Индукционный датчик своими руками

Содержание
  1. Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики
  2. Назначение
  3. Устройство
  4. Принцип работы
  5. Расстояние срабатывания и объект воздействия
  6. Виды
  7. Характеристики (параметры)
  8. Примеры подключения на схемах
  9. Двухпроводных датчиков индуктивности
  10. Трехпроводных датчиков индуктивности
  11. Четырехпроводных датчиков индуктивности
  12. Пятипроводных датчиков индуктивности
  13. Преимущества и недостатки
  14. Использованная литература
  15. Индуктивный датчик: виды, принцип работы, схема подключения, как проверить
  16. Общее описание и назначение
  17. Одинарные
  18. Дифференциальные
  19. Устройство и схема
  20. Генератор
  21. Триггер Шмидта
  22. Усилитель
  23. Специальный индикатор
  24. Компаунд
  25. Параметры
  26. Напряжение питания
  27. Минимальный ток переключения
  28. Рабочие расстояния
  29. Частота переключения
  30. Способ подключения
  31. Трехпроводные
  32. Четырехпроводные
  33. Двухпроводные
  34. Пятипроводные
  35. Цветовая маркировка
  36. Погрешности
  37. Электромагнитная
  38. От температуры
  39. Магнитной упругости
  40. Деформация элементов
  41. Кабеля
  42. Старение
  43. Технологии
  44. Сферы использования
  45. Медицинские аппараты
  46. Бытовая техника
  47. Автомобильная промышленность
  48. Робототехническое оборудование
  49. Промышленная техника регулирования и измерения
  50. Индукционные датчики следующего поколения
  51. Индукционный датчик своими руками схема. Описание и принцип работы индуктивных бесконтактных датчиков. «Как подключить индукционный регулятор?»
  52. Схемы подключения датчиков PNP и NPN
  53. Индукционные датчики
  54. Замена датчиков
  55. Имитатор индуктивного датчика системы зажигания мотоцикла
  56. История вопроса
  57. Пациент
  58. Ситуация проясняется
  59. Как все это устроено
  60. Как все это работает
  61. Имитатор

Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики

Индукционный датчик своими руками

В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним.

Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.

2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.  

Сфера  применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.

Устройство

Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство индуктивного датчика

Как видите на рисунке, в его состав входят:

  • магнитопровод или ярмо (1) – предназначен для передачи электромагнитного поля от генератора в зону чувствительности;
  • катушка индуктивности (2) – создает переменное электромагнитное поле при протекании электрического тока по виткам;
  • объект измерения (3) – металлический якорь, вводимый или перемещаемый в области чувствительности, неметаллические предметы не способные влиять на состояние электромагнитного поля, поэтому они не используются в качестве детектора;
  • зазор между объектом измерения и основным магнитопроводом (4) – обеспечивает меру  взаимодействия в качестве магнитного диэлектрика, в зависимости от модели датчика и способа перемещения  может оставаться неизменным или колебаться в заданном диапазоне;
  • генератор (5) — предназначен для генерации электрического напряжения заданной частоты, которое будет создавать переменное магнитное поле в заданной области.

Принцип работы

Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.

Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя

При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки.

При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность.

Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.

Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания

При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется.

В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в  свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции.

На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.

Расстояние срабатывания и объект воздействия

В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя.

Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.

Рис. 4. Область и объект срабатывания

Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности.

В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону.

В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.  

Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:

Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала

Виды

На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного.  В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:

  • замыкающий – при перемещении контролируемого объекта происходит перевод во включенное положение;
  • размыкающий – в случае воздействия индуктивный датчик переводит контакты в отключенное положение;
  • переключающий – одновременно объединяет оба предыдущих варианта, за одну коммутацию переводит один вывод во включенное, второй, в отключенное положение.

По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.

Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик

По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники.

Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах.

Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:

  • напряжение питания – определяет допустимый минимум и максимум разности потенциалов, при которой индуктивный датчик нормально работает;
  • минимальный ток срабатывания – наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
  • расстояние срабатывания – допустимый промежуток удаления, при котором будет происходить коммутация;
  • индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость электрического тока и линий магнитной индукции для конкретной модели;
  • поправочный коэффициент – применяется для внесения поправки, в зависимости от дополнительных факторов;
  • частота переключений – максимально возможное количество раз коммутации в течении секунды;
  • габаритные размеры и способ установки.

