Индукционный датчик своими руками

Приветствую уважаемых радиолюбителей. Предлагаемый вашему рассмотрению индукционный датчик может использоваться во многих устройствах – сигнализациях отрывания дверей или снятия с полок товаров, в тахометрах, в искробезопасных указателях уровня жидкостей, вместо прерывателей в бензиновых двигателях, в элементах автоматики, к примеру в отключении клапана набора воды в ёмкостях. Схема взята из классических её прототипов, но упрощена и сбалансирована. Она достаточно проста, но, при этом и надёжна, и отличается чёткостью своей работы, легко изготавливается, налаживается и встраивается в различные устройства.

Схема принципиальная датчика

Для более чёткого рассмотрения картинки — сохраните её на ПК и увеличьте.

Схема построена как генератор с индуктивной обратной связью. Колебательный контур на элементах: L2, C2 задаёт частоту, катушка L1 и ёмкость C1 обратной связи обеспечивают генерацию, резисторы: R2, R4 задают режим транзистора по постоянному току и стабилизируют его. Развязку по высокой частоте обеспечивает цепочка: R1, C3.

Важно! Ёмкость С3 должна быть импульсной, хорошего качества и номиналом как указано в схеме.

Формирователь выходного сигнала выполнен по схеме удвоения напряжения на элементах: C4, C5, VD1, VD2, R3 диоды любые высокочастотные, резистор R3 подбирается в зависимости от необходимой скорости убывания выходного напряжения при срыве генерации. При наличии металлического лепестка между катушками генерация срывается.

Печатная плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита, для её крепления используется 2 мм. отверстие, в которое вставляется болт с надетой на него ограничивающей бобышкой (или просто кусок хлорвиниловой трубки от капельницы) и зажимается всё гаечкой, либо болт вкручивается в нарезанную на каком-то основании резьбу.

Изготовление индуктивного датчика

Файл и чертёж проекта можно скачать по ссылке. Катушки L1 и L2 без сердечников. L2 содержит 30 витков провода ПЭВ-1 (0.1-0.12 мм). L1 20-30 витков провода ПЭВ-1 (0.1-0.12 мм.) в зависимости от щели-расстояния в датчике (подбирается опытным путём, но при щели около 2 мм. 23-26 витков). Мотаются катушки на оправке (маленькое 1-1.5 мм. сверло, или иголка, кусок проволоки) между двумя картонными щёчками, после закрепляются клеем и снимаются с оправки, щёчки отбрасываются тоже. Толщина катушек два — три диаметра провода, мотаются в навал. Обе готовые катушки надеваются на пластиковый стержень, который после можно вынуть, между катушек ставится полиэтиленовая или фторопластовая прокладка подходящей толщины (полиэтилен и фторопласт отстаёт от застывшей эпоксидной смолы).

Из прессшпана вырезается крестовидная развёртка коробочки, в её дне прокалывается четыре отверстия, в которые продевают гибкие многожильные провода для выводов катушек, к ним подпаивают концы катушек, развёртку сгибают для получения коробочки, обматывают скотчем или изолентой, продевают насквозь ещё один пластиковый штырь (пластик после извлекается и получается отверстие для крепления), центрируется и крепится также штырь с катушками и, наконец, заливают эпоксидкой. Гибкими выводами катушки подпаиваются каждая на своё место, фазируются для получения генерации, датчик крепится на своё место, рядом с ним плата генератора.

В нынешнее время такие катушки или подобные им можно найти во многих уже не нужных, сломанных или устаревших устройствах, к примеру в флоппи-приводах. Есть и готовые и катушки и датчики, но не всегда их можно приобрести, и не всегда это дёшево. Ну и сделать своими руками тоже для кого-то удовольствие, особенно если будет работать не хуже, а где-то и лучше готовых изделий.

Фотографий готового устройства нет, так как мопед продал, а прибор был в нём. Так же как и плата самого зажигания, к которому и подсоединён этот датчик. Теперь возможно только побробнейшее описание и ответы на вопросы интересующихся на форуме. Но зажигание вместе с этим датчиком действительно было на порядок лучше промышленного. Искрами в лабораторном испытании даже киповскую бумагу поджигало. Ребята шутили — зачем тебе теперь бензин? На макулатуре будешь ездить. В общем схема отличная, рекомендую! Автор статьи — ПНП.

