سنسور مجاورت القایی چیست و چه انواعی دارد؟

اکثر صنایع اعم از خودرو سازی و ماشین آلات صنعتی نیازمند دقت فراوانی در تولید و کنترل سرعت هستند از این رو نیاز به حضور سنسور ها در صنعت عمیقا حس می‌شود، در این مطلب سعی شده است تا به طور جامع درباره ی نوعی از سنسور ها به نام سنسور های القایی که بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند صحبت شود. 

سنسور های مجاورت

سنسورهای مجاورتی (Proximity Sensor)، که دیتکتور هم نامیده می شوند، دسته ای از سنسور ها هستند که در مقایسه  با سنسور ها  یک دستگاه تشخیص (detect) شی (object) بدون هیچ گونه  تماسی هستند. فقط از طریق نزدیک شدن جسم مورد نظر به سنسور فعال شده و این امکان را فراهم می کنند که بدون نیاز به لمس کردن جسم مورد نظر، بتوانیم حضور اشیاء را در مجاورت سنسور تشخیص دهیم و خروجی آن ها بسته به مدل سنسور HIGH یا LOW می شود. انواع حسگر مجاورتی مختلف وجود دارد که براساس نیاز به تشخیص مواد استفاده می شوند.

 انواع تکنولوژی های زیر که کاربرد های متعدد و گسترده ای در صنعت دارند، صرفاً برای تشخیص حضور یا عدم حضور یک شی استفاده می شوند:

• سنسور القایی (Inductive)
• سنسور خازنی (Capacitive)
• سنسور مغناطیسی (Magnetic)
• سنسور اولتراسونیک (Ultrasonic)
• سنسور فتوالکتریک یا نوری (Photoelectric)

سنسور مجاورت القایی چیست؟

در بین سنسور های مجاورتی سنسورهای مجاورت القایی بیشترین حجم فروش را دارند، میلیونها سنسور فاقد تماس  (Non-Contact) یا مجاورتی القای  (inductive proximity sensor)در حال حاضر تقریباً در هر صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. این نمونه از سنسور ها نوعی حسگر مجاورتی هستند که قادر به تشخیص وجود اجسام  نزدیک در ناحیه اندازه‌گیری (Sensing Zone) بدون هیچگونه تماس فیزیکی هستند. حسگر مجاورتی اغلب یک میدان الکترواستاتیکی یا الکترومغناطیسی ایجاد میکند و هنگامی که جسم مورد اندازه گیری به سطح سنسور نزدیک می شود و به فاصله مشخصی می رسد، سنسور مجاورت بدون در نظر گرفتن حرکت یا ثابت بودن جسم شناسایی شده ، به طور خودکار به جای برخورد مکانیکی (مانند سنسور های مکانیکی) امواجی را منتشر می کند که نزدیک به جسم هستند و منتظر تغییرات سیگنال های بازگشتی میمانند. دامنه حسگر یک سنسور القایی به نوع فلز شناسایی شده بستگی دارد.سنسور مقاومت القایی اغلب برای اهداف فلزی (معمولا فولاد نرم با ضخامت بیشتر از یک میلی متر) مثل آهن، آلومینیوم، مس، استیل های ضد زنگ و یا آلیاژهای مختلف مثل برنج مورد استفاده قرار میگیرد که در این میان آهن هدف رایج تری نسبت به سایر موارد است.

سنسور مجاورتی القایی معمولا از چهار قسمت اصلی تشکیل شده‌ است؛ هسته آهنی همراه با سیم‌پیچ‌ها، یک نوسان‌ساز (Oscillator)، مدار اشمیت تریگر (Schmitt Trigger) و یک تقویت‌کننده خروجی. سر القایی سنسور مجاورتی القایی یک سیم پیچ القایی با هسته آهنی است که فقط می تواند برای تشخیص بدنه فلزی استفاده شود. اسیلاتور یک میدان مغناطیسی متناوب، نوسانی و متقارن در سطح سر حسگر ایجاد می کند که از هسته آهنی و سیم‌پیچ‌ها گسیل می‌شود. هنگامیکه بلوک فلزی به سر حسگر نزدیک می شود و وارد میدان مغناطیسی این سنسور می‌شود، جریان الکتریکی مستقل کوچکی، که به جریان گردابی (Eddy) معروف است، در سطح فلز القا می‌شود. این جریان سبب تغییر در رلوکتانس (مقاومت مغناطیسی) و فرکانس طبیعی مدار مغناطیسی می‌شود. جریان گردابی انرژی نوسان را جذب می کند در نتیجه دامنه نوسان کاهش می‌یابد ، به طوری که با ورود بیشتر فلز به میدان مغناطیسی، دامنه نوسان بیشتر ضعیف شده و کاهش پیدا می‌کند و در نهایت لرزش متوقف شده و از بین می‌رود. این پدیده در واقع اصل (ECKO)  نام دارد که مخفف (Eddy Current Killed Oscillator) است. مدار اشمیت تریگر به این تغییر دامنه پاسخ می‌دهد و خروجی سنسور را مطابق با آن تنظیم می‌کند. زمانی که شی فلزی سرانجام از برد (Range) سنسور به سمت خارج حرکت کند، مدار دوباره شروع به نوسان می‌کند و مدار اشمیت تریگر خروجی سنسور را به حالت قبلی باز می‌گرداند. تقویت‌کننده‌های سیگنال کوچک، معمولاً در دستگاه‌هایی به‌ کار می‌روند که سیگنال ورودی آن‌ها ضعیف است؛ برای مثال، سیگنال ضعیف یک سنسور در نمایشگر تصویر.