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Рис. 7. Схема подключения двухпроводного датчика

Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 8. Схема подключения трехпроводного датчика индуктивности

В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 9. Схема подключения четырехпроводного датчика индуктивности

По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.

Пятипроводных датчиков индуктивности

Рис. 10. Схема подключения пятипроводного датчика индуктивности

В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:

  • высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
  • может функционировать как от бытовой сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и прочих источников питания;
  • способны обеспечивать значительную мощность на выходе — порядка нескольких десятков Ватт;
  • характеризуются высокой чувствительностью в зоне измерения.

Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.

Использованная литература

  • Алейников А.Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. «Датчики» 2001
  • Келим Ю. М. «Типовые элементы систем автоматического управления» 2002.
  • В.В. Литвиненко, А.П. Майструк. «Автомобильные датчики, реле и переключатели» 2004
  • Соснин Д. А. «Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей» 2001

Индуктивный датчик: виды, принцип работы, схема подключения, как проверить

Индукционный датчик своими руками

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.

Одинарные

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.

Генератор

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.

Усилитель

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

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.

Параметры

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.

Кабеля

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.

Старение

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.

Индукционный датчик своими руками схема. Описание и принцип работы индуктивных бесконтактных датчиков. «Как подключить индукционный регулятор?»

Индукционный датчик своими руками

Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.

Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.

В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.

Схемы подключения датчиков PNP и NPN

Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.

Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.

Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.

На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.

Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков

На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN

. Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.

Справа – случай с транзистором PNP

на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.

Индукционные датчики

Индукционные датчики

Среди многообразия бесконтактных датчиков, по неприхотливости к внешним условиям, простоте изготовления и долговечности наиболее привлекательны индукционные (или генераторные) датчики.

На их основе были созданы различные приборы — от самых простых, регистрирующих линейные перемещения, до сложных, таких как системы зажигания с цифровым управлением, системы впрыска топлива, антиблокировочные системы управления тормозами и т.п.

Остановимся на процессе, проходящем в генераторном датчике. В простейшем случае датчик состоит из катушки с обмоткой, сердечника из магнитомягкого железа и магнита. Эти три компонента составляют статор датчика.

Со статором взаимодействует ротор в виде зубчатого диска или зубчатой рейки с количеством зубцов, определяемым условиями применения датчика (рис.1).

При вращении ротора, в обмотке статора возникает переменное напряжение.

Когда один из зубцов ротора приближается к обмотке, напряжение в ней быстро возрастает и, при совпадении со средней линией обмотки, достигает максимума, затем, при удалении зуба, быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума.

На приводимом графике (рис.2) отчетливо видна большая крутизна изменения напряжения, поэтому переход между двумя максимумами может быть использован для управления электронными системами.

Величина напряжения, вырабатываемого датчиком, зависит от частоты вращения ротора, числа витков катушки и величины магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом.

Поскольку две последние величины постоянны, величина индуцируемого напряжения достигает максимума при максимальной частоте вращения. При конструировании следует уделять особое внимание усилению импульсов при малой частоте следования.

Сфера применения подобных датчиков обширна, остановимся на некоторых примерах.

Датчик качания или удара

(рис.3). На спиральной пружинке из тонкой проволоки укреплен небольшой кусочек магнитомягкого железа, при качании или толчке он взаимодействует со статором датчика, который вырабатывает серию апериодических импульсов.

Ротометр (тахометр)

. В датчике частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис.4) статор датчика укреплен на кожухе маховика или на заглушке смотрового лючка — в непосредственной близости от зубчатого венца маховика. Прибор обеспечивает наиболее точное определение частоты вращения без вторжения в цепи системы зажигания.

Спидометр

. Для измерения скорости движения автомобиля зубчатый ротор укрепляется на выходном валу коробки передач или на блоке коробки передач вместо гибкого вала. Система позволяет отказаться от дорогого таходатчика или механически малонадежного гибкого вала (рис.5).