Индукционный датчик своими руками

Высоковольтный емкостной датчик (далее датчик) – устройство для снятия формы вторичного напряжения системы зажигания и последующей передачи его на один из входов регистрирующего оборудования.

Датчик состоит из держателя, емкостной пластины, которая гальванически соединена с сигнальным проводом, экранированного кабеля и соответствующего разъема для подключения датчика к входу регистрирующего оборудования.

Важно!
Экран кабеля датчика обязательно должен быть соединен с землей регистрирующего оборудования. Экран должен представлять собой плотную металлическую оплетку, вязанную крест на крест без просветов. Чем меньше длина участка сигнального провода кабеля без экрана – тем меньше будет электромагнитных наводок с соседних ВВ проводов.
Снятие формы вторичного напряжения датчиком основано на наличии паразитной емкостной связи, возникающей между токопроводящей жилой ВВ провода и емкостной пластиной датчика.

Из чего следует:

1. Сигнал на выходе датчика будет тем больше чем ближе емкостная пластина к токопроводящей жиле ВВ провода.

2. Влияние электромагнитных наводок с соседних ВВ проводов будет тем меньше чем меньше размер емкостной пластины и чем меньше не экранированный участок сигнального провода.

3. Величина паразитной емкостной связи всегда зависит от ВВ провода (толщины токопроводящей жилы, толщины и диэлектрической проницаемости изоляции) из чего следует, что величина сигнала на выходе датчика будет разной для одного и того же истинного значения вторичного напряжения, т.е. не возможно однозначно установить соответствие 1 В на выходе датчика – 10 КВ во вторичной цепи.

4. Емкостная связь представляет собой дифференцирующую цепочку (ФВЧ) пропускающую высокочастотные колебания (область пробоя), и не пропускающую низкочастотные колебания (область горения), т.е. форма вторичного напряжения на выходе датчика будет искажена.

Сд – емкость между токопроводящей жилой ВВ провода и емкостной пластиной датчика
Rвх – входное сопротивление регистрирующего оборудования
Свх – входная емкость не учитывается, так как она фактически в данном случае ни на что не влияет

На графике красного цвета изображен исходный сигнал (меандр 1 КГц, скважность 10%, амплитуда 1 В)
На графике синего цвета изображен сигнал, полученный на выходе дифференцирующей цепочки

Сигнал с выхода датчика без использования компенсационной емкости

Для устранения искажения формы вторичного напряжения на выходе датчика, необходимо использовать дополнительную компенсационную емкость, которая с емкостью датчик-жила образует емкостной делитель:

Без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования, коэффициент передачи емкостного делителя определяется следующим соотношением: Kп = Сд / (Сд + Ск). Как видно из соотношения, чем больше значение емкости Ск тем меньше будет значение напряжения на выходе емкостного делителя. Для идеального емкостного делителя без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования Ск можно взять сколь угодно малое, при этом форма сигнала на выходе делителя в точности будет соответствовать форме сигнала на его входе.

При учете входного сопротивления соотношение для определения коэффициента передачи становится гораздо объемнее, но зависимость Kп от Ск остается той же. Входное сопротивление регистрирующего оборудования на прямую не влияет на Kп, оно определяет “степень вносимого искажения”.

При увеличении входного сопротивления искажения формы вторичного напряжения значительно уменьшаются. В большинстве случаев входное сопротивления практических все осциллографов используемых для автодиагностики находится в диапазоне 1 МОм, за исключением специализированных входов предназначенных исключительно для подключения ВВ датчиков. По этому при непосредственном подключении датчика к входу осциллографа (без специализированного адаптера) Rвх также можно принять за константу, и ограничится варьированием только Ск.

Примечание!
Подключение датчика к входу осциллографа просто через резистор 10 МОм приведет к увеличению входного сопротивления и соответственно уменьшению искажения формы вторичного напряжения, но при этом примерно в десять раз уменьшиться коэффициент передачи входного тракта канала. Для увеличения входного сопротивления без уменьшения коэффициента передачи необходимо использовать промежуточный буфер (повторитель – простейший адаптер) с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.
Для текущих Сд (точно не известно) и Rвх (обычно 1 МОм) значение Ск подбирается исходя из компромисса:
1. Чем меньше Ск тем больше амплитуда напряжения на выходе емкостного делителя
2. Чем больше Ск тем меньше степень искажения формы вторичного напряжения

Практически значение Ск возможно увеличивать до тех пор, пока “амплитуда” напряжения на выходе емкостного делителя будет достаточно выделяться на фоне шума.

