Промышленные датчики и системы компании Pepperl+Fuchs для контроля за линейным движением. Часть 2

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики, или, по-иному, индуктивные датчики приближения измеряют дистанции между чувствительным элементом датчика (индуктивной катушкой) и произвольным объектом при условии, что в материале, из которого выполнен объект, могут наводиться вихревые токи. Такими свойствами, но в разной степени, обладают все чёрные и цветные металлы, ферритовые материалы, магнитные материалы, а также металлы без кристаллической структуры, например, аморфное железо. Объект должен быть достаточных размеров и толщины. В этих условиях вихревые токи, созданные датчиком в объекте, достаточным образом влияют на электрические колебания в индуктивной катушке датчика, поэтому датчик «чувствует» сближение с объектом.
Чувствительность индуктивных датчиков такова, что они способны обнаружить изменение расстояния до объекта в несколько единиц микрон.
В промышленности индуктивные датчики чаще всего применяются на дистанциях, не превышающих 80–100 мм. При бо́льших дистанциях между датчиком и объектом получить стабильную работу датчика становится затруднительно из-за значительных полей рассеяния вблизи чувствительного элемента датчика.
Разновидностью индуктивного датчика является индуктивная система. Такое устройство содержит несколько чувствительных индуктивных катушек, размещённых внутри корпуса датчика вдоль прямой линии или по окружности.
Совокупно все чувствительные элементы индуктивной системы образуют чувствительную поверхность. Если вдоль этой поверхности будет двигаться объект, например, из металла, то ближайшие к объекту индуктивные катушки обнаруживают объект. Определяется перемещение объекта вдоль индуктивной системы. Электронный преобразователь датчика создаёт выходной аналоговый сигнал, пропорциональный перемещению металлической мишени вдоль чувствительной поверхности датчика.
Объект (мишень) должен перемещаться вдоль чувствительной поверхности датчика с рекомендованным зазором, величина которого обычно рекомендуется порядка 2–3 мм, иногда до 6 мм.
Совокупные возможности индуктивных датчиков и индуктивных систем по измерению перемещений таковы: измерение от долей миллиметра до 960 мм.
Достоинства индуктивных датчиков:

• индуктивные датчики (и родственные им индуктивные системы), простые по конструкции, надёжно работают в самых сложных производственных условиях, так как на принцип получения полезного сигнала не влияют пыль, влага, агрессивные среды, мало влияют большие перепады температур. Отработана технология производства индуктивных датчиков в трубчатых корпусах из разных металлов и пластиков с очень хорошей герметизацией, а также в цельнометаллических корпусах-стаканах из нержавеющей стали. В цельнометаллических корпусах-стаканах чувствительный элемент датчика герметично закрыт слоем нержавеющей стали;
• за более чем 60-летнюю историю (к слову, первый в мире транзисторный индуктивный датчик был предложен компанией Pepperl+Fuchs в 1958 году) применения индуктивных датчиков в промышленности они стали одним из самых распространённых устройств автоматики во всех отраслях промышленности. Пока основное технологическое оборудование в промышленности изготавливается из металла, индуктивным датчикам обеспечен спрос;
• сейчас индуктивные датчики оста-ются вне конкуренции по своему широкому ассортименту (в настоящий момент компания Pepperl+Fuchs производит около 3,5 тысячи типоразмеров подобных датчиков);
• индуктивные датчики вне конкуренции по ценовой доступности среди любых бесконтактных датчиков.

Особенности индуктивных датчиков: индуктивные датчики и индуктивные системы применяются в основном на коротких и средних дистанциях, то есть на дистанциях от миллиметров до сотен миллиметров.
Некоторые индуктивные датчики, индуктивные системы и отдельные примеры их применения показаны на рис. 13, 14, 15, 16, 17 вместе с основными техническими характеристиками.

Оптическая камера с кодовой лентой

Оптическая камера и кодовая лента компании Pepperl+Fuchs, составляющие единую измерительную систему, способны измерять весьма длинные перемещения камеры относительно кодовой ленты. Камера движется вдоль кодовой ленты (ось Х) и считывает в движении матричные коды, нанесённые на ленту.
Максимальная длина перемещений камеры вдоль оси Х составляет 10 км
(в некоторых случаях 100 км). При этом зазор между камерой и лентой вполне может быть непостоянным, что является важным достоинством для протяжённых внутризаводских транспортных систем. Точность нанесения кодов на ленту, точность считывания кодов таковы, что оптическая система обеспечивает точность измерения длинных перемещений не хуже 0,1 мм.
Кроме того, по причине применения матричных, то есть двухкоординатных кодов описываемая оптическая система с кодовой лентой может измерять не только длинные перемещения по оси Х, но и перемещения в перпендикулярном направлении (ось Y). Перемещения (смещения от центра кодовой ленты) по оси Y измеряются в пределах ширины кодовой ленты.
Таким образом, оптическая система с кодовой лентой является двухкоординатной системой позиционирования. Точность позиционирования по обеим координатам 0,1 мм.
Оптическая система с кодовой лентой может обеспечивать измерение перемещений при существенной криволинейности траектории.
Достоинства оптической системы позиционирования по кодовой ленте:

