С благодарностью к моим наставникам и учителям
Андрею Павловичу Габову, Александру Петровичу Балковому -
научным сотрудникам Московского энергетического института,
а так же Ивану Семёновичу Пинчуку профессору,
Валерию Васильевичу Макарову доценту Челябинского
политехнического института им. Ленинского комсомола.
Безмерно благодарен им, настоящим инженерам и чутким,
талантливым людям, за то, что дали свои знания, делились своим
опытом, показали необъятные горизонты электротехники.

С.Н. Рыжов.

Так что же это за “хитрость” – индуктивный датчик приближения ?

Рассматриваются принцип действия, схемотехника, особенности двух типов индуктивных датчиков приближения – генераторного и резонансного. Даётся краткая характеристика современного европейского рынка индуктивных датчиков приближения.

Working principles, schematics and special features of two type inductive proximity sensors – the generator sensor and the resonance sensor, are described. Modern European market of inductive proximity sensors is briefly described in this article.

Первая публикация статьи: журнал «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.» – Москва, 2005.- №12.-      с.36-39.

Небольшие дополнения к статье сделаны автором в ноябре 2021 года.
 

В 50-е годы ХХ века, в эру дискретных корпусных электронных компонентов, была разработана оригинальная генераторная схема, выполненная всего на четырёх-пяти транзисторах, которая успешно применяется до сих пор и положила начало производству миллионными тиражами малогабаритных индуктивных датчиков, основное назначение которых – создавать логический (бинарный) электрический сигнал, когда металлический предмет (target – мишень) приближается к датчику на малое расстояние (обычно это расстояние составляет от долей миллиметра до ста миллиметров).

Эти индуктивные датчики оказались очень доступным, простым, надёжным, дешёвым элементом систем управления приводов, станков, автоматических линий, систем измерения физических величин. Пожалуй, десятки, если не сотни, фирм по всему миру выросли на производстве этих элементов АСУТП – индуктивных датчиков приближения.

Интересен вопрос приоритета на изобретение индуктивного датчика. Несколько компаний-производителей указывают на своих сайтах, что они были первыми, однако, ни одна из компаний не даёт прямой ссылки, например, на патент, публикацию или какой-то иной документально зафиксированный факт. Очевидно, что в 50-е годы ХХ века многие компании занимались новым тогда направлением в электротехнике – применением полупроводников. Когда происходили первые разработки полупроводниковых датчиков, ещё не устоялась терминология. Сложности в понимании приоритета возможны и по этим причинам.

Наиболее обстоятельную информацию по истории создания своего первого индуктивного датчика даёт компания Pepperl + Fuchs. Компания указывает, что авторами изобретения являются двое специалистов: Вальтер Пепперл (1921-2000 гг.) радиоинженер, сохозяин вышеназванной компании, и инженер Вилфрид Гель (1927-2017 гг.), сотрудничавшие в те годы. Указывается год изобретения - 1958 г.

Наиболее ранний патент, найденный автором настоящей статьи, на индуктивный датчик датируется 1961 годом. Авторами патента указаны Вилфрид Гель и Вальтер Пепперл, заявитель компания Pepperl + Fuchs.

(Дополнение автора, ноябрь, 2021 г.).

В США в 1990 г., по крайней мере, 35 компаний занималось производством подобных датчиков [1]. По оценкам журнала “Control Engineering Europe” [2] глобальный рынок датчиков приближения оценивался в 2002 г. в 2,7 млрд. Евро и его рост составляет 5 % в год (имеется в виду весь рынок датчиков приближения: индуктивных, оптических, ёмкостных, ультразвуковых, магнитных), а европейский рынок датчиков приближения – в 1 млрд. Евро. По мнению этого журнала, главными производителями электронных датчиков приближения являются фирмы: 
ABB, Balluff, Banner, Baumer Electric, Bernstein, Carlo Gavazzi, Datasensor, ifm electronic, Leuze, Pepperl+Fuchs, Schmersal, 
Schneider, Sick, Siemens, Turck (приведены в алфавитном порядке).