انواع سنسورهای مجاورت القایی بر اساس ظاهر

• شکل ظاهری (استوانه ای، مکعبی و مربعی)
• قطر سنسور استوانه ای یا سایز سنسور مربعی و مکعبی (در سنسور های استوانه ای سایز آن ها از از mm 3تا mm  30  متغیر است) به طور معمول سنسور مجاورت های بزرگ برای تشخیص فلز در فاصله های بیشتر عملکرد خوبی دارند.
• جنس بدنه ی سنسور (پلاستیک، فلز، ..)
• نوع نصب سنسور ( شیلد یا غیر شیلد) (Flush یا Non-Flush) (Shielded یا Unshielded)
• طول سیم و جنس روکش

1. یک شیلد سنسور(Shielded)_(Flush)  سنسوری است که قسمت حساس سنسور توسط پوسته فلزی محصور شده است. هرگاه دو یا چند عدد از این سنسورها همسطح روی بدنه فلزی دستگاه نصب شوند رعایت فواصل نصب الزامی می باشد.می‌تواند آن ها را می‌توانند هم تراز با فلز های دستگاه قرار بگیرد زیرا سطح حس کننده در درون یک محافظ قرار دارد.
2. یک سنسور Unshielded)_(Non-Flush)) سنسوری است که قسمت حساس سنسور خارج از پوسته فلزی آن می باشد یک سنسور غیر شیلد به دلیل اینکه سطح حس کننده بیرون از محافظ است نیاز مند یک محیط آزاد و بدور از فلز های دستگاه است. سنسور های بدون شیلد دارای یک رنج حسی خیلی خوب هستند.

انواع سنسور های مجاورت القایی بر اساس ویژگی های فنی

• تعداد سیم های سنسور ( 2 سیم، 3 سیم، 4 سیم)
• نوع ورودی یا خروجی (DC/AC ، PNP/NPN ،NC/NO و آنالوگ و دیجیتال)
• فاصله دید سنسور
• محدوده ی دمای کارکرد سنسور
• فرکانس کاری سنسور القایی
• خروجی های خاص برای اتصال به شبکه

سنسورهای دوسیمه :

این مدل از سنسورها دارای دو سیم ارتباطی هستند. بار به صورت سری با سنسور در مدار متصل است جریان مورد نیاز سنسور از طریق مقاومت یا بار به آن متصل می گردد. در نتیجه زمانی که سنسور قطع (باز) است، یک جریان ضعیف از مقاومت عبور کرده (جهت تغذیه خود سنسور) و در حالت وصل سنسور (بسته) ولتاژی روی سنسور ایجاد می گردد.

خروجی سنسور های القایی و خازنی دو سیم می تواند به حالت های زیر وجود داشته باشد:

1- اتصال نرمال باز     PNP  NO

2- اتصال نرمال باز    NPN   NO

3- اتصال نرمال بسته PNP  NC

4-اتصال نرمال بسته NPN  NC

سنسورهای سه سیمه:

در این نوع از سنسور های القایی و خازنی و نوری سه سیم از سنسور خارج گردیده که دو سیم جهت وصل کردن سنسور به منبع تغذیه می باشد، که بر حسب استاندارد اروپا (EN 50044) رنگ قهوه ای برای مثبت و رنگ آبی جهت منفی در نظر گرفته می شود. سیم سوم که به رنگ سیاه می باشد خروجی سنسور می باشد. در شکل زیر انواع خروجی های ممکن برای این سنسور نشان داده شده است

چهار نوع سنسور خواهیم داشت:

Pnp-1 حالت no  (حالت عادی باز)

Pnp-2 حالت nc  (حالت عادی بسته)

Npn-3 حالت no

Npn-4 حالت nc.