Местоположение подключения Ск: в начале кабеля (ближе к емкостной пластине) или в конце кабеля (ближе к входу регистрирующего оборудования) – практически не влияет на форму и амплитуду сигнала с выхода датчика.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной на входе осциллографа, на графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной непосредственно возле емкостной пластины. Как видно форма сигналов практически одинакова, а амплитуда различается в пределах разброса номинала используемых емкостей +/- 20%.

Примеры осциллограмм вторичного напряжения снятого одним и тем же датчиком с емкостной пластиной в виде круга диаметром

10 мм при разных значениях Ск, на стенде с DIS катушки 2112-3705010 (форма вторичного напряжения несколько отличается от привычной из-за разряда на открытом воздухе).

Ск = 470 пФ. Область горения значительно проседает, но амплитуда пробоя достигает 5 Вольт.

Ск = 1.8 нФ. Область горения также значительно проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 2 Вольт.

Ск = 3.3 нФ. Область горения не много проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 1 Вольта.

Ск = 10 нФ. Область горения практически не проседает, но и амплитуда пробоя уменьшилась до 0.4 Вольт.

Как видно при Ск = 10 нФ форма вторичного напряжения практически не искажена, а шум довольно не значительный.

Для сравнения приведены осциллограммы вторичного напряжения снятые с одного и того же ВВ провода без использования адаптера и с использованием специализированного адаптера зажигания.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 10 нФ) непосредственно подключенного к входу осциллографа. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с адаптера Постоловского, к которому подключен “родной” ВВ датчик Постоловского.

Как видно форма обеих сигналов практически совпадает, но с адаптера содержащего промежуточные усилители, сигнал имеет в 3 раза большую амплитуду.

Примечание!
Все адаптеры, использующие емкостные датчики искажают форму вторичного напряжения, но при высоком входном сопротивлении и достаточной Ск, вносимое искажение крайне не значительно.

Изготовление

В простейшем случае емкостной съемник это любой металлический предмет расположенный рядом с ВВ проводом, т.е. в роли емкостной пластины могут выступать зажим типа “крокодил”, фольга намотаня на ВВ провод, монетка и т.д.

Практически в качестве высоковольтного емкостного датчика рекомендуется использовать конструкцию, которая удовлетворяет следующим требованием:
1. Высокая степень защиты от пробоя
2. Малая подверженность электромагнитным наводкам от соседних ВВ проводов
3. Удобное конструктивное исполнение для быстрого подключения датчика к ВВ проводу

Примеры конструкции ВВ емкостных датчиков:

Жестяная пластинка 20×70 мм, выгибается, так что бы плотно прижиматься к ВВ проводу.

По сути, та же пластина только в изоляции.

ВВ датчик типа “прищепка”.

ВВ датчик аналогичный одной из конструкций Бош (поставляется по цене $7 / шт).

В качестве примера рассмотрим процесс изготовления ВВ датчика на основании выше приведенной конструкции компании Бош.

Для изготовления датчика необходимо:

1. Выше рассмотренная ручка ВВ датчика.

2. Экранированный кабель 1-3 м. Желательно использовать мягкий микрофонный кабель, так как при эксплуатации он намного удобнее жесткого коаксиального кабеля. Волновое сопротивление кабеля 50 или 75 Ом, значения не имеет, так как все исследуемые сигналы находятся в области низких частот.

3. Разъемы для подключения датчика к осциллографу или адаптеру зажигания BNC-FJ / BNCP / FC-022 Переходник гнездо F / BNC под F-ку (разъем один и тот же только у разных производителей / продавцов он по-разному называется).

BNC-M / FC-001 / RG58 / F разъем

Примечание!
При покупке F разъема и кабеля обращайте внимание на соответствие диаметра кабеля к диметру разъема для накрутки на кабель, иначе либо придется срезать часть изоляции кабеля для уменьшения его диаметра, либо наматывать ленту на кабель для увеличения его диаметра.
4. Сальник / гермоввод / кабельный ввод PG-7 с дюймовой резьбой

5. Емкостная пластина “пятачок” диаметром 9-10 мм

“Пятачок” возможно либо вырезать из жести, либо использовать специальный пробойник (лучше всего использовать пробойник на 8 мм, после развальцовки получится “пятачок” диаметром чуть больше 9 мм):

Также в качестве “пяточка” возможно, использовать подходящие по диаметру канцелярские кнопки.