Хорошо видно, что костяк составляют немецкие фирмы, и это является одним из “кирпичиков” лидерства немецкого машиностроения в мире. Если сузить этот список до тройки самых главных производителей индуктивных датчиков в Германии, то места распределятся так: 1-е место ifm  electronic; 2-е место Pepperl+Fuchs; 3-е место Balluff.

В 2010-м году компания Siemens продала весь свой бизнес по производству датчиков приближения компании Pepperl + Fuchs. Состоялись и иные слияния и поглощения как на европейском, так и на американском рынках в первые 20 лет XXI века. Кроме того, укрепились позиции и наработался опыт у японских, корейских, китайский, турецких, индийских, российских, бразильских производителей. Таким образом, не исключено, что спустя первые 20 лет XXI века картина мирового рынка датчиков несколько изменилась.  

(Дополнение автора, ноябрь, 2021 г.).

Фирмы, специализирующиеся на производстве индуктивных датчиков, выпускают огромный ассортимент, насчитывающий до тысячи и более типоразмеров. Некоторые эксплуатационные и технические параметры индуктивных датчиков приближения указывают на совершенство технологии фирмы-производителя:

-датчики размещаются в корпусах диаметром 3 мм с полным набором функций (встроенный светодиод, защита выхода от короткого замыкания и неправильного подключения питания, степень защиты корпуса не ниже IP 67);

-датчики имеют цельнометаллический корпус, т. е. чувствительная поверхность датчика закрыта металлом;

-высокая степень защиты (герметизации) корпуса, например, IP 68, IP 69K. При защите IP 69K датчик вместе с электрическим разъёмом можно обрабатывать горячими водяными брызгами под давлением (до 100 бар);

-выпуск датчиков с так называемым корректирующим фактором, равным 1. То есть датчик, практически, на одинаковых расстояниях определяет приближение к нему разных металлов : углеродистой стали, нержавеющей стали, меди, алюминия и др.;

-выпуск датчиков с аналоговым выходом, когда на выходе датчика создаётся измерительный аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию между датчиком и предметом;

-выпуск датчиков, выдерживающих высокие давления (200, 300, 500 бар и более);

-выпуск датчиков, работающих при очень низких (до -60 °С) или очень высоких (до +180…250 °C) температурах;

-максимальная частота переключения выходного бинарного (релейного) сигнала 5, 7, 10 кГц.

Надёжность серийных индуктивных датчиков такова, что специальные их исполнения применяются в наиболее ответственных местах, связанных с безопасностью людей: опасные для персонала ТП или, например, в АСУ современными канатными дорогами.

Технология производства датчиков настолько отработана, что фирмы-производители гарантируют сроки эксплуатации до трёх-пяти лет. Например, фирма ifm electronic указывает о пятилетней  гарантии в своих каталогах. Сроки службы датчиков могут составлять 20 лет и более. Причём, это уже проверено на практике, поскольку по сей день работают целые производства, закупленные комплектно в Германии в 80-х годах ХХ века и снабжённые такими датчиками.

Схемотехника современных индуктивных датчиков приближения разнообразна и может значительно отличаться от своих “прародителей” середины ХХ века. Например, для автоматизации управления больших технологических комплексов или сложных машин требуется устанавливать десятки и сотни индуктивных и иных датчиков. В этом случае ощутимую выгоду на линиях связи может дать новое поколение двухпроводных датчиков с интерфейсом AS-i (actuator – sensor interface), когда к одной двухпроводной медной шине подключаются до 248 датчиков. При этом, по одной и той же шине проходит электропитание датчиков, исполнительных механизмов и получение информации с датчиков [3]. По существу, один датчик с AS-i интерфейсом – это микроконтроллер со своей системой передачи данных.

За последние годы производители начали выпускать индуктивные датчики с такими функциональными особенностями :

-индуктивные датчики со встроенным IO-Link интерфейсом. Вероятно, этот интерфейс будет более всего удачен для датчиков, которые требуется перенастраивать дистанционно. IO-Link есть неадресуемый, двунаправленный интерфейс. Имея соответствующее оборудование (концентраторы, коммутаторы, шлюзы, контроллеры с выходом в интернет, радиооборудование и т.д.), можно считывать полезную информацию с датчика и перенастраивать датчик на любом расстоянии от датчика. Налицо тенденция к росту ассортимента IO-Link датчиков у очень многих европейских производителей индуктивных датчиков. Очевиден факт распространения интернета вплоть до отдельного конкретного датчика. Судя по всему, на очереди внедрение уже беспроводных IO-Link датчиков, а так же датчиков иных беспроводных интерфейсов;

-индуктивные датчики безопасности, создающие контур безопасности для персонала, работающего вблизи опасного технологического оборудования, а так же для других задач, требующих особо надёжных выходных сигналов. Такие датчики имеют дублированную систему считывания полезного сигнала. Надёжность таких датчиков кратно выше надёжности традиционных одноканальных датчиков;

-аналоговые индуктивные датчики с разрешением лучше 1 микрона.

(Дополнение автора, ноябрь, 2021 г.).

Но всё же, оригинальность генераторной схемы -“первоисточника” современных индуктивных датчиков приближения, богатство функциональных возможностей схемы, её простота впечатляют. Рассмотрим эту схему, оценим с чего всё начиналось, откуда “поднялись” несколько российских, а ещё раньше – множество зарубежных фирм.

                   

Один из вариантов этой схемы изображён на рис. 1 и взят из работы [4]. “Гвоздь” схемы – генератор колебаний на транзисторной сборке VT1 с двухобмоточным индуктивным чувствительным элементом. Параметры двух индуктивных катушек, уложенных на один сердечник, конденсаторы и резисторы рассчитываются и подбираются так, что при подключении питания в генераторе самопроизвольно возникают колебания. Причём, достоинство генератора – в способности к колебаниям в очень широком диапазоне питающих напряжений. Отсюда и получается широкий диапазон допустимых напряжений питания во многих индуктивных датчиках: 10…30 В постоянного тока. Конструктивное исполнение катушек индуктивности может быть самое разнообразное: обмотки, уложенные в броневой сердечник; обмотки, намотанные на сердечник произвольной формы; два стандартных сердечника типа ДМ, соединённые между собой; просто обмотки без сердечников. Сердечники лишь концентрируют, перераспределяют в пространстве около обмоток потоки рассеяния. Большинство изготовителей применяют сердечник-“чашку”, чтобы бóльшую часть потоков сконцентрировать в открытой области “чашки”. Здесь и будет наблюдаться максимальная чувствительность генератора к приближению металлов. Однако, главное – подобрать параметры колебательного контура так, чтобы обеспечивалось возникновение колебаний при включении питания.

Теперь, если к катушкам близко поднести металлический предмет или любой материал (мишень), в котором могут наводиться вихревые токи, то способность колебательного контура к колебаниям резко падает из-за взаимоиндукции катушек и мишени. Если продолжить сближение катушек с мишенью, колебания практически прекратятся или их амплитуда уменьшится в несколько раз. Таким образом, чувствительность генератора к приближению металлического или магнитного материала очень высока, что также является важным достоинством схемы. На коллекторе 7 транзисторной сборки уже присутствует демодулированный сигнал, который поступает на компаратор – триггер Шмитта на транзисторах VT2, VT3. Поскольку на коллекторе 7 имеется аналоговый сигнал, находящийся в функциональной зависимости от расстояния между катушками и приближающимся предметом, его можно использовать для измерительных целей, т. е. определения этого расстояния. Компаратор создаёт релейный (бинарный) усиленный выходной сигнал.

Генераторной схема названа потому, что чувствительным элементом схемы является генератор: есть колебания в генераторе - мишень находится вне чувствительной зоны катушек, колебания нарушились – мишень находится внутри чувствительной зоны. Светодиод VD1 будет светиться и к нагрузке будет прикладываться напряжение питания, когда мишень приближена к чувствительному элементу. Фирмы теперь уже, практически, не выпускают датчиков без встроенных в корпус индикаторных светодиодов. Такой светодиод в выходной цепи удобен при монтаже датчика и контроле его работоспособности. В случае индуктивного характера (например, реле) нагрузку следует шунтировать диодом VD3, чтобы ликвидировать паразитные всплески в выходном сигнале датчика. Диод VD2 выполняет важную функцию защиты всей схемы от неправильной полярности питания. Недостатком такой генераторной схемы индуктивного датчика приближения является разное расстояние переключения датчика для разных материалов мишени – так называемый, коэффициент редукции. Производители приводят его в своих каталогах обычно для материалов из стали, алюминия, латуни.       