• бесконтактная система измерения дви­жения на всей длине кодовой ленты;
• за счёт использованных качественных объектива, матрицы, контрастной кодовой ленты отсутствует требование неизменности зазора между камерой и лентой, в движении этот зазор может меняться на 30–60 мм (в зависимости от модели камеры).

Особенности оптической системы позиционирования по кодовой ленте: поскольку считывание кодов с ленты происходит оптической камерой, то между лентой и камерой должна быть среда достаточной прозрачности. Как правило, в обычных промышленных условиях прозрачность среды достаточная. Это способствует надёжному считыванию кодов.
Примеры применения систем позиционирования с кодовой лентой показаны на рис. 18, 19.

Лазерные дальномеры

Лазерные дальномеры компании Pepperl+Fuchs измеряют дистанции до объектов в пределах до 300 м. На таких больших дистанциях на объекте должен располагаться оптический отражатель. От него будет отражаться луч достаточной мощности, чтобы фотоэлемент дальномера смог уловить отражённый сигнал.
На дистанциях до 15 метров предлагаются иные лазерные дальномеры, которым не требуется оптический отражатель. У них лазерный луч отражается от произвольной поверхности объекта.
Описанные дальномеры работают на радарном принципе действия: лазерный светодиод дальномера излучает световой импульс в направлении объекта, импульс достигает объекта и, отразившись от него, возвращается к датчику. Датчик измеряет промежуток времени, затраченный лазерным импульсом на движение от датчика к объекту и назад к датчику.
По известной скорости света электронный преобразователь датчика вычисляет расстояние от датчика до объекта и создаёт электрический сигнал на выходе датчика.
Кроме того, компания Pepperl+Fuchs производит лазерные дальномеры, работающие на триангуляционном принципе. Такие дальномеры компании работают на дистанциях до 300 мм.
Также компания Pepperl+Fuchs предлагает диффузные оптические дальномеры. Это такие оптические датчики, которые на дистанциях до 100 мм от датчика до объекта оценивают расстояние до объекта по мощности отражённого от него сигнала и создают на выходе датчика аналоговый электрический сигнал, примерно пропорциональный дистанции до объекта.
Наилучшее разрешение лазерных дальномеров компании равно 0,1 мм.
Совокупные возможности лазерных дальномеров компании Pepperl+Fuchs в измерении перемещений таковы: измерение от десятых долей миллиметра до 300 м.
Достоинства лазерных и оптических дальномеров:

• удобный способ бесконтактного контроля перемещений, в том числе длинных;
• большой выбор рабочих дистанций при хороших точностях измерений.

Особенности лазерных и оптических дальномеров: необходима достаточная прозрачность среды для надёжного прохождения светового измерительного сигнала.
На рис. 20, 21, 22, 23, 24 представлены разнообразные типы оптических и лазерных дальномеров компании и их основные параметры. Рис. 20, 22 иллюстрируют примеры применения лазерных радарных дальномеров.

Оптические системы с кодовым рельсом

Оптические системы с кодовым рельсом компании Pepperl+Fuchs предназначены для измерения длинных перемещений оптической головки, двигающейся с некоторым зазором вдоль кодового рельса. Оптическая головка представляет собой щелевой П-образный оптический прибор, который содержит инфракрасные излучатель и приёмник. Кодовый рельс представляет собой длинную прочную ленту из нержавеющей стали или полиэстера. Этот рельс всегда находится в щели оптической головки. Кодовый рельс содержит чередующиеся отверстия прямоугольной формы и непрозрачные участки.
В чередующихся отверстиях разной ширины и непрозрачных участках разной ширины заключён абсолютный код. Оптическая головка, двигаясь вдоль рельса, считывает этот код и таким образом измеряет абсолютное перемещение головки относительно рельса.
Технологические возможности изготовления отверстий в рельсе, конструкция оптических элементов головки таковы, что оптическая система с кодовым рельсом позволяет измерять перемещения головки относительно рельса в пределах 327 м с точностью ±0,42 мм или в пределах 314,5 м с точностью ±0,4 мм.
Оптическая система с кодовым рельсом может обеспечивать измерение перемещений при существенной криволинейности траектории.
Возможности оптической системы с кодовым рельсом компании Pepperl+Fuchs в измерении перемещений: измерение от десятых долей миллиметра до 327 м.
Достоинства оптической системы с кодовым рельсом: за счёт применения инфракрасного типа оптики и небольшого размера щели в П-образной головке оптическая система способна работать в производственных условиях с существенными запылённостью и задымлённостью.
Особенности оптической системы с кодовым рельсом: небольшой размер щели в оптической головке диктует требования к качеству исполнения, качеству движения механических частей приводов для того, чтобы исключить касания движущейся головки о неподвижный рельс.
На рис. 25, 26 представлены два типа оптических головок и их основные технические параметры. На рис. 27 поясняются варианты применений оптических головок с кодовым рельсом.