6. Компенсационная емкость – не полярный (лучше керамический) конденсатор номиналом от 2.2 нФ до 10 нФ на напряжение 50 Вольт (если использовать конденсатор на 1 КВ то в случае пробоя ВВ провода он все равно сгорит). Возможно использовать как выводные конденсаторы так и планарные в корпусе 1206 или 0805.

1. Удалить изоляцию с экранированного кабеля до оплетки, на участке 12-13 мм. Часть оплетки под снятой изоляцией вывернуть наружу и равномерно расположить вдоль кабеля. С сигнального провода снять изоляцию на участке 10-11 мм и залудить его.

2. Накрутить на кабель F разъем, так что бы он плотно держался на кабеле и хорошо контактировал с частью вывернутой оплетки. При этом сигнальный провод должен выступать на достаточную длину из F разъема для надежного контакта с центральным стержнем разъема BNC-FJ.

3. Накрутить разъем BNC-FJ на F разъем. После чего проверить наличие контакта (прозвонить тестером) между сигнальным проводом и центральным стержнем разъема BNC-FJ, между оплеткой кабеля и экраном разъема BNC-FJ и отсутствие контакта между сигнальным проводом и оплеткой кабеля.

4. Если есть сальник PG-7 то предварительно надеть его на кабель открутив с него гайку.

5. Удалить изоляцию и оплетку с противоположного конца кабеля, на участке 3-5 мм. С сигнального провода снять изоляцию на участке 2-3 мм. Припаять к залуженному сигнальному проводу емкостную пластину.

При необходимости припаять компенсационную емкость между сигнальным проводом и оплеткой.

6. Обмотать участок сигнального провода и припаеную компенсационную емкость изолентой, так что бы емкостная пластина не болталась и была поджата краем изоленты. После чего емкостную пластину обильно смазывать солидолом.

Солидол “улучшает” диэлектрическую проницаемость и устраняет скачки области горения.

На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) без солидола. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) с использованием солидола. Без использования солидола область горения иногда “подскакивает” на 20-30%.

7. Надеть ручку ВВ датчика так, что бы емкостная пластина упиралась в дно колпачка датчика. После чего зажать кабель либо с помощью сальника PG-7 либо закрепить изолентой (при этом с датчиком нужно обращаться крайне осторожно, что бы случайно не вырвать кабель из ручки датчика).

В результате должен получится высоковольтный емкостной датчик, который возможно непосредственно подключать к одному из аналоговых (с наличием Ск) или к логическому (без Ск) входов осциллографа.

Принцип работы и виды индуктивных датчиков, способы подключения

Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.

Общее описание и назначение

Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.

По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.

Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.

Дифференциальные

Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.

Устройство и схема

Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.

Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.

Триггер Шмидта

Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.

Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.

Специальный индикатор

Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.

Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.

Принцип работы

Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.

В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.

Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.

Напряжение питания

Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.

Минимальный ток переключения

Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.

Рабочие расстояния

Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.

Частота переключения

Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.

Способ подключения

Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.

Трехпроводные

Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.

Четырехпроводные

Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.

Двухпроводные

Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.

Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.

Пятипроводные

Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.

Цветовая маркировка

Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:

минус обычно указывается синим;
плюс — красным;
выход — черным;
белый — дополнительный выход или же вход управления, что определяется типом используемого датчика.

Погрешности

Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.

Электромагнитная

Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.

От температуры

Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.

Магнитной упругости

Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.

Деформация элементов

Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.

Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.

Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.

Технологии

Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.

Сферы использования

Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.

Медицинские аппараты

Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.

Бытовая техника

В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».

Автомобильная промышленность

Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.

Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации.

Робототехническое оборудование

В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.

Промышленная техника регулирования и измерения

Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.

Индукционные датчики следующего поколения

Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.

К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:

снижение стоимости и веса, более компактные размеры;
возможность выбора практически любых форм-факторов;
повышение точности реагирования на металлические объекты;
возможность проведения замеров, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
упрощение конструкции;
возможность устанавливать несколько индукционных датчиков близко друг к другу из-за высокой электромагнитной совместимости.

Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.

Индуктивный датчик – устройство, принцип работы, параметры и классификация

Различного типа датчики сегодня широко применяются в промышленности. Без них ни один технологический процесс не обходится. Существует несколько их видов, нас же в этой статье будет интересовать индуктивный датчик. Поэтому разберемся, для чего он необходим, где применяется, его устройство и принцип работы.