معمولا باز و معمولا بسته  (no و  nc):

اگر سنسور در پیکربندی معمولا باز  (Normally Open) قرار داشته باشد، با ورود شی هدف به ناحیه اندازه‌گیری (Sensing Zone)، خروجی آن به یک سیگنال ON تبدیل خواهد شد. اما اگر سنسور در پیکربندی معمولا بسته  (Normally Closed) باشد، با ورود شی هدف، سنسور یک سیگنال OFF در خروجی تولید می‌کند. سپس خروجی توسط یک واحد کنترل خارجی مانند کنترلر حرکتی، PLC یا درایو هوشمند خوانده  (Read) می‌شود و وضعیت ON و OFF به اطلاعات قابل استفاده برای آن سیستم کنترلی تبدیل شود. سنسورهای القایی معمولا به وسیله فرکانس و یا تناوب سیگنال‌های ON و OFF در هر ثانیه درجه‌بندی می‌شوند.

ترانزیستور در سنسور های مجاورت القایی (Pnp و npn):

سنسور های القایی دارای دو خروجی pnp  و  npn  هستند که تفاوت این دو در نوع حس کردن  نیست بلکه در نوع خروجی که از سنسور دریافت می‌شود و نحوه ی ارتباط آن با مصرف کننده است.

خروجی مثبت یا pnp با برقرار شدن تغذیه و قرار گرفتن جسم جلوی سنسور ولتاژ از تغذیه مثبت به خروجی اعمال می شود.  نحوه سیم بندی سنسور مجاورتی با خروجی PNP بدین صورت می باشد که دو سیم جهت تغذیه و یک سیم جهت خروجی سنسوراست.

خروجی منفی یا NPN با برقرار شدن تغذیه و قرار گرفتن جسم جلوی سنسور ولتاژ از تغذیه منفی به خروجی اعمال می شود و نحوه سیم بندی سنسور مجاورتی با خروجی NPN بدین صورت می باشد که دو سیم جهت تغذیه و یک سیم جهت خروجی سنسور است.

کجا ها pnp استفاده میکنیم و کجاها npn؟ بستگی به نوع برد دارد یک برد  خروجی مثبت و یک برد خروجی منفی می‌دهد.

استاندارد  IP RATING  سنسور های مجاورت القایی :

با وجود محدودیت سنسورهای مجاورتی القایی در بازه اندازه‌گیری، این سنسورها توانایی بسیار بالایی در انطباق با محیط و انعطاف پذیری در حساسیت به فلزات دارند. سنسورهای مجاورتی القایی به دلیل این که فاقد بخش متحرک هستند و طراحی آن‌ها مناسب است، طول عمر بالایی دارند. ساختارهای خاص با IP Rating (استاندارد جهانی مربوط به توانایی یک محصول برای مقاومت در برابر نفوذ مایع و گرد و غبار )از 76 تا مقادیر بالاتر، می‌توانند آلودگی‌های محیطی مانند گریس، سیالات برش‌گر و گرد و غبارهای غیرفلزی (هم در هوا و هم در خود سنسور) را تحمل کنند. اما ذکر این نکته ضروری است که آلودگی‌های فلزی ناشی از برش‌کاری گاهی اوقات بر عمل‌کرد این سنورها اثر منفی می‌گذارند. محفظه سنسورهای مجاورتی نوع القایی معمولا از استیل، پلاستیک، PBT و اندود نیکل و برنج ساخته می‌شود.

سنسور القایی نامور (Namur inductive sensor)

نوع خاصی از سنسورهای القایی هستند که به سنسور نامور معروفند. این سنسورها به دلیل محدودیتی که در جریان و ولتاژ آنها وجود دارد، در محیط‌هایی که خطر انفجار و اشتعال زیاد وجود دارد استفاده می‌شوند. به همین دلیل به سنسور نامور، سنسور ضد انفجار نیز گفته می‌شود.

