سنسورهای مجاورتی یا proximity sensor کلیدهای هستند که با نزدیک شدن قطعه یا شی (بدون تماس با آن) وجود آن را حس کرده و سیگنالی را ارسال می کنند. این سیگنال عموما برای تحریک یک رله کوچک یا به ورودی یک PLC اعمال می شود.
مزایای سنسور مجاورتی نسبت به میکروسوییچ:
- سرعت کلیدزنی بالا: تعداد قطع و وصل های سنسورهای مجاورتی خیلی بیشتر از کلیدهای مکانیکی (میکروسوییچ ها) بود. این سرعت کلید زنی عموما از 10Hz-1kHz یا بیشتر می باشد. (در اینجا، به تعداد قطع و وصل خروجی در یک ثانیه، سرعت کلید زنی گفته می شود)
- طول عمر زیاد: نداشتن بخش مکانیکی و عدم درگیری با تنشهای مکانیکی سبب شده این قطعات از عمر بسیار بالایی برخوردار باشند.
- عدم نیاز به نیرو مکانیکی برای عملکرد: هنگام نزدیک شدن قطعه به سنسور، سنسور عمل می کند و به اعمال نیرو و فشار نیازی نیست. این مزیت سبب ایجاد دقت بیشتر و استفاده از آن را در دستگاههای ظریف میسر می سازد.
- امکان استفاده در شرایط کاری مختلف: بخاطر استفاده از استیل ضدزنگ و پوشیده بودن کامل (عموما IP67 یا بالاتر)، براحتی امکان استفاده از آن در آب، روغن، اسید و ... میسر می باشد.
- عدم ایجاد نویز در هنگام سوییچینگ: استفاده از نیمه هادی ها در طبقه خروجی، سبب شده نویزهای حاصل از سوییچنگ در خروجی حذف شوند. این مزیت در سیستمهای سریع پاسخ و حساس بسیار سودمند است.
- وجود نشانگر وضعیت خروجی: در اکثر سنسورهای مجاورتی، LED وجود دارد که وضعیت خروجی سنسور را نشان می دهد. این می تواند کمک خوبی برای ردیابی اشکالات سیستم، عملکرد و تنظیم سنسور داشته باشد.
پارامترهای موثر در انتخاب سنسورهای مجاورتی:
- فاصله سوییچینگ S: فاصله بین قطعه استاندارد و سطح حساس سنسور بهنگام عمل سوییچینگ می باشد.
- فاصله سوییچینگ نامی Sn: فاصله ای که در حالت متعارف و بدون در نظر گرفتن پارامترهای متغیر از قبیل حرارت، ولتاژ تغذیه و غیره تعیین می شود.
- فاصله سوییچینگ موثر Sr: فاصله سوییچینگ تحت ولتاژ نامی و در دمای 20 درجه سانتیگراد می باشد. در این حالت تلرانسها و پارامترها متغیر نیز در نظر گرفته شده اند. 0.9Sn<Sr<1.1Sn
- فاصله سوییچینگ مفید Su: فاصله ای است که در رنج دما و ولتاژ مجاز، عمل سوییچینگ انجام می شود. 0.81Sn<Su<1.21Sn
- فاصله سوییچینگ عملیاتی Sa: فاصله ای است که تحت شرایط مجاز، عملکرد سنسور گارانتی شده است. 0.81Sn>Sa>0
- هیسترزیس H: فاصله بین نقطه وصل شدن (هنگام نزدیک شدن قطعه به سنسور) و نقطه قطع (هنگام دور شدن قطعه از سنسور) می باشد. این مقدار معمولا 20 درصد فاصله نامی است.
- قابلیت تکرار R: قابلیت تکرار فاصله سوییچینگ تحت دما و ولتاژ مشخص و در یک مدت زمان خاص اندازه گرفته می شود.
- پایداری حرارتی: تغییرات فاصله موثر سوییچینگ در اثر تغییرات درجه حرارت و در محدوده دمایی 25- تا 70 درجه سانتیگراد، حداکثر 10% می باشد.
- حرارت محیط Ta: رنج دمایی که در آن محدوده، عملکرد سنسور تضمین شده است.