Бесконтактные индуктивные датчики

По сути, датчик данного типа – это прибор, принцип работы которого основан на изменениях индуктивности катушки и сердечника. Кстати, отсюда и само название. Изменения индукции происходят из-за того, что в магнитное поле катушки проникает металлический предмет, изменяя его. А соответственно и изменяется схема подключения, в которой основную роль играет компаратор. Он при изменении индукции подает сигнал на реле или конечный транзистор (выключатель), что приводит к отключению подачи электрического тока.

Поэтому основное предназначение данного прибора – это измерять перемещение части оборудования. И при превышении пределов проходимости отключать его. При этом у датчиков есть свои пределы перемещения, которые варьируются в диапазоне от 1 микрона до 20 миллиметров. Кстати, именно поэтому этот прибор называют и индуктивным датчиком положения.

Достоинства и недостатки

Начнем с достоинств:

Простота конструкции, достаточно высокая его надежность. Полное отсутствие скользящих контактов, которые быстро выходят из строя.
Можно использовать для подключения в электрические сети с промышленной частотой.
Высокая чувствительность.
Может выдерживать большую выходную мощность.

Устройство индуктивного датчика

Напряжение и точность работы датчика взаимосвязаны, поэтому нестабильное напряжение в сети становится причиной разброса пределов реагирования.

Параметры индуктивного датчика

Один из параметров уже описывался выше – это диапазон срабатывания. Хотя, как утверждают специалисты, он не является важным, но именно по нему и делают выбор. Все дело в том, что в паспорте изделия указываются номинальные параметры напряжения при работе прибора в температурном режиме +20С. Постоянное напряжение составляет 24 вольт, переменное – 230 вольт. Как вы понимаете, в таких условиях индукционный датчик обычно не работает, а если и работает, то редко. При этом в качестве объекта, который будет изменять индуктивность катушки прибора, должна выступать стальная пластина, ее ширина должна быть равна трем диапазонам срабатывания и толщиною 1 мм.

На практике же за основу выбора берут два показателя диапазона срабатывания:

Показания первого отличаются от номинального параметра в пределах ±10%. При этом температурный диапазон расширяется от +18С до +28С. Второй определяется, как ±10% от первого при температурном режиме от 25 до 70С. И если при первом параметре используется номинальное напряжение в сети, то при втором присутствует разброс от 85% до 110% от номинала.

Есть еще один параметр, который связан с зоной срабатывания. Это гарантированный предел. Его нижняя часть равна «0», а верхняя 81% от номинального диапазона.

Необходимо учитывать и такие параметры, как гистерезис и повторяемость. Что такое гистерезис в этом случае? По сути, это расстояние между дальними позициями срабатывания датчика. Оптимальное его значение – это 20% от эффективного диапазона срабатывания.

Не последнее значение имеет и материал, из которого изготавливается объект слежения (перемещения). Оптимальный вариант – сталь 37, ее коэффициент редукции равен «1». Все остальные металлы имеют меньший коэффициент. К примеру, нержавейка – 0,85, медь – 0,3. Как понять, на что влияет коэффициент редукции? Для примера возьмем медную пластину. То есть, получается так, что диапазон срабатывания будет равно 0,3, умноженному на полезный диапазон срабатывания. Достаточно низкий показатель.

Перечислим и другие не столь важные параметры6

Постоянное напряжение имеет диапазоны: 10-30, 10-60, 5-60 вольт. Переменное 98-253 вольт.

Внимание! Производители сегодня предлагают так называемые универсальные индукционные датчики, которые могут работать и от сети переменного тока, и от сети постоянного.

Индуктивные прямоугольные датчики серии RN

Ток нагрузки (номинальный) – 200 мА. Сегодня производители иногда производят датчики с токовой нагрузкой 500 мА. Это так называемое специсполнение.
Частота отклика. Суть этого параметра заключается в том, что он показывает максимальное значение возможности переключаться. Измеряется данный параметр в герцах. Так для основных промышленных датчиков этот показатель равен 1000 Гц.

Способ подключения

Существует несколько разновидностей индуктивных датчиков, которые имеют разное количество проводов подключения.

Двухпроводные. Включаются прямо в цепь токовой нагрузки. Самый простой вариант, но очень капризный. Для него нужен номинальное сопротивление нагрузке. Если он снижается или увеличивается, прибор начинает работать некорректно. При подключении к сети постоянного тока, необходимо соблюдать полярность.
Трехпроводной. Это самые распространенные индукционные датчики, в которых два провода подключаются к напряжению, один к нагрузке.
Четырех-, пятипроводные. В них два провода подключаются к нагрузке. Пятый провод – это возможность выбора режима работы.