سنسورهای القایی آنالوگ سنسور هایی هستند که در مقابل فلزات عکس العمل نشان می دهند، این عکس العمل به صورت ولتاژ و یا جریان خطی در خروجی ظاهر می شود. سنسور القایی Namumr در قطرهای مختلف برای مدل استوانه ای و نیز به صورت مکعبی تولید می شود. سنسور Namur ولتاژ خروجی خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود تنظیم می کنند، و این ولتاژ (ولتاژ خروجی) می تواند مثبت و یا منفی باشد. این سنسورها با ولتاژ 220VAC و به ندرت با ولتاژ 24 VDC تغذیه می گردند. خروجی آنها آنالوگ است و برحسب فاصله قطعه کار، از سنسور تغییر می کند. با تشخیص فلز توسط سنسور Namur، جریان خروجی افت می کند و به مقداری کمتر از 1.2 آمپر می رسد. با دور شدن هدف از سنسور و عدم تشخیص فلز، جریان افزایش پیدا می کند و مقداری بیش از 2.1 آمپر خواهد داشت. پس تغییر در جریان نشان دهنده حضور یا عدم حضور فلز در مجاورت سنسور Namur است.

سنسور القائی سرعت  (inductive proximity speed sensor)

   سنسور های القائی سرعت، سنسورهایی هستند که از آن به منظور اندازه گیری سرعت استفاده می شود. (اسپید سنسور) در قسمت حساس این سنسورها، میدان مغناطیسی وجود دارد و این میدان در اثر حرکت چرخ دنده ها تغییر می کند. این تغییرات میدان به صورت پالس هایی در خروجی این سنسور ها ظاهر می شوند. برخی از این سنسور ها نیاز به تقویت کننده در خروجی دارند. سنسور القایی سرعت در اندازه گیری سرعت موتور، لوکوموتیو، چرخ دنده، پمپ، توربین و … کاربرد دارند.

حساسیت سنسور های القایی به فلزات مختلف

میزان حساسیت سنسورهای القایی در فلزات مختلف متفاوت بوده که به اختصار در جدول زیر شرح داده شده است:

هرچه قدر میزان آهن بیشتر باشد، حساسیت سنسور بالاتر رفته و بهتر می تواند جسم فلزی را تشخیص دهد. در جدول می توان مشاهده نمود که حساسیت آهن از فولاد استیل بیشتر است.

اما باید به این نکته توجه کرد که، سادگی کار با این نوع از سنسورها، هزینۀ پایین، مقاومت بالای آنها در برابر شرایط نامناسب محیطی و تنوع آنها باعث شده این محصول یکی از پرکاردبرترین سنسورهای مورد استفاده در صنعت باشد.

مزایای سنسور های مجاورت القایی

1. حسگرهای مجاورت یک شی (object) را بدون لمس فیزیکی آن تشخیص می دهند و بنابراین باعث ساییدگی و آسیب دیدن آن نمی شود و در این صورت دارای طول عمر بیشتری هستند. (به استثنای سنسورهایی که از آهن ربا استفاده می کنند). حسگرهای مجاورت از خروجی های نیمه هادی استفاده می کنند ، بنابراین هیچ تماسی برای تأثیر بر طول عمر وجود ندارد. حسگرهای مجاورت قادر به تشخیص وجود جسم به صورت الکتریکی و بدون نیاز به لمس آن هستند.
2. . بر خلاف روش های تشخیص نوری ، حسگرهای مجاورت برای استفاده در مکانهایی که از آب یا روغن استفاده می شود مناسب است. تشخیص تقریباً بدون تأثیر خاک ، روغن یا آب بر روی شی شناسایی شده صورت می گیرد. مدل هایی با موارد فلورسین نیز برای مقاومت شیمیایی عالی در دسترس هستند.
3. سنسورهای مجاورت در مقایسه با کلیدهایی که به تماس فیزیکی نیاز دارند ، دارای پاسخ و عکس العمل سریع و بدون اشتباه هستند.
4. حسگرهای مجاورت را می توان در محدوده دمایی گسترده ای استفاده کرد. از سنسورهای مجاورت می توان در دمای 40- تا 200 درجه سانتی گراد استفاده کرد. می توان انواعی از این سنسورها یا سنسور های القایی و خازنی را در شرایط کاری سخت مانند رطوبت و یا حرارت بالا و یا خطرناک مانند (محیطهای قابل انفجار) استفاده نمود. سنسورها علاوه بر داشتن سرعت انتقال بالای اطلاعات، کنترل یک پروسه را آسان و زمان توقف دستگاه را در صورت خرابی بسیار کوتاه می نمایند. توسط سنسورها می توان محل و نوع خرابی ماشین را سریعا تشخیص داده و تعمیرات لازم را انجام داد.هنگام نصب سنسورهای القائی در داخل نگهدارنده های فلزی می بایستی توجه نمود که به علت وجود اجسام فلزی در اطراف آن کار کرد سنسورها مختل نگردد.
5. حسگرهای مجاورت تحت تأثیر رنگها نیستند. حسگرهای مجاورت تغییرات فیزیکی جسم را تشخیص می دهند ، بنابراین تقریباً کاملاً تحت تأثیر رنگ سطح جسم قرار نمی گیرند.
6. بر خلاف سوئیچ ها ، که به تماس فیزیکی متکی هستند ، حسگرهای مجاورت تحت تأثیر درجه حرارت محیط ، اشیا اطراف و سایر حسگرها قرار می گیرند.
7. میتوان خیلی دقیق موقعیت قطعه را تعیین نمود.
8. تعداد قطع و وصل تقریبا بینهایت (عمر مفید)
9. سرعت قطع یا سوئیچینگ بالا
10. عدم نیاز به فشار زیاد (در این گونه سنسورها با نزدیک شدن به قطعه نیاز به نیروی زیادی نیست).
11. عدم ایجاد نویز در هنگام سوئیچینگ به دلیل استفاده از نیمه هادی ها در طبقه خروجی، نویزهای مزاحم ایجاد نمی شود.

