سنسور القایی چیست؟

سنسور القایی (Inductive proximity sensor)

در این مقاله قصد داریم به معرفی سنسورهای القایی بپردازیم. سپس نحوه عملکرد آن ها، معرفی برخی از آنها، کاربردها و راه های استفاده از آنها در اتوماسیون در این مطلب بررسی می شود. اما بد نیست قبل از شروع بررسی سنسورهای القایی، مختصر توضیحاتی در مورد سنسورهای مجاورتی ارائه دهیم و انواع آن را بررسی کنیم. 

سنسورهای مجاورتی یا Proximity Sensor ها نوعی از حسگرها هستند که قابلیت تشخیص اجسام بدون تماس با آن را دارند. این سنسورها می توانند حضور و یا فاصله اجسام را از یک مرجع مشخص تعیین کنند و با توجه به نوع، دارای اصول اندازه گیری متفاوتی هستند. انواع سنسورهای مجاورتی عبارتند از 

•    سنسورهای مجاورتی نوری (Photoelectric proximity sensor)
•    سنسورهای مجاورتی خازنی (Capacitive proximity sensor)
•    سنسورهای مجاورتی القایی (Inductive proximity sensor)
•    سنسورهای مجاورتی اولتراسونیک (Ultrasonic proximity sensor)

با توجه به هدف معرفی سنسورهای مجاورتی القایی در این مقاله، در ادامه مطالعه خود را به سنسورهای مجاورتی القایی محدود می کنیم. 

این نوع از سنسورهای غیرتماسی (Non-Contact) برای تشخیص انواع اجسام فلزی بکار می روند. اگرچه در تشخیص فلزات آهنی (ferrous metal) حساسیت بیشتری از خود نشان می دهند و بازه اندازه گیری بیشتری دارند. فلزاتی که معمولا به وسیله این سنسور تشخیص داده می شوند عباتند از فولاد، آلومینیوم، برنج و مس. 

اجزاء تشکیل دهنده سنسورهای مجاورتی القایی 

اجزاء تشکیل دهنده سنسورهای مجاورتی القایی عبارتند از هسته فلزی (Core) به همراه سیم پیچ، نوسان ساز (Oscillator)، مدار اشمیت تریگر (Schmitt Trigger Circuit) و یک تقویت کننده در خروجی. همچنین یک چراغ در نزدیکی ورودی کابل ها وجود دارد با نام چراغ اندیکاتور که هنگامی که جسم در مجاورت صفحه سنسور قرار می گیرد، شروع به چشمک زدن می کند. کابل های متصل به سنسور شامل رنگ های آبی، مشکی و قهوه ای هستند که در برخی سنسورهای القایی به سنسور پیوست شده اند.

نحوه عملکرد سنسورهای مجاورتی القایی

این سنسورها نیز بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی کار می کنند. در اثر برقراری جریان الکتریکی در سیم پیچ، یک میدان الکترومغناطیسی متناوب در اطراف آن به وجود می آید. این میدان الکترومغناطیسی زمانی که در مجاورت جسم فلزی قرار می گیرد دارای جریان های گردابی (Eddy Current) می شود که این جریان های گردابی مخالف جهت میدان مغناطیسی ایجاد شده هستند و باعث تغییر جریان سیم پیچ و نهایتا تغییر در جریان خروجی متناسب با میزان فاصله از جسم فلزی می شود.

برخی از انواع سنسورهای مجاورتی القایی

این سنسورها در پیکربندی های مختلفی موجود هستند. آن ها می توانند:

•    AC یا DC
•    دارای محافظ (Shielded) یا بدون محافظ (Unshielded)
•    نرمال باز (Normally Open) یا نرمال بسته (Normally Close) 
•    NPN یا PNP 
باشند. صفحات این سنسورها با توجه به این که دارای محافظ هستند یا خیر، دارای محافظ (Shielded) یا بدون محافظ (Unshielded) هستند. همچنین با توجه به این که به صورت نرمال و در حالت عادی باز یا بسته باشند به ترتیب نرمال باز (Normally Open) یا نرمال بسته (Normally Close) می باشند. در نوع NPN این سنسورها دو پایه منفی (Negative) و یک پایه مثبت (Positive) و در نوع PNP دو پایه مثبت و یک پایه منفی وجود دارد که دو کابل از آن ها باید به منبع تغذیه و ولتاژ بین کابل مشترک و کابل دیگر معرف خروجی سنسور است.

این سنسورها همچنین بر اساس محیط مورد استفاده، برای محیط های خطرناک (Hazardous)، دما بالا (High Temperature) و شست و شو (Washdown) ساخته می شوند. برای محیط های شست و شو، سنسورهای القایی دارای محافظ نیاز است.

