاربرد آنها در دستگاه های تراشکاری CNC ویا NC است. Photoelectic: سنسور فوتوالکتریک را داریم که در آسانسورها با آن برخورد کردیم.یک منبع نوری دارند که معمولا اینفرارد هست برای اینکه نور visibleروی آن اثر کمتری بگذارد.نور به سنسور فوتو الکتریک برخور کرده و برمیگردد. Inductive: این سنسور از نوع القایی است که وقتی مقابل آن قطعه ای قرار میگیرد آن را detect میکند. Capacitive: همانند سنسور القایی است با این تفاوت که به جای اینکه فلز را detect کندغیر فلز را هم detect میکند. Altrasonic: کم و بیش با فرستنده و گیرنده های altrasonic آشنا هستیم.این سنسور از یک طرف وقتی به آن ولتاژ بدهیم صوت آلتراسونیک را با فرکنس مد نظر ما تولید میکند و از طرف دیگر وقتی صوت آلتراسونیک به آن بر خورد کند سیگنال الکتریکی متناسب با آن تولید میکند.
«سنسور مجاورتی القایی» Limit Switches
Limit Switch همانگونه که از اسمشان بر می آید limit switch ها حد حرکت را مشخص میکنند . این سنسور سه بخش اساسی دارد: Actuator Operating Head Switch Body Concept کلی آن به این صورت است که وقتی target یا همان زایده فلزی موجود در محور حرکت در مقابلش قرار میگیرد آن را فعال میکند.
Operating Head: شکلهایHeadآن متفاوت است. شکلهایی که در تصویر میبینید مربوط به کمپانی ZIEMENS می باشد.مطمئنا در محصولات کمپانی های دیگر سرهای متفاوت تر از اینها می بینید که بسته به کاربرد ونیاز ما در دستگاه های مختلف و نیز متفاوت بودن حرکت محور در دستگاههای مختلف از آنها بهره می گیریم.
«سنسور مجاورتی القایی» Inductive Proximity Switch
Inductive Proximity Sensor Proximity یعنی مجاورتی واز نوع سنسورهایnoncontact است به عبارتی حتما قطعه بایستی در کنارش قرار بگیرد تا فعال شودوinductive است چون تکنولوژی که برای شناسایی و حس کردن دارد القایی است از این رو به آن القایی گفته میشود. این حسگر در شکلهای متفاوت و قطرها و طولهای متعدد یافت می شود. شکل های حجمی متقاوتی دارد مانند cubic شکل و tublur و... دارد.
Proximity sensor چطور کار می کند؟ Concept کلی این حسگر به این صورت است که یک head ای دارد که این head در مقابل شی فلزی قرار می گیرد این شی فلزی را detect میکند.در نتیجه شما متوجه می شوید بدون اتصال فیزیکی که در واقع فلزی در مقابل آن قرار گرفته است. Proximity sensor چطور کار می کند؟ کار آن بسیار ساده است؛ head آن را اگر باز کنیدجلوی آن یک پوشش رزین دارد فلز نمی تواند باشد چون یک سیم پیچ جلوی آن قرار گرفته است که این سیم پیچ پشتش به یک مدار الکترونیکی متصل است.آن مدار الکترونیکی همان اسیلاتور می باشد که در تصویر می بینید،یک ولتاژ رگولاتور هم دارد که ولتاژ اسیلاتور را از ولتاژ ورودی تامین می کند.خازن وسلفی که در اسیلاتور داریم شروع به نوسان کردن می کند؛جریان متغیری که از درون سلف می گذرد میدان مغناطیسی درست می کند؛پس در head آن فلویی به سمت بیرون شکل می گیرد.حال وقتی یک فلز در مقابل آن قرار می گیرد درون فلز القای مغناطیسی صورت می گیرد که چون جریان Eddy Currentمی باشدباعث می شود که با عامل به وجود آورنده خودش مخالفت کند در نتیجه باعث تضعیف آن می شود.بسته به ابعاد ،اندازه ،جنس و فاصله اش می تواند این تضعیف به سمتی برود که در نهایت سطح دامنه آنقدر کم شود که اشمیت تریگری که در آن تعبیه شده است حالتش عوض شود؛به این صورت که اگر باز است بسته شود اگر بسته است باز شود.