هر دو سنسور مجاورت القایی و خازنی تحت تأثیر تعامل با سنسورهای دیگر هستند. به همین دلیل ، هنگام نصب آنها باید دقت شود تا از تداخل متقابل جلوگیری شود. همچنین باید در جلوگیری از اثرات اجسام فلزی اطراف بر روی سنسورهای مجاورت القایی، و جلوگیری از اثرات همه اشیا اطراف بر روی سنسورهای نزدیکی خازنی دقت شود.

ویژگی های اصلی سنسورهای القایی به شرح زیر است:

• می توانند برای قطعات فلزی استفاده شوند.
• دامنه محدود نسبی: تا ۸۰میلی متر، که با توجه به ماهیت آلیاژ متغیر است
• قیمت کم: نصف قیمت سنسور فتوالکتریک
• قدرتمند و مقاوم نسبت به محیط های خشن، غیرحساس نسبت به ضربه، لرزش، گرد و غبار و …
• فرکانس سوئیچ نسبتا بالا (تا چندین kHz) که امکان تشخیص قطعاتی که حتی در هنگام چرخش با سرعت بالا عبور می کنند را فراهم می کند
• شامل قطعات متحرک و در معرض فرسایش نمی باشد

سنسور های القایی برای چه کاربردهایی و در کجا مورد استفاده قرار می‌گیرند؟

• در واقع این سنسور ها برای تشخیص و اندازه گیری فاصله از فلزات آهنی – فولاد، آهن، کبالت، نیکل در محیط های خشن
• در ماشین آلات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند، ماشین آلاتی که در صنعت نساجی، صنعت خودرو (مونتاژ بدنه خودرو) ، خطوط تولید و غیره استفاده می شوند.
• تشخیص موقعیت حرکت و کنترل حرکت و آشکارسازی حرکت های مکانیکی
• تولید کویل و ترانسفورماتور
• فرایندهای ماشین کاری
• موقعیت ابزار و اندازه گیری فاصله
• کنترل سیستم نقاله
• همچنین تشخیص و سنجش سرعت قطعاتی که به سرعت حرکت می کنند ، محدود کردن سوئیچینگ، و تولید پالس فرایندهای صنعتی خودکار
• در چراغهای راهنما و کنترل ترافیکی و آشکارسازهای فلزی
• برای تشخیص حضور یک شی در یک برنامه انتخابی و در هنگام بازرسی مانند تشخیص قطعات فلزی شکسته دستگاه های مختلف صنعتی.
• استفاده در لیفتراک ، نظارت بر موقعیت در ماشین های هیدرولیک
• کارواش‌های اتوماتیک
• تشخیص بسته بودن درب آسانسور
• در بخش صنعت نیز از سنسور القایی برای شمارش قطعات در یک سیستم، جداسازی قطعات با ابعاد مختلف

• آشکار سازی هر گونه تغییر در دندانه چرخ دنده های فلزی.

اینها تنها چند نمونه از موارد مختلف نحوه استفاده از سنسورهای مجاورت القایی است. ، بسیاری کاربردهای دیگر اشاره کرد.

چگونه یک سنسور مجاورتی انتخاب کنیم؟

هنگام انتخاب یک سنسور مجاورتی بهتر است سوالات زیر را از خود بپرسید:

ماهیت شی ای که می بایست تشخیص داده شود چیست؟ (جامد، مایع، گرانولی، فلزی و …)

فاصله میان سنسور و شیء چقدر است؟

شکل شی ای که باید تشخیص داده شود چگونه است؟

چرا سنسور مجاورتی القایی انتخاب کنیم؟