- کلاس حفاظتی: کدی که در آن شرایط تحمل در برابر نفوذ آب و گرد و غبار مشخص شده است.
- ولتاژ تغذیه V supply: حداکثر و حداقل ولتاژی که در آن محدوده سنسور عملکرد مطمینی ارایه خواهد کرد.
- ولتاژ ریپل ΔV: مقدار ولتاژ AC که بر ولتاژ DC سوار شده است. حداکثر مقدار مجاز آن 10% ولتاژ DC می باشد.
- جریان نشتی I leakage: جریانی که در سنسورهای دوسیمه در حالت قطع، عبور می کند.
- جریان بی باری I no-load: جریانی که در سنسورهای 3 و چهار سیمه در حالت قطع، از منبع تغذیه کشیده می شود.
- جریان بار ماکزیمم I max: حداکثر جریان پیوسته ای که از خروجی سنسور عبور می کند.
- افت ولتاژ V drop: حداکثر ولتاژ خروجی سنسور در حالت وصل سنسور و عبور جریان مجاز از آن.
- حفاظت های داخلی سنسور: تغذیه معکوس, اضافه ولتاژ ناشی از قطع بار سلفی, افزایش بار, اتصال کوتاه
- LED های نشان دهنده تغذیه و خروجی سنسور
انواع سنسورهای مجاورتی
سنسورهای مجاورتی در اندازه ها و طرح های مختلفی تولید می شوند. ما در این بخش، سنسورهای مجاورتی را از لحاظ شیوه عملکرد تقسیم بندی کرده و در مورد هر یک توضیح می دهیم.
سنسورهای مجاورتی القایی (inductive proximity sensors) سنسورهایی هستند که تنها در مقابل فلزات عکس العمل نشان می دهند. البته برای فلزات مختلف از ضریب تصحیح خاصی استفاده می شود. مثلا اگه ضریب تصحیح مس km=0.45 باشد. هرگاه سنسوری در مقابل فولاد از فاصله 10mm عمل سوییچینگ را انجام دهد. همان سنسور در مقابل مس از فاصله 4.5mm عمل خواهد کرد. این نوع از سنسورها بیشترین کاربرد را در صنعت دارند.
اساس کار و ساختمان سنسورهای القایی
ساختمان این سوییج ها از 4 قسمت تشکیل شده است.
قسمت اساسی این سوییچ ها از یک اسیلاتور با فرکانس بالا ساخته شده که می تواند توسط قطعات فلزی تحت تاثیر قرار گیرد. این اسیلاتور باعث بوجود آمدن میدان الکترومغناطیسی در قسمت حساس سنسور می شود. نزدیک شدن یک قطعه فلزی، باعث بوجود آمدن جریانهای گردابی در قطعه گردیده و این عمل سبب جذب انرژی میدان می شود و در نتیجه دامنه اسیلاتور کاهش می یابد. از آنجا که طبقه دمدولاتور آشکارساز دامنه اسیلاتور است، در نتیجه، کاهش دامنه اسیلاتور توسط این قسمت به طبقه اشمیت تریگر منتقل می شود. کاهش دامنه اسیلاتور باعث فعال شدن خروجی اشمیت تریگر گردیده و این قسمت نیز به نوبه خود باعث تحریک طبقه خروجی می شود.
نحوه نصب سنسورهای القایی
هنگامیکه چندین سنسور در کنار هم نصب شوند، امکان تاثیرپذیری سنسورها از یکدیگر افزایش یافته و این سبب عدم عملکرد صحیح آنها می شود.
نحوه نصب سنسورهای shielded یا flush-mount: در این سنسورها قسمت حساس سنسور توسط پوسته فلزی محصور شده است. هرگاه دو عدد از این سنسورها، همسطح روی بدنه فلزی دستگاه نصب شوند، رعایت فواصل نصب، مطابق شکل زیر الزامی است.
نحوه نصب سنسورهای القایی unshielded یا non-flush mount: در این سنسورهاف قسمت حساس سنسور، خارج از پوسته فلزی آن می باشد. فاصله سوییچینگ این نوع سنسورها بیشتر از سنسورهای shielded بوده اما فرکانس سوییچینگ آن کمتر است. رعایت فواصل نصب مطابق شکل زیر الزامی است.