«سنسور مجاورتی القایی» پیکر بندی خروجی
پیکربندی خروجی حسگر های مجاورتی القایی از نوع DC و AC هستند. معمولا 3wireیا 4wire هستند. 4سیمه هر دو تا مورد NO(normally open)و (normally close)NC را با هم دارند. 3سیمه ها یک مورد را بیشتر ندارند یاNO اند ویا NC. طبقه خروجی در آنها مهم است که NPN باشد یا PNP اگر ترانزیستور ما PNP باشد جریان را به load تزریق می کندو مدار source است .از بار می توانید به عنوان خروجی استفاده کنیدکه به I/O یک plc می دهید. و اگر ترانزیستور ما NPN باشد این بار جریان می کشد ومدار ما sink می شود.سینک نقطه مقابل سورس است.
NPN و PNP ها میتوانند NO و NC داشته باشند NPN و PNP ها میتوانند NO و NC داشته باشند.اگر فلز قرار نگرفته باشد و خروجی اشمیت تریگر فعال باشد به مفهومه این است که اینجا NC هست یعنی هنوز قطعه ندارید close هست اما وقتی قطعه قرار می گیرد خروجی اشمیت تریگر off شود یعنی ترانزیستور خاموش شود در آن صورت باز می شود.پس NC هست وقتی قطعه بیاد میشه NO . حالا حالت دیگر NO می باشد یعنی وقتی قطعه نداریم غیر فعال باشد وقتی قطعه بیاد فعال شود در نتیجه NO ای است که NC شده است. پس می توان بسته به اینکه خروجی اشمیت تریگر در حضور یا عدم حضور قطعه روشن باشد یا نباشد خروجی NO و NC ساخته شود چه PNP باشد و چه NPN . در تصویر زیر انواع دو سیمه،3سیمه و 4سیمه را ملاحظه می کنید. که شایان ذکر است که در نوع دو سیمه آن بار سری با سنسور قرار می گیرد که چیز خوبی نیست.
«سنسور مجاورتی القایی» اتصالات Series &Parallel
اتصالات Series &Parallel یک کار دیگر که میتوان در این حوزه انجام داد سری و موازی قراردادن آنهاست. اگر بخواهیم ترکیبی از این سنسور ها را برای تولید خروجی استفاده کنیم مثلا فرضی در نوع دو سیمه قائل شویم که اگر یکی از این دو تا اتفاق افتاد این خروجی تامین شود؛پس به این منظور باید خروجی اولی را با خروجی دومی موازی کنم و ورودی ها را نیز با هم موازی کنم این نوع parallel یا موازی می باشد و اما در نوع series آن باید جفت اتفاق ها بیفتد یعنی اینکه همه ی حالات مفروضه باید اتفاق بیفتد تا خروجی جریان دریافت کند.
«سنسور مجاورتی القایی» Shielded & Unshielded Proximity Sensor
Shielded & Unshielded Proximity Sensor تفاوت عملکردی که این دو نوع با هم دارند این است که قدرت نفوذ و فاصله ی Unshielded ها بیشتر از Shielded هاست.اما مزیتی که دارند این است که متاثر از فلزاتی که در اطرافشان قرار می گیرند نمی شوند. چون این پوشش میدان مغناطیسی را به سمت جلو هدایت می کند یک B به سمت جلو ایجاد می کند در حالیکه اگر این فلز اطرافش نباشد این B به سمت بغل هم پخش می شود در نتیجه اگر فلز در کنار آن قرار گرفته باشد فعالش می کند. توجه: حواستان باشد که Shielded وUnshielded را به جای هم به کار نبرید.
وهمیشه در نظر داشته باشید اطراف Unshielded امن نیست به عبارتی safe نبوده در حالیکه Shielded ها safe اندو فلزاتی که در اطرافشان قرار می گیرد این سنسور را فعال نمی کنند.به همین دلیل به آنها Flush _Mounted می گویند. Flush یعنی هم سطح (level) شدن یک قطعه با محل نصبش.