Одометр

. Измерение пути автомобиля производится с помощью зубчатого диска, укрепленного на неприводном колесе (рис.6). Подобные датчики нашли также применении в автоматической системе торможения (ABS — AntiBlockSistem), предотвращающей блокирование колес автомобиля и его занос от «юза».

Система зажигания

. Генераторный датчик (рис.1) является основой системы зажигания . В системе зажигания с цифровым управлением «Импульс-Техник» д-ра Хартига используется зубчатый венец маховика двигателя с дополнительным зубом для получения эталонного сигнала (рис.7). Данная система позволяет весьма точно регулировать момент зажигания.

Если вернуться к конструкции индукционного датчика, то следует заметить, что если на скорость вращения ротора влияют параметры измеряемой среды, то возникает вопрос о тормозящем моменте, оказываемом магнитным полем постоянного магнита. В этом случае принимаются меры по увеличению момента трогания (увеличивают площадь крыльчатки).

Если по условиям эксплуатации не требуется контролировать небольшую частоту вращения, сердечник можно выполнить из магнитотвердого материала без дополнительного магнита, и за счет остаточного магнетизма получить достаточную величину сигнала.

В качестве примера можно привести параметры датчиков, нашедших применение в различных приборах.

Например, сердечник датчика выполняется из стали (Ст1, Ст2, Ст3) 03…8 мм (рис.1). На сердечник напрессовываются щеки катушки 012…20 мм на расстоянии 10…15 мм друг от друга. Сердечник под обмоткой изолирован фторопластовой пленкой. Обмотка катушки выполняется внавал, до заполнения пространства между щеками. Провод — ПЭВ-1 00,06…0,1 мм. Количество витков получается примерно 2500…4000.

Длина сердечника колеблется от 12 до 35 мм. С одной стороны сердечника предусмотрена площадка для прикрепления анизотропного магнита. Удобными оказались магниты от герконовых клавиатур. Свободный конец сердечника выводится из корпуса. Корпус датчика выполняется из немагнитного материала. Если требуют условия применения, датчик заливают компаундом.

Ротор, если его необходимо специально изготавливать, выполняют из магнитомягкого материала. Количество зубцов определяется из условий эксплуатации. Зазор между статором и ротором должен быть минимально возможным. Сигнал с датчика поступает на вход простой электронной схемы (рис.

8), усиливающей и формирующей сигнал для дальнейшего применения в аналоговой или цифровой форме. Следует упомянуть еще одну особенность подобных датчиков.

Они могут считывать сигнал не только от специального ротора, это могут быть зубья шестерни или даже крепежные болты на вращающейся детали.

Литература:

1. Бун Б. Электроника на автомобиле. — М.: Транспорт, 1979. 2. Цифровые и аналоговые микросхемы. Справочник. — М.: РиС, 1989. 3. 750 электронных практических схем. Сборник, 1987.

И.СЕМЕНОВ г.Дубна РЛ №3, 2000

Замена датчиков

Как я уже писал, есть принципиально 4 вида датчиков с транзисторным выходом, которые подразделяются по внутреннему устройству и схеме включения:

Имитатор индуктивного датчика системы зажигания мотоцикла

Индукционный датчик своими руками

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.

Пациент

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

Блок зажигания мотоцикла. Фото не мое, снимали знакомые.

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

Ротор генератора с накладками для датчика системы зажигания. Фото не мое, снимали знакомые

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.

Расположение датчика системы зажигания на мотоцикле. Иллюстрация моя

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

Форма сигнала с датчика системы зажигания мотоцикла.

Иллюстрация моя

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.

Осциллограмма сигнала с датчика во время прокрутки двигателя стартером. Фото не мое, снимали знакомые

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

Временная диаграмма сигнала с датчика зажигания. Иллюстрация моя.

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

Работа усилителя-формирователя и микроконтроллера. Иллюстрация моя.

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.

Имитатор

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…

Формирование импульсов дифференцирующей RC цепью. Иллюстрация моя.

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

Схема имитатора датчика зажигания мотоцикла. Схема моя.

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

Генерируемый микроконтроллером сигнал

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

Генерируемый имитатором сигнал. Фото с экрана осциллографа.

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.

Сделай сам
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: