Датчик приближения

Датчик приближения — это устройство, предназначенное для бесконтактного обнаружения присутствия объектов в заданной зоне и преобразования этого факта в электрический сигнал. Датчики приближения относятся к классу сенсоров и широко применяются в промышленной автоматике, робототехнике, бытовой электронике, системах безопасности и на транспорте. Основными характеристиками датчика являются дальность действия, тип обнаруживаемого объекта (металл, диэлектрик, жидкость), быстродействие и устойчивость к внешним воздействиям.

Принцип действия

В зависимости от физического принципа, используемого для обнаружения, датчики приближения делятся на несколько основных типов.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики основаны на изменении параметров электромагнитного поля, создаваемого генератором внутри датчика. При попадании в зону действия датчика металлического объекта (ферромагнитного или неферромагнитного) в нём наводятся вихревые токи, которые изменяют индуктивность катушки и, как следствие, амплитуду колебаний генератора. Электронная схема фиксирует это изменение и выдаёт выходной сигнал. Такие датчики способны обнаруживать только электропроводящие материалы, преимущественно металлы. Дальность действия типичных промышленных индуктивных датчиков составляет от 1 до 60 мм, существуют модели с дальностью до 100 мм и более.

Ёмкостные датчики

Ёмкостные датчики реагируют на изменение электрической ёмкости между электродом датчика и окружающей средой. Объект, попадающий в электрическое поле, изменяет диэлектрическую проницаемость среды, что приводит к изменению ёмкости. Электронная схема измеряет это изменение и при достижении порога выдает сигнал. В отличие от индуктивных, ёмкостные датчики могут обнаруживать как металлические, так и неметаллические объекты: пластик, дерево, стекло, жидкости, сыпучие материалы. Дальность действия обычно составляет от 5 до 40 мм, но может быть увеличена для некоторых материалов.

Оптические (фотоэлектрические) датчики

Оптические датчики используют излучение в видимом или инфракрасном диапазоне. Они делятся на три подтипа:

• Барьерные (проходные): излучатель и приёмник расположены напротив друг друга; объект прерывает луч света.
• Рефлекторные: излучатель и приёмник находятся в одном корпусе, а на противоположной стороне установлен отражатель; объект прерывает отражённый луч.
• Диффузные (с прямым отражением): излучатель и приёмник в одном корпусе; объект отражает свет обратно на приёмник.

Дальность действия оптических датчиков может достигать десятков метров (для барьерных) или нескольких метров (для диффузных). Они чувствительны к загрязнению оптики и внешним засветкам.

Ультразвуковые датчики

Ультразвуковые датчики излучают акустические импульсы в диапазоне частот от 20 кГц до нескольких сотен кГц и принимают отражённый от объекта сигнал (эхо). Расстояние до объекта определяется по времени задержки между отправкой и приёмом импульса. Такие датчики могут обнаруживать объекты из любых материалов, включая прозрачные (стекло, прозрачный пластик) и жидкости. Дальность действия составляет от нескольких сантиметров до 10–15 метров. Недостатком является чувствительность к акустическим помехам и снижение точности при работе с звукопоглощающими материалами (например, пенопласт, ткань).

Магнитные датчики (герконы и датчики Холла)

Магнитные датчики реагируют на наличие магнитного поля. Геркон (герметичный магнитоуправляемый контакт) представляет собой две ферромагнитные пружины в стеклянном баллоне, которые замыкаются под действием внешнего магнитного поля. Датчики Холла основаны на эффекте Холла: при прохождении тока через полупроводник в магнитном поле возникает разность потенциалов. Эти датчики используются для обнаружения постоянных магнитов, например, в системах контроля положения дверей или в датчиках скорости вращения.

Классификация

Датчики приближения классифицируются по нескольким признакам.

По типу выходного сигнала

• Дискретные (бинарные): выдают сигнал «включено/выключено» (обычно PNP или NPN транзисторный выход, релейный выход). Используются для простого обнаружения наличия объекта.
• Аналоговые: выдают сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта (например, напряжение 0–10 В или ток 4–20 мА). Применяются для измерения расстояния.
• Цифровые (интерфейсные): передают данные по цифровым протоколам (IO-Link, AS-Interface, Profibus, CAN).