Сканеры пространства (лидары)

Сканеры пространства однолучевые или многолучевые способны контролировать расстояние не только до какой-либо одной точки на объекте, как лазерные дальномеры, а определять расстояние до всех объектов в зоне прямой видимости, лежащих в плоскости сканирования, или до всех объектов, лежащих в интересующем секторе близлежащего пространства.
11-лучевой сканер компании типа R2100 имеет инфракрасные лучи. Совокупный угол обзора всех лучей составляет 88°. Измерение дистанции происходит по радарному принципу, то есть прибором вычисляется дистанция до объекта по времени распространения светового импульса, излучённого в сторону объекта, и возвращения отражённого импульса назад к датчику. Рабочие дистанции такого 11-лучевого сканера составляют до 8 м. Наилучшее разрешение – 1 мм при измерении дистанции до объекта. Абсолютная точность измерения габарита объекта ±50 мм в плоскости, перпендикулярной направлению луча.
Сканер не имеет вращающихся оптико-механических частей. Значительный угол обзора обеспечивается совокупной геометрией лучей и возможностями электронного преобразователя в сканере. Сканер измеряет не только дистанцию до объекта, но и габарит объекта в плоскости, перпендикулярной направлению луча. Поэтому устройство имеет второе название – 2D-лидар.
Однолучевой сканер компании типа R2000 имеет один постоянно вращающийся лазерный луч. Вращение лазера производится быстродействующим приводом, вращающим зеркало, поэтому устройство имеет угол обзора 360°. Компания применяет в таких однолучевых сканерах как красные лазеры (в одних моделях), так и инфракрасные лазеры (в других моделях сканеров). Измерение дистанции происходит на основе того же радарного принципа.
Измерение дистанции может происходить как до произвольного объекта с достаточной отражательной способностью (в этом случае максимальные рабочие дистанции до 30 м), так и до объекта, на котором располагается оптический отражатель (в этом случае максимальные рабочие дистанции до 200 м). Наилучшее разрешение сканеров – 1 мм. Абсолютная точность измерения дистанции от ±25 до ±40 мм в зависимости от модели сканера.
Сканер измеряет дистанцию до объекта и габарит объекта в плоскости, перпендикулярной направлению луча, поэтому устройство также называется 2D-лидар.
Достоинства сканера R2000: быстрое и точное создание картины окружающего пространства с обзором 360°.
Особенности сканера R2000: устройство является сложным, точным электронным оптико-механическим прибором с быстродействующим приводом, отсюда относительно высокая цена устройства.
Достоинства сканера R2100: отсутствие вращающихся элементов, что значительно снижает цену изделия.
Особенности сканера R2100: обзор ограничен углом 88°.
На рис. 28 и 29 показаны сканеры R2100, R2000 и их основные параметры, а также некоторые варианты применений.

Радиодатчики

Радиодатчики компании Pepperl+Fuchs обнаруживают движущийся объект, если он находится в рабочей зоне датчика. Датчики работают, используя эффект Доплера, и обнаруживают небольшой (человек) или большой объект (автомобиль) в широком диапазоне скоростей движения объектов: 0,1 м/с и выше. Такие датчики обнаруживают движущийся объект на расстоянии 2,2–7,0 м. Дистанции до 7 м являются рабочими дистанциями для радиодатчиков компании. Подобными датчиками оснащаются автоматизированные двери и ворота производственных помещений.
Достоинства радиодатчиков для дверей и ворот: всепогодное дистанционное обнаружение движущегося объекта, находящегося перед дверями.
Особенности радиодатчиков для дверей и ворот: для обеспечения большей безопасности людей в зоне створок дверей возможно применение ещё одного дополнительного независимого канала измерения, например, оптическими датчиками.
На рис. 30 и 31 показаны два типа радиодатчиков для автоматизированных дверей и ворот.

Заключение

Рассмотренные датчики и системы компании Pepperl+Fuchs позволяют решать большой набор задач автоматизации, связанных с измерением линейных движений, линейных размеров объектов. Компания готова содействовать специалистам разных отраслей в поиске подходящего технического решения. За консультациями по вопросам применения изделий компании Pepperl+Fuchs приглашаем обращаться в российские офисы компании. ●