Цветовая маркировка выводов

Все, что связано с электрическими сетями, особенно проводниками, обязательно обозначается цветовой маркировкой. Делается это для удобства проведения монтажа и обслуживания. Индуктивный датчик этого также не избежал. В нем выходы обозначены определенными стандартными цветами:

Минус – синий цвет.
Плюс – красный.
Выход – черный.
Бывает и второй выход, он белого цвета, который может быть и входом в систему управления. Об этом производитель обязательно информирует в инструкции.

Разновидности индукционных датчиков

И последнее – это конструктивные особенности, которые касаются корпуса датчика. Он может иметь цилиндрическую или прямоугольную форму. Изготавливается из металлических сплавов или пластика. Чаще всего в промышленности используются цилиндрические приборы диаметром 12 или 18 мм. Хотя есть в этой размерной линейке и другие параметры: 4, 8, 22 и 30 мм.

Имитатор индуктивного датчика системы зажигания мотоцикла

Я долго думал, стоит ли писать эту статью. Настолько все выглядит очевидным и простым, даже банальным, с моей точки зрения. Но поговорив с немного с коллегами и знакомыми понял, что все таки есть люди, для которых затрагиваемые в статье вопросы интересны и выглядят вовсе не такими простыми. Поэтому все таки решил написать.

Возможно, часть статьи окажется интересной мотоциклистам, а часть электронщикам.

История вопроса

Я далек от мира мотоциклов. Но у меня есть коллеги и знакомые мотоциклисты. Сразу отмечу, что коллеги и знакомые совсем не обязательно являются специалистами в областях электроники и программирования. И вот не так давно один знакомый обратился ко мне с просьбой сделать какой-нибудь простой имитатор индуктивного датчика для системы зажигания мотоциклов.

Я удивился, что же тут сложного? Наверняка хватит самого простого генератора импульсов. Как оказалось, не все так просто. Поэтому ко мне и обратились. Но давайте обо всем по порядку.

Имитатор был нужен для диагностики и ремонта систем зажигания мотоциклов. В идеале, самых разных мотоциклов, чем больше, тем лучше. Но для начала они хотели разобраться с одним конкретным мотоциклом — Yamaha Virago. Более точное название модели просто не знаю. Но он был довольно старым, лет 20-30, с их слов.

И у этого мотоцикла был старый же вариант системы зажигания, с одним индуктивным датчиком. В этом и была проблема. Новый блок зажигания найти было можно, но он был новой модификации, с двумя индуктивными датчиками, и не подходил для замены старой модификации.

Ситуация проясняется

Я попросил показать мне блок зажигания этого мотоцикла. Вот он, вид изнутри

Видно, что блок кто то уже ремонтировал, так транзистор КТ819 (внизу справа) установлен явно не на заводе изготовителе. Кто его поставил, неизвестно. Говорят, так было сразу. Хорошо видно микроконтроллер MH63B01V1P, никакой информации по которому найти не удалось. Скорее всего это какая то заказная микросхема. Она много где упоминается в обсуждениях блоков зажигания, в том числе, автомобилей, но кроме фотографий и названия больше ничего нет. Ниже микроконтроллера виден субмодуль выполненный на керамической подложке.

Знакомые хотели сами разобраться с ремонтом блока. Но им был нужен имитатор датчика, что бы можно было работать на столе вдали от мотоцикла.

Как все это устроено

Как работают систем зажигания, думаю, известно почти всем. Однако, для мотоциклов (по крайне мере, для части из них) есть некоторые особенности в их построении. Для тех, кто раньше не сталкивался (как и я до этого случая) с подобными системами, нужно кратко пояснить, как там все устроено и работает. Для иллюстрации буду использовать тот самый Yamaha Virago. На других мотоциклах с подобной системой зажигания внешний вид и некоторые детали могут отличаться, но сам принцип останется тем же самым.

Датчик системы зажигания индуктивный. Представляет из себя катушку с магнитным сердечником. Намагничен или сам сердечник, или внутри датчика расположен постоянный магнит. На самом деле довольно стандартное исполнение подобных индуктивных датчиков. Индуктивность датчика не замерялась. Сопротивление обмотки порядка 200 Ом.