آنچه که در بهره برداری proximity sensor Unshielded حائز اهمیت است این است که باید یک Free_zone ای داشته باشد که اگر فلزی در اطرافش قرار گرفت سنسور را فعال نکند.پارامتر دیگری که مهم است Sn می باشد که فاصله ی عملکردی تئوری و محاسباتی است.مقدار ارتفاعی که باید به آن بدهیم تا از محل نصبش بالاتر قرار بگیرد به اندازه 2Sn است.نزدیکترین سطحmetal ای که می تواند مقابلش قرار گیرد به اندازه ی حداقلی 3Sn می باشد.
«سنسور مجاورتی القایی» ضخامت استاندارد
ضخامت استاندارد در data sheet ها مقدار فاصله ی عملکردی محاسباتی یا همان Sn معلوم شده است.حال می خواهیم ببینیم ابزار تست آن چیست؟ ابزار تست آن Standard Target است. ضخامت آن 1mm است وجنس آن هم mild steel است یعنی فولادی که درصد کربن بالایی دارد.ابعادش هم باید هم سطح ضخامت این هدف باشد.هر چقدر قطر دارد هم سطح همان باید قطر داشته باشد که سازگار باشد.این مراحل در کارخانه تولید این سنسور به منظور کالیبراسیون باید طی گردد. یک مورد دیگر که مهم است این است شکل standard target است. شکلtarget نباید نامنظم باشد بلکه حتما باید مرتب و همگون مانند شکل زیر باشد تا محاسبات و کالیبراسیون اشتباه اتفاق نیفتد.
«سنسور مجاورتی القایی» ضخامت هدف
ضخامت هدف بحث Target Thickness هم در مورد inductive proximity sensor ها مهم و قابل توجه است. برای انواع خاصی از فلزات ضخامت مهم است ولی به شکل عام ضخامت فلزی که در مقابل سنسور قرار می گیرد اگر تغییر کند Sn نبایستی تغییر کند.برخی از فلزات خاص که nonferrous هستند یعنی غیر آهنی هستند مانند برنج و آلومینیوم و مس این گونه فلزات پدیده ای روی آنها تحت عنوان" Skin effect " اتفاق می افتد که طی این پدیده جریان از سطح فلز رد شده و این باعث می شود که در مقابل میدان مغناطیسی که واقع می شوند رفتار متفاوت تری نسبت به mild steel ها از خود نشان دهند. نموداری همانند نمودار زیر در data sheet ها ملاحظه می گردد که بیان می کند بسته به فلزات مختلف Sn های متفاوتی خواهیم داشت که هر کدام از آنها به جز mild steelدر scale ای ضرب می شوند.
«سنسور مجاورتی القایی» جنس هدف
جنس هدف یک پارامتر دیگری که در datasheet ها به آن برخورد می کنیم Correction Factor است که در آن بیان می شود که بسته به اینکه فلز مقابل حسگر ما چه باشد ضریبی در Sn ضرب خواهد شد. در جدول زیر نمونه هایی از آن را برای Shielded وUnshielded ها می بینیم.
«سنسور مجاورتی القایی» محدوده مجاز عملکرد سنسور
محدوده مجاز عملکرد سنسور بعد از بررسی عدد تئوریک Sn یا rated operating distance که در آن تلورانس های ساخت و دمای عملکردی ونیز ولتاژ منبع تغذیه رعایت نشده است به پارامتر دیگری تحت عنوان Sr یا effective operating distance می رسیم که عددی برای ولتاژ نامی منبع تغذیه و نیزدمای محیطی مثلا 23درجه سانتی گراد با 0.5درجه خطا در آن لحاظ شده است. پارامتر مفید دیگر Su =useful switching distance است که تحت یک رنج عملکردی مشخصی آن را تعریف کردند و در آن برای ولتاژ منبع تغذیه هم تلورانس قائل شدند. پارامتر Sa=guraranted operating distance دیگر پارمتر مهم و کاربردی ترین آنهاست که در آن هدف باید به عنوان محدوده مطمئن و مجاز برای عملکرد سنسوربین 0 تا81 درصد Sn قرار گیرد .