متریال های استفاده شده در سنسورهای مجاورتی القایی

متریال های استفاده شده در اینن تجهیزات عبارتند از:

1.    هسته فرومگنتیک (Ferromagnetic core) 
2.    سیم پیچی مسی (Copper Coil)
3.    بدنه این تجهیزات از مواد غیر مگنتیک مثل پلاستیک و فولاد زد زنگ ساخته شده است

کاربردهای سنسورهای مجاورتی القایی 

در این قسمت به برخی کاربردهای این سنسورها در صنعت و اتوماسیون می پردازیم. حسگرهای القایی در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، بسته بندی، صنایع غذایی و تولیدات صنعتی کاربرد دارند. کاربردهای عمومی این سنسور عبارت است از استفاده در سیستم های اتوماسیون، سیلندرها، بالابرها و کنترل درایوهای فرکانس متغیر (Variable-frequency drive). در ادامه هریک از این کاربردها توضیح داده می شوند. 
این سنسورها در سیستم های اتوماسیون در کانوایرها برای شمردن محصول، در ربات ها برای تشخیص فاصله ربات از قطعه و در بالابرها زنجیری برای تشخیص بالا بودن و یا پایین بودن پالت ها کاربرد دارند. این کار به وسیله دو سنسور در بالا و پایین قابل انجام است.از این سنسورها در سیلندرها برای تشخیص وضعیت پیستون استفاده می شود. در پیستون ها امکان استفاده از لیمیت سوییچ وجود ندارد؛ چراکه دسترسی مستقیم به داخل سیلندر نیست و باید به روش های القایی و توسط دو سنسور القایی در دو انتهای آن، وضعیت پیستون مشخص شود.

در صفحه گردان ها (Turntable) چرخش به وسیله یک چرخ دنده انجام می شود که این چرخدنده متصل به موتور است و موتورنیز توسط یک درایو فرکانس متغیر کنترل می شود. این چرخه کنترلی برای تکمیل شدن نیاز به یک المان جهت ایفای نقش فیدبک را خواهد داشت. این المان می تواند یک سنسور القایی باشد که توسط آن مثلا میتوان مشخص کرد که چه زمانی موتور آهسته تر بچرخد یا کاملا بایستد.

مزایای استفاده از سنسورهای مجاورتی القایی

مزایای  بسیار بالایی در استفاده از این تجهیزات در صنعت وجود دارد به عنوان نمونه می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1.    عملکرد غیر تماسی: سنسورهای القایی بدون هیچگونه تماس فیزیکی با شیء عمل می کنند که خطر آسیب رسیدن به سنسور و یا شیء را حذف می کند. در مواردی که تماس فیزیکی با شیء امکان پذیر نیست و یا شیء مورد نظر بسیار ظریف و آسیب پذیر است، استفاده از سنسورهای القایی مناسب ترین گزینه است. 
2.    قابلیت اطمینان بالا: سنسورهای القایی بدلیل نداشتن هیچگونه قسمت متحرک و عدم تاثیرپذیری از گرد و غبار، کثیفی و فاکتورهای محیطی دیگر بسیار قابل اطمینان هستند. آن ها همچنین کمتر از دیگر سنسورها از دمای محیط تاثیر می پذیرند.
3.    بازه سنس گسترده: سنسورهای القایی بازه سنس گسترده ای را دارا هستند که باعث می شود تشخیص وجود شیء در فواصل نسبتا خوبی را انجام دهند.
4.    زمان پاسخ سریع: سنسورهای القایی زمان پاسخ بسیار سریعی دارند که معمولا در بازه های میکروثانیه است. این امر آن ها را برای کاربردهای سرعت بالا که به تشخیص سریع نیاز دارند، مناسب می سازند.
5.    تنوع پذیری: سنسورهای القایی می تواند بازه گسترده ای از فلزات آهنی و غیر آهنی را تشخیص دهند و در کاربردهای متنوعی نظیر تشخیص شیء، تشخیص سطح مخازن و تشخیص سرعت و موقعیت بکار می رود.
6.    راحتی نصب: این سنسورهای به راحتی قابل نصب بوده و نگهداری و تعمیرات بسیار پایینی را احتیاج دارند.

معایب سنسورهای مجاورتی القایی 

این سنسورها اگرچه دارای مزایای بسیاری هستند ولی دارای معایبی نیز هستند که باید در نظر گرفته شود. 
1.    محدودیت تشخیص فقط برای اجسام فلزی: سنسورهای القایی فقط برای تشخیص اجسام فلزی طراحی شده اند و کاربردی در تشخیص اجسام غیر فلزی ندارند. این امر کاربردشان را در برخی موارد که نیاز به سنس اجرام غیر فلزی است محدود می کند. 
2.    محدودیت در سنس اجسام غیر آهنی (Non-ferrous): همانگونه که گفته شد این سنسورها در تشخیص اجسام فلزی غیر آهنی مانند مس و آلومینیوم نیز محدود می شود و فواصل زیادی را در این اجسام نمیتوانند سنس کنند.
3.    حساسیت به تداخل الکتریکی: این تجهیز در مجاورت وسایل الکتریکی نباید قرار بگیرد. چراکه تداخل الکتریکی و مغناطیسی با این تجهیزات باعث کاهش دقت این سنسورها می شود.
4.    حساسیت دمایی: حساسیت دمایی اگرچه در این سنسورها نسبت به باقی سنسورها کمتر است، اما دماهای بسیار بالا در عملکرد آن های تداخل ایجاد می کند.
5.    این سنسورها در تشخیص اجرام کوچک دقت خوبی ندارند. 
6.    هزینه: سنسورهای مجاورتی القایی دارای هزینه نسبتا بالایی دارند.

معروف ترین مدل ها

مدل های مطرح سنسورهای مجاورتی القایی عبارتند از:

1.    Balluff BES series
2.    Pepperl+Fuchs NJ series
3.    Turck BI series
4.    Sick IM series
5.    Omron E2E series