На роторе генератора, изготовленном из алюминиевого сплава, есть две накладки из железа (стали). Вот так это выглядит в реальности

Сам ротор генератора жестко крепится на коленвале. При вращении ротора во время работы двигателя эти накладки проходят под датчиком вызывая изменение магнитного поля в его сердечнике. А это, в свою очередь, приводит к возникновению ЭДС в катушке датчика.

Схематически это можно представить так. Направление вращения я показал условно, оно не столь важно в данном случае.

В новом варианте, который я упоминал ранее, накладка на роторе одна, но установлено два датчика разнесенных на некоторый угол.

Как все это работает

Работает все это довольно просто. На выводах датчика формируется импульс напряжения во время прохождения края накладки под сердечником. Вот так, упрощенно, выглядит сигнал с датчика при прохождении накладки

Полярность импульсов напряжения зависит от полярности намагниченности сердечника датчика (или встроенного магнита) и подключения выводов датчика. Если выводы датчика поменять местами, то сменится и полярность импульсов. Но для данного мотоцикла датчик подключен так, что полярность импульсов соответствует показанной на рисунке.

А вот фотография с экрана осциллографа во время прокрутки двигателя стартером. Снимал не я.

Амплитуда как положительных, так и отрицательных импульсов порядка 4В, в среднем. Если нарисовать упрощенную временную диаграмму, То получится примерно так

Хорошо видно, что импульсы идут парами. На каждый оборот коленвала приходится по две пары импульсов, так накладки две. Интервал 4 мс соответствует небольшому расстоянию между накладками. 40 мс это время прохождения накладки через датчик. А один оборот коленвала занимает 200 мс.

Усилитель-формирователь в блоке зажигания формирует из импульсов датчика прямоугольные импульсы, которые соответствуют прохождению накладок под датчиком. Далее, импульсы поступают на микроконтроллер, который распределяет их по транзисторным ключам коммутирующим катушки зажигания

Хорошо видно, что по положительному импульсу первичная обмотка катушки зажигания подключается к аккумулятору и начинается накопление энергии в ее магнитном поле. По отрицательному импульсу катушка отключается от аккумулятора и на ее вторичной обмотке формируется высоковольтный импульс.

Той самой особенностью, о которой я говорил ранее, является задание времени накопления энергии размером накладки (ее длиной). Точнее, это время зависит от времени прохождения накладки под датчиком. И оно тем меньше, чем выше обороты двигателя. Другой особенностью является то, что ротор генератора закреплен на коленвале жестко, поэтому изменением угла опережения зажигания занимается микроконтроллер и этот угол зависит только от оборотов двигателя.

Вот теперь можно переходить собственно к поставленной задаче — имитации работы датчика системы зажигания. Для обратившегося ко мне знакомого основную сложность представляли именно двухполярные импульсы. И их парность. Но на самом деле тут все довольно просто.

Точное соблюдение временных интервалов не столь существенно для проверки и ремонта блоков зажигания. Но примерные временные соотношения соблюдать смысл имеет.

Будем имитировать поведение максимально близкое к наблюдаемому на осциллограмме. Нет, никаких механических имитаторов не будет, хотя, со слов знакомого, такие делают. И никаких индуктивных элементов тоже не будет. Мы воспользуемся обычной дифференцирующей цепочкой из конденсатора и резистора. Это настолько банально, что даже неудобно об этом писать.

Резистор 200 Ом соответствует сопротивлению обмотки датчика. На тот случай, если это будет иметь значение для блока зажигания (на тот момент схему блока зажигания я еще не разрисовывал). Емкость конденсатора 4.7 мкФ позволяет получить длительность импульса примерно соответствующую осциллограмме снятой на мотоцикле. Амплитуда прямоугольного импульса 5 В, это многовато, но это мы поправим.

У нас должно быть два прямоугольных импульса длительностью 40 мс с паузой около 4 мс между ними. Пауза между парами импульсов должна быть порядка 120 мс (200-40-4-40). Это можно сделать используя таймеры NE555 или одновибраторы, но получится громоздко. Поэтому я решил использовать простенький микроконтроллер PIC10F200. Он дешевый и в удобном корпусе SOT23-6. И эти микроконтроллеры у меня есть в большом количестве, остались от старого проекта.

Те, кто читает мои статьи уже наверняка задумались. Где то, и совсем недавно, они уже что то подобное слышали. Да, именно об этом имитаторе я упоминал в статье Ошибки допускают все. Исключений не бывает.