По конструктивному исполнению

• Цилиндрические (M8, M12, M18, M30): наиболее распространённые в промышленности, ввинчиваются в корпус оборудования.
• Прямоугольные (квадратные, плоские): удобны для монтажа на плоские поверхности.
• Щелевые и кольцевые: объект проходит через щель или кольцо датчика.

По способу монтажа

• Встраиваемые (заподлицо): могут быть установлены в металлическую стенку без влияния на работу.
• Невстраиваемые (незаподлицо): требуют свободного пространства вокруг чувствительной поверхности для корректной работы.

История

Первые датчики приближения появились в 1930-х годах. В 1934 году американский изобретатель Уильям М. Холл запатентовал устройство на основе эффекта Холла, которое стало основой для магнитных датчиков. В 1950-х годах, с развитием транзисторной электроники, начали массово применяться индуктивные датчики в промышленности. В 1960-х годах появились первые ёмкостные и оптические датчики. В 1970-х годах, с развитием ультразвуковой техники, были созданы ультразвуковые датчики. В 1980-х годах началось внедрение микропроцессорной обработки сигналов, что позволило создавать интеллектуальные датчики с возможностью настройки и диагностики. В 1990-х годах получили распространение датчики с цифровыми интерфейсами, а в 2000-х — датчики, работающие по протоколу IO-Link.

Применение

Промышленная автоматизация

Датчики приближения являются ключевыми элементами систем автоматизации. Они используются для:

• Контроля наличия деталей на конвейере.
• Определения конечных положений механизмов (концевые выключатели).
• Счёта объектов.
• Контроля уровня жидкости или сыпучих материалов (ёмкостные датчики).
• Обнаружения металлических предметов в потоке продукции (индуктивные датчики).

Робототехника

В робототехнике датчики приближения применяются для:

• Обнаружения препятствий (ультразвуковые, оптические датчики).
• Точного позиционирования манипуляторов.
• Обеспечения безопасности (остановка робота при приближении человека).

Бытовые устройства

• Смартфоны: датчик приближения (обычно инфракрасный) отключает экран при поднесении телефона к уху во время разговора, чтобы избежать случайных нажатий.
• Автоматические смесители: оптический датчик включает подачу воды при поднесении рук.
• Автоматические двери: оптические или ультразвуковые датчики обнаруживают приближение человека.
• Роботы-пылесосы: используют оптические и ультразвуковые датчики для навигации и избегания препятствий.

Транспорт

• Парктроники: ультразвуковые датчики, установленные в бампере автомобиля, предупреждают водителя о приближении к препятствию.
• Системы автоматического торможения: радарные и лидарные датчики (по сути, дальномеры) используются для обнаружения впереди идущих автомобилей.
• Системы контроля слепых зон: ультразвуковые или радарные датчики.

Системы безопасности

• Охранные датчики: оптические (инфракрасные) барьеры, ультразвуковые датчики движения.
• Контроль доступа: магнитные датчики (герконы) на дверях и окнах.

Интересные факты

• Первые промышленные индуктивные датчики имели дальность действия не более 2–3 мм. Современные модели, использующие технологию «повышенной чувствительности», могут обнаруживать металл на расстоянии до 60 мм при стандартном корпусе M30.
• Ёмкостные датчики могут быть использованы для обнаружения объектов через стенки из диэлектрика (например, пластик, стекло), что позволяет контролировать уровень жидкости в закрытых ёмкостях.
• В некоторых ультразвуковых датчиках для компенсации влияния температуры на скорость звука используется встроенный термодатчик.
• Оптические датчики с лазерным излучателем могут обеспечивать точность позиционирования до нескольких микрометров.

Источники

• ГОСТ Р 50030.5.2-2016 «Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 5-2. Устройства управления и коммутации для цепей управления. Датчики приближения».
• IEC 60947-5-2:2019 «Low-voltage switchgear and controlgear — Part 5-2: Control circuit devices and switching elements — Proximity switches».
• Техническая документация компаний-производителей: Omron, SICK, Pepperl+Fuchs, Balluff, Autonics.
• Справочник «Промышленные датчики» под редакцией В. А. Шахнова, 2018.
• Материалы курса «Автоматизация технологических процессов» МГТУ им. Н. Э. Баумана.