نحوه نصب سنسورهای القایی در مقابل هم: وقتی دو سنسور القایی در مقابل هم نصب می شوند، رعایت فاصله حداقلی زیر الزامی است.
نحوه نصب سنسور القایی برای جلوگیری از اثرات بدنه دستگاه: برای جلوگیری از عملکرد سنسور در اثر بدنه فلزی دستگاه حداقل فواصلی که در کاتالوگ سنسور آورده شده، باید محقق شود.
موارد استفاده سنسورهای مجاورتی القایی
شمارش قطعات فلزی، شناسایی موقعیت اجسام فلزی و ...
سنسورهای خازنی (capacitive sensors) سنسورهای بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی هستند که در مقابل فلزات و اغلب غیر فلزات عمل می نمایند. از این سنسورها به منظور کنترل وضعیت برنامه ماشین آلات، شمارنده ها و آشکار سازی تمام مواد فلزی و غیر فلزی استفاده می شود. در عملکرد سنسورهای خازنی عواملی مانند رطوبت هوا، گردوغبار و ... بر فاصله سوییچینگ تاثیر دارد. فاصله سوییچینگ به نوع قطعه هم بستگی دارد و این وابستگی توسط ضریبی که کارخانه سازنده معمولا آنرا در اختیار قرار میدهد، بیان می شود. برای تنظیم فاصله عملکرد سنسور، در پشت آن پتانسیومتری تعبیه شده است.
هنگام تنظیم سنسورهای خازنی، به این نکته توجه شود که فاصله سوییچینگ این سنسورها، هنگامیکه قطعه فلزی در مقابل سنسور قرار می گیرد، نباید بیشتر از مقدار نامی آن، که در مشخصات سنسور آمده است، باشد.
اساس کار سنسورهای مجاورتی خازنی
ساختمان اساسی این سنسورها از 4 قسمت تشکیل شده است.
قسمت اساسی اسیلاتور از دو قطعه فلز تشکیل شده، وضعیت قرارگیری این قطعات فلزی نسبت به هم طور است که باعث ایجاد یک ظرفیت خازنی می شود. هرگاه قطعه ای با ضریب الکتریکی ε به صفحه حساس نزدیک گردد، باعث تغییر ظرفیت خازنی بین صفحات می شود. این تغییر ظرفیت خازنی باعث تغییر دامنه خروجی اسیلاتور می شود.
دمدولاتور، دامنه اسیلاتور را آشکار می کند و این مقدار را با سطح مرجع مقایسه می کند. هرگاه دامنه این مقدار از دامنه مرجع بیشتر باشد، خروجی سنسور تحریک می شود. آمپلیفایر خروجی وظیفه تامین جریان بار را به عهده دارد.
مواردیکه که در نصب سنسورهای مجاورتی القایی بیان شده، باید برای سنسورهای خازنی نیز رعایت شود.
موارد استفاده سنسورهای خازنی
شمارش قطعات فلزی و غیر فلزی در خطوط تولید، کنترل سطح مایعات، کنترل حرکت و یا قطع شدگی پارچه و ...
سنسورهای مغناطیسی (magnetic sensors) در مجاورت میدان مغناطیسی عمل می کنند. هرگاه یک قطعه آهنربا در مقابل این سنسور قرار گیرد، کنتاکت آن عمل خواهد کرد. این سنسورها به دو صورت ساخته شده اند:
1- سنسورهای مغناطیسی با کنتاکت مکانیکی reed switch
معمولا این سنسورها بخش الکترونیکی ندارند. یکی از کنتاکتهای این سنسور آهنی و دیگری غیر آهنی می باشد. با نزدیک شدن آهنربا، کنتاکت آهنی به طرف آهنربا حرکت کرده و این حرکت سبب اتصال کنتاکت آهنی به کنتاکت غیر آهنی شده و سیگنالی رو ایجاد می کند. این سنسورها برای قطع و وصل زیاد مناسب نیستند.