«سنسور مجاورتی القایی» انواع مختلف سنسور های مجاورتی القایی
انواع مختلف سنسور های مجاورتی القایی در شکل روبرو انواع مختلف Inductive Proximity Switch ها را ملاحظه می کنید که شکل و شمایل و قطرهای متفاوتی دارند برای اینکه فواصل مختلفی را جواب دهند باز هم تاکید میکنم که Unshielded ها قویتر از Shielded ها هستند اما محدودیت نصب دارند.
سنسورهای زیر سنسورهای مکعبی شکل و مناسب برای استفاده عادی هستند.
سنسورهای زیر سنسورهای سیلندری شکل و مناسب برای استفاده عادی و معمولی هستند.
این سنسورها دو سیمه بوده وبرای ورودی های solid state یا حالت جامد مورد استفاده قرار می گیرندمانند کارت I/O plc ها و رله های حالت جامد.
«سنسور مجاورتی القایی» دسته بندی ها
به طور کلی برای کاربرد های عمومی به کار می روند . دسته بندی ها به طور کلی برای کاربرد های عمومی به کار می روند . خروجی آنالوگ دارند. خروجی آن از استاندارد AS-interface پیروی می کند. Weld field immune می باشند یعنی در معرض میدان مغناطیسی شدید می تاند قرار بگیرد. فشار بالا را تحمل می کنند. رنج سنجش طولانی دارند. در شرایط محیطی خشن و سخت و ناامن می توانند قرار گیرند.(استاندارد IP68 ) وظایف سخت را تحمل می کنند.
«سنسور مجاورتی القایی» محیط های عملکردی نا امن و خشن
محیط های عملکردی نا امن و خشن این سنسورها در این محیط ها حضور دارند. محیط های عملکردی نا امن و خشن این سنسورها در این محیط ها حضور دارند.
«سنسور مجاورتی القایی» خروجی آنالوگ
خروجی آنالوگ
این سنسور برای خروجی گرفتن آنالوگ مناسب است این سنسور برای خروجی گرفتن آنالوگ مناسب است. اگر فاصله Target ما 0-6mm تغییر کند خروجی سنسور از 1- 5VDC و یا از 0-5mA تغییر می کند هنگامی که target از حسگر مجاورتی القایی دور می شود. در این حالت رزولوشن خوبی به ما نمی دهد.
«سنسور مجاورتی القایی» بازار
سنسور القایی SENSORS سری PR ساخت چیین بازار اگر سری به بازار بزنیم با تنوع زیادی در حوزه ابزار دقیق روبرو می شویم. در شکل زیر تصویری از تبلیغ نوعی از این سنسور آورده شده است. سنسور القایی SENSORS سری PR ساخت چیین ویژگی: قابلیت تشخیص اشیاء فلزی از فاصله 1.2 تا 10.5میلیمتر با قیمت مناسب
سنسور القایی از نوع خازنی آتونیکس ساخت کره سری CR سنسور القایی آتونیکس ساخت کره سری PR ویژگی: قابلیت تشخیص اشیاء فلزی از فاصله 5 تا 15 میلیمتر سنسور القایی از نوع خازنی آتونیکس ساخت کره سری CR ویژگی: قابلیت تشخیص اشیاء فلزی و غیر فلزی، پلاستیک، آب، سنگ، چوب و ... از فاصله 8 تا 15 میلیمتر
«سنسور مجاورتی القایی» لیست مراجع
Sensor Technology HANDBOOK by john Wilson لیست مراجع Sensor Technology HANDBOOK by john Wilson Fundamentals of test measurement instrumentation by keith R.cheatle Practical instrumentation for Automation &Process Control Siemens Technical Education Programm STEP 2000 series www.eca.ir http://www.alborzsensor.ir/index.php
«سنسور مجاورتی القایی» لیست مراجع (برای مطالعه بیشتر) «سنسور مجاورتی القایی» لیست مراجع (برای مطالعه بیشتر)
لیست مراجع (برای مطالعه بیشتر) Instrumentation for engineering measurements J.W.Dally, W.F.Rilley &K.G.McConnell,Prentice Hall,1983 Process Control Instrumentation Technology ,Curtis D.Johnson,Prentice Hall,2000 Industrial Control Handbook ,E.A.Parr,industrial Press ,3rd ED,1998