Схема имитатора получилась очень простой

Здесь резистор R1 немного снижает амплитуду импульсов. А микросхема NC7WZ04P6X в удобном корпусе SC70-6 это просто быстрый сдвоенный инвертор с выходным током до 50 мА (не более 100 мА в целом на микросхему). Она обеспечивает развязку выхода имитатора от микроконтроллера. Конденсатор С5 использовался керамический, но можно взять и обычных электролитический (полярный). В этом случае его положительный вывод подключают к выходу микросхемы.

Микроконтроллер формирует, программно, на выводе GP2 импульсную последовательность

временные параметры которой уже упоминались ранее. Микросхема DD2 инвертирует этот сигнал и на выходе имитатора получаем такой сигнал

Извиняюсь за качество, фото делалось телефоном для отправки знакомому по WhatsApp. Сейчас имитатор уже не у меня, поэтому сохранить качественную копию экрана в файл уже не могу.

Да, форма импульсов отличается, но это не важно, в данном случае. И, как показала проверка, усилитель-формирователь в блоке зажигания корректно формировал прямоугольные импульсы из сигнала с имитатора.

Программа для микроконтроллера, без какой либо оптимизации, состоит всего из 40 команд, память данных не используется. Причем примерно половина программы занимается предварительной настройкой микроконтроллера. Программа настолько проста, что я не привожу ее текст. Но если в комментариях будут просить, то текст выложу.

У микроконтроллера остается неиспользуемыми 3 вывода, что позволяет реализовать 8 различных последовательностей импульсов, для разных систем зажигания разных мотоциклов. Свободной памяти команд для этого достаточно. Если же использовать другой микроконтроллер, то количество вариантов можно значительно увеличить. А микроконтроллер можно использовать практически любой.

А если нет такой микросхемы сдвоенного инвертора?

Не беда. Можно использовать почти любые микросхемы инверторов. Необходимая амплитуда тока выходного каскада составляет всего 25 мА. Но лучше не использовать микросхемы ТТЛ логики.

Можно заменить эту микросхему и парой транзисторов, например, BC847/BC857 или даже КТ315/КТ361 включив их по всем известной схеме выходного каскада УНЧ. При этом резистор 33 Ом ставить не нужно. Только нужно учесть, что такой выходной каскад не будет инвертировать сигнал с выхода микроконтроллера. Поэтому нужно сделать это изменив программу. Схема получится такой

Как видите, ни в схеме имитатора, ни в его программе нет абсолютно ничего сложного.

Временные параметры импульсов можно программно задавать любыми. Если нужны просто двухполярные импульсы, а не пара импульсов, то можно отказаться и от микроконтроллера, заменив его генератором с раздельной регулировкой частоты и скажности импульсов.

Заключение

Как я и говорил в начале статьи, все настолько просто, очевидно и известно.

Имитатор не предназначен для разработки блоков зажигания мотоциклов. Только для их быстрой проверки и ремонта. Имитируется сигнал с датчика при прокрутке двигателя стартером. Поэтому частота импульсов не регулируется. Хотя сделать это возможно, просто задачи такой не стояло. Некоторые ограничения накладывает то, что длительность импульсов формируется RC цепочкой. Но это цена простоты конструкции. Да и эта длительность будет, в большинстве случаев, примерно такой же.

Ни схема, ни программа, ни печатная плата не являются секретными. Если кому то нужно, выложу и текст программы (и HEX файл прошивки), и Gerber файлы для изготовления печатной платы.

Имитатор был собран в единственном экземпляре, иного и не предполагалось. Хоть я и сильно сомневаюсь, но если кого то этот имитатор очень заинтересует, то могу выслать уже собранную плату с запрограммированным микроконтроллером. Даже с параметрами импульсов, которые вам нужны. Или запрограммированный микроконтроллер.

А что с тем мотоциклом то?

Да, забыл сказать. Микроконтроллеру, тому самому, заказному, не повезло. У него выгорел порт управляющий выходными ключами работающими на катушки зажигания. Так что блок не восстановить.

Есть пара идей, что можно сделать. Но пока никаких подробностей нет. Одну из идей знакомый обещал проверить в ближайшее время (только сколько это займет. ). Если будет интерес к статье и появятся дополнительные подробности или будет найдено решение по восстановлению блока, то напишу, что и как.