هرگاه بار اهمی سلفی به این سنسورها وصل می گردد. بمنظور حفاظت و افزایش عمر سنسور، بهتر است از ترکیب RC سری، موازی شده با سوییچ سنسور استفاده شود.
موارد استفاده reed switch
کنترل سطح مخازن، دمپرها، کنترل باز یا بسته بودن شیرها و درها، تجهیزات اتومبیل و ...
2- سنسورهای الکترونیکی مغناطیسی
در این سنسورها از IC های مخصوصی استفاده شده که در مقابل میدان مغناطیسی آهنربایی، از خود عکس العملی نشان می دهند و این عکس العمل سبب ایجاد سیگنالی در خروجی سنسور می شود. از این سنسور برای اندازه و نمایش سرعت های زیاد می توان استفاده کرد.
از موارد مورد استفاده از این سنسور می توان به نمایش سرعت فن CPU کامپیوترها، شمارش تعداد چرخ دندهای موتور ها و ... نام برد.
در این نوع از سنسورها از یک فرستنده و گیرنده امواج نوری مادون قرمز استفاده می شود. در شکل زیر عنصر اصلی سنسورهای نوری که یک فرستنده و گیرنده نور مادون قرمز است، نشان داده شده است.
عموما این نوع از سنسورها به صورتهای زیر ساخته و استفاده می شوند:
سنسورهای نوری یک طرفه (diffuse type)
این سنسورها بر اساس امواج مادون قرمز مدوله شده توسط دیود مادون قرمز و دریافت این امواج بوسیله فتو ترانزیستور عمل می کنند.
اساس کار سنسور نوری یک طرفه
این سنسورها از اجزاء زیر تشکیل شده اند:
در این سنسورها امواج مادون قرمز مدوله شده، توسط فرستنده به طور مستقیم در فضا پخش می شود. هرگاه این امواج به مانعی برخورد کنند، منعکس می شوند، که مقدار انعکاس این امواج به رنگ، جنس و سطح مانع بستگی دارد و بصورت خط مستقیم نمی باشد. انعکاس سطوح روشن بیش از سطوح تیره بوده و فاصله سوییچینگ این سنسورها به میزان انعکاس نور بستگی دارد. هرگاه در جلوی سنسور مانعی قرار گیرد و امواج انعکاس یافته به گیرنده این سنسور منتقل شود، خروجی تغییر حالت می دهد.
موارد مصرف سنسورهای نوری یک طرفه
آشکارساز وجود اشیاء، تشخیص پارگی ورق، کنترل انحراف ورق و ...
سنسورهای نوری رفلکتوری (retro-reflective optic switch)
این سنسورها بر اساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده توسط دیود مادون قرمز و انعکاس این امواج توسط رفلکتور و دریافت این امواج بوسیله فتوترانزیستور عمل می کنند.
اساس کار سنسورهای نوری رفلکتوری
در این نوع از سنسورها، امواج مادون قرمز بصورت پلاریزه شده در فضا پخش می شوند. یک منعکس کننده در جلوی سنسور در فاصله معینی قرار می گیرد. امواج ارسال شده پس از برخورد به این منعکس کننده با زوایه 90 درجه نسبت به امواج پخش شده بطرف گیرنده برمی گردد.
موارد مصرف سنسورهای نوری رفلکتوری
کنترل سطح مخازن، شمارش قطعات تولیدی، حفاظت انسان و اشیاء، تشخیص پارگی کاغذ و پارچه و ....
سنسورهای نوری دو طرفه (through-beam optic switch)
این سنسورها براساس ارسال امواج مادون قرمز مدوله شده توسط دیود مادون قرمز در قسمت فرستنده و دریافت این امواج توسط فتوترانزیستور در طرف گیرنده که در مقابل فرستنده نصب می شود، عمل می نمایند.
اساس کار سنسورهای نوری دو طرفه
در این نوع سنسورها، فرستنده و گیرنده مجزا از هم می باشند. امواج مدوله شده مادون قرمز توسط فرستنده ارسال می شود، گیرنده در مقابل فرستنده نصب می شود. هرگاه مابین گیرنده و فرستنده مانعی وجود نداشته باشد، این امواج به گیرنده می رسند. در صورت وجود مانع این امواج دیگر به گیرنده نخواهند رسید.
