Czujniki bezdotykowe - jak je dobierać?

Decydując się na czujnik bezdotykowy należy przede wszystkim określić oczekiwaną dokładność pomiaru – rozdzielczość, liniowość i powtarzalność. Wartości te powinny być dobrane tak, by w pełni odzwierciedlać wymagania aplikacji, a jednocześnie by nie wykraczały poza nie, bo prowadziłyby do nadmiernych kosztów. Określenie parametrów może znacząco ograniczyć wybór sensorów, do jednej lub dwóch technologii, ale bywa też tak, że większość z nich jest w stanie dostarczyć spełnić zebrane wymagania. Dlatego ważne jest zrozumienie zasad działania poszczególnych z nich, by móc optymalnie dobrać odpowiedni rodzaj czujnika. Nie każde z nich mogą bowiem pracować w dowolnych warunkach.

Kontaktowo – poprzez potencjometry

Klasycznym sposobem realizacji zadań pomiaru pozycji obiektów jest użycie potencjometrów. Ta kontaktowa metoda jest wciąż popularna, pomimo trendu do coraz częstszego stosowania czujników bezdotykowych. Działanie potencjometrów opiera się o pomiar spadku napięcia, który jest proporcjonalny do rezystancji ścieżki potencjometru. Im ona dłuższa, tym rezystancja, a więc i spadek napięcia większe. Zależność ta jest liniowa, a potencjometry są bardzo tanie – lub w przypadku droższych modeli – dosyć dokładne. Jednakże konieczność zapewnienia mechanicznego, ruchomego styku sprawia, że szybko się zużywają, dlatego używa się ich przede wszystkim tam, gdzie zmiany mierzonej pozycji nie są nagłe ani częste. Mogą się też uszkodzić wskutek oddziaływania wibracji oraz ekstremalnych temperatur.

Czujniki pojemnościowe

Czujniki bezdotykowe pojemnościowe wykorzystują zjawisko zmiany pojemności elektrycznej w wyniku zmian odległości pomiędzy okładkami kondensatora. Kondensator tworzą dwie płytki, pomiędzy którymi znajduje się dielektryk – np. powietrze. Rolę jednej z płytek może pełnić powierzchnia obiektu, którego pozycja jest mierzona. Czujniki tego typu mają dużą dokładność, ale mały zasięg. Stosowane są m.in. w pomiarach obciążeń i ciśnień – poprzez zmianę położenia powierzchni pod wpływem sił statycznych. Alternatywnie, w osi, w której dokonywany jest pomiar, w płytce czujnika może zostać wycięty otwór, poprzez który przechodzić będzie druga płytka przymocowana do mierzonego elementu. Pojemność wykrywana przez sensor będzie się zmieniać  w momencie, gdy ruchoma płytka będzie przechodzić przez otwór w czujniku.

Ponieważ jednak wykrywana pojemność zależy też od temperatury i wilgotności gazu pomiędzy płytkami, a nawet mogą na nią wpływać przedmioty znajdujące się w otoczeniu sensora, czujniki bezdotykowe pojemnościowe są rzadko stosowane w aplikacjach bezpieczeństwa.  Cechują się też małą liniowością charakterystyki przejściowej.

Czujniki bezdotykowe indukcyjne

Czujniki indukcyjne działają w oparciu o pomiar zmian induktancji w cewkach lub pomiar przekładni transformatora, którego rdzeń stanowi ruchomy obiekt. Obiekt ten musi móc wpływać na pole magnetyczne, w związku z czym czujniki tego typu, w przeciwieństwie np. do czujników pojemnościowych, nie są wrażliwe na zapylenie otoczenia. Przedmiot, od którego odległość jest mierzona nie musi też znajdować się w bezpośrednim „polu widzenia” – może być przesłonięty. Zaletą tych czujników jest duża niezawodność i szeroka dostępność. Niestety, są dosyć drogie i duże.

Nowością są natomiast czujniki indukcyjne wykonane w postaci płytek PCB, na których nadrukowane są uzwojenia cewek lub transformatorów. Pozwala to znacząco zmniejszyć rozmiary i koszt tego typu sensorów, a także zminimalizować rozrzuty produkcyjne związane z niedoskonałością nawijania zwojów tradycyjną metodą. Metoda ta umożliwia również umieszczanie wielu obwodów czujnikowych w jednej obudowie, co zapewnia redundancję potrzebną w systemach bezpieczeństwa.

Czujniki bezdotykowe magnetyczne

Zasada działania czujników magnetycznych jest intuicyjna i prosta do zrozumienia. Ruchomy element magnetyczny wyzwala zmiany w polu magnetycznym, które da się zmierzyć. Ponieważ ich precyzja działania nie spada w przypadku zabrudzenia, są czasem stosowane zamiast czujników optycznych. Niestety, zjawisko na którym bazują cechuje się histerezą, która utrudnia precyzyjne pomiary. Problemem może być też wpływ temperatury i urządzeń elektrycznych znajdujących się w okolicy. Są także mało odporne na nagłe wstrząsy i uderzenia.

Czujniki bezdotykowe magnetostrykcyjne

Ich działanie opiera się o wykrywanie zakłóceń pola magnetycznego, wytwarzanego w rdzeniu czujnika poprzez ruchomy magnes. Gdy magnes przechodzi w pobliżu czujnika, wyzwala się energia, którą można zmierzyć. Metody pomiaru są różne – przykładowo niektóre firmy stosują pomiar impulsu ultradźwiękowego.

Czujniki tego typu zapewniają bardzo dużą dokładność na przy pomiarach na dużych dystansach. Na krótszych odległościach precyzja pomiaru wyrażona w procentach maleje, w efekcie czego są mniej skuteczne. Przyrządy te są też wrażliwe na wszelkie wstrząsy i wibracje i wymagają kalibracji, co sprawia, że są kosztowne w aplikacji. Niestety, są także wrażliwe na zmiany temperatury.

Czujniki bezdotykowe optyczne

To bardzo liczna grupa czujników, które cieszą się dużą popularnością w przemyśle. Ich ceny są bardzo zróżnicowane, w zależności od zastosowanych elementów, długości odbieranych fal i precyzji. Są lubiane przez inżynierów ze względu na uniwersalność – wykrywają praktycznie wszystkie obiekty, niezależnie od ich kształtu, czy choćby stanu skupienia. Jedynym problemem są obiekty przezroczyste lub lustrzane, o nieodpowiednim kącie nachylenia.

Często czujniki optyczne są stosowane do budowy enkoderów, które pozwalają na pomiar pozycji obrotowej. Sensory optyczne mają bardzo duża rozdzielczość i dokładność a także są powszechnie dostępne. Niestety, łatwo można uniemożliwić ich pracę, gdy się zabrudzą. Są podatne na uszkodzenia mechaniczne i na skrajne temperatury. W wyniku nawet małych uszkodzeń zupełnie przestają działać.