موارد مصرف سنسورهای نوری دو طرفه
شمارش تولید، نرده حفاظتی، کنترل سطح مخازن، کنترل پارگی پارچه یا ورق، کنترل بسته بودن درب تجهیزات و ...
اساس کار سنسورهای تشخیص کد رنگ (color-mark reading sensors)، ارسال نور سفید و دریافت نور منعکس شده از قطعه می باشد.
این سنسورها در ماشین آلات صنایع غذایی، بسته بندی و ... استفاده شده، که علایم رنگی چاپ شده روی کاغذهای بسته بندی (مانند سفلون، فویل آلومینیوم و ...) را تشخیص داده و فرمان لازم به منظور قطع کاغذ و یا نوار را ارسال می کند.
معمولا برای تنظیم حساسیت به رنگهای مختلف، در پشت سنسور پتانسیومتری قرار داده شده است.
انواع خروجی سنسورها
سنسورهای بیان شده فوق به روشهای گوناگونی سیگنال خروجی را ارسال می کنند. بعضی از روشها مخصوص سنسورهای خاصی هستند، ولی در کل امکان ساخت خروجی های مختلف برای سنسورهای مختلف وجود دارد.
1- دو سیمه AC: در این سنسورها بار بصورت سری با سنسور نصب می شود. بار عموما یک رله کوچک می باشد. برخی از این نوع سنسورها، دارای سیم سومی هستند که باید به زمین (earth) وصل شوند.
2- سه سیمه AC: اتصال آن مطابق شکل زیر بوده و عموما یک رله کوچک، بار اتصالی به خروجی سنسور است.
3- دوسیمه DC: اتصال بار به این سنسورها ساده بود و سیم کمتری برای اتصال نیاز است.
4- دو سیمه نامور (namur): در این نوع سنسورهای جریان خروجی متناسب با فاصله قطعه از سنسور تغییر می کند. بعبارت دیگر می توان گفت که مقاوت داخلی سنسور تغییر می کند. به دلیل سیم بندی سنسور، جریان اتصال کوتاه در دو سر سنسور محدود می باشد، بخاطر این مزیت، این سنسورها در محیط هایی که احتمال انفجار (تجهیزات EX) وجود دارد، بیشتر استفاده میشود. بخاطر اینکه این سنسورها برای عملکرد به ولتاژ 8.2VDC نیاز دارند، عموما این سنسورها به کارتهای مخصوص که این ولتاژ را فراهم می کنند، اتصال می یابند. در این صورت مقاومت 1kΩ در داخل کارت تعبیه شده است.
5- سه سیمه NPN: این سنسورها نیاز به اعمال ولتاژ DC بعنوان تغذیه سنسور دارند و خروجی آن، سیگنال صفر ولت است. به نحوه اتصال این سنسورها در الکترونیک sink current (چاهک جریان) نیز می گویند. خروجی این سنسورها را می توان به رله کوچک، ورودی PLC، کارت الکترونیک و ... اتصال داد. تغذیه اکثر این سنسورها 36-10 ولت DC می باشد. برای اطمینان بیشتر بهتر است به کاتالوگ سنسور مراجعه کرد.
6- سه سیمه PNP: این سنسورها برای عملکرد نیاز به اعمال ولتاژ تغذیه DC دارند. خروجی آنها سیگنال مثبت ولتاژ تغذیه است. به اتصال این سنسورها در الکترونیک source current (چشمه جریان) گفته می شود. ولتاژ تغذیه آنها در کاتالوگ سنسور آمده است، در اکثر آنها تغذیه سنسور 36-10 ولت DC است. این نوع اتصال بیشترین مورد مصرف را در تجهیزات صنعتی دارد.
7- چهار سیمه NPN: اتصال آن شبیه سه سیمه NPN است. فقط در این نوع سنسورها امکان استفاده از دو خروجی مکمل مهیا شده است.
8- چهار سیمه PNP: اتصال سنسور تقریبا شبیه سنسور سه سیمه PNP است. در این نوع از سنسورها امکان استفاده از خروجی دوبل مکمل مهیا شده است.
گزارش