                        

Авторами статьи в Московском Энергетическом институте (1988 г.) был разработан иной индуктивный датчик приближения, работающий на резонансном принципе, т. е. индуктивный датчик малых перемещений [5]. Резонансный принцип действия для чувствительных элементов фотодатчиков был предложен ещё раньше и хорошо показал себя в измерительном электронном оборудовании для Московской Олимпиады (1980 г.).

Принципиальная схема резонансного индуктивного датчика приближения приведена на рис. 2. Чувствительным элементом датчика является катушка с сердечником L1, которая вместе с конденсатором С1 составляет параллельный резонансный контур, запитываемый от R-C генератора несущей частоты.

На рис. 1 чувствительный элемент (две катушки с сердечником) является составной частью генератора несущей частоты. В двух описываемых схемах форма колебаний (синусоидальные, прямоугольные или иные) большого значения не имеет. В резонансной схеме (см. рис. 2) несущие колебания создаются регулируемым RC генератором, состоящим из двух элементов микросхемы 564ЛН2. Несущие колебания через разделительный резистор R2 поступают в резонансный контур L1-C1. Частота резонанса контура должна быть в пределах регулировки генератора резистором R1. На частоте резонанса внутреннее сопротивление параллельного резонансного контура наибольшее. Поэтому, амплитуда на затворе полевого транзистора VT1 максимальная. Реальный L-C контур имеет и боковые резонансы, но амплитуда колебаний напряжения в контуре при боковых резонансах значительно меньше, чем на частоте основного резонанса.

Генератор настраивается резистором R1 на частоту колебаний, при которой напряжение на входе компаратора максимальное (в отсутствии мишени вблизи чувствительного элемента). Поскольку внутреннее сопротивление L-C контура значительное, то применяется в качестве усилителя именно полевой транзистор, имеющий большое входное сопротивление. После усилителя сигнал детектируется диодом VD2 и фильтруется фильтром R4-C3. Таким образом, на входе компаратора существует сигнал постоянного напряжения.

В отсутствии мишени у чувствительного элемента сигнал напряжения на входе компаратора максимален и составляет 3…4 В. После сближения активного чувствительного элемента и мишени, например, из углеродистой стали, в материале мишени будут наводиться вихревые токи, которые начинают взаимодействовать с чувствительным элементом индуктивного датчика. Вследствие этого, нарушается резонанс, уменьшается амплитуда напряжения на L-C контуре, уменьшается напряжение на выходе фильтра и на входе компаратора.

Если продолжается сближение чувствительного элемента и мишени, то уменьшение напряжения на входе компаратора составит 1,5…2 В. Компаратор построен на двух элементах микросхемы 564ЛН2. Пороги переключения компаратора и ширина гистерезиса устанавливаются величинами сопротивлений резисторов R5, R6, R7. Гистерезис компаратора устанавливает гистерезис датчика. При сближении датчика и мишени происходит переключение выхода компаратора из логического нуля в логическую единицу. При удалении мишени происходит обратное переключение компаратора. При указанных номиналах элементов схемы включение датчика происходит на расстоянии около 1,5 мм от поверхности стальной мишени, выключение – на расстоянии около 2,5 мм от той же поверхности. Резистор R9, находящийся в коллекторной цепи выходного транзистора VT2, выполняет функцию защиты от токовых перегрузок выхода, препятствует протеканию чрезмерного выходного тока. В случае индуктивного характера нагрузки датчика (например, реле) диод VD3 будет подавлять броски напряжения в нагрузке. Диод VD1 является защитой при неправильном подключении полярности питания к датчику. В коллекторной цепи выходного транзистора, при необходимости, может быть включён светодиод с резистором для визуального контроля состояния выхода индуктивного датчика.

Таким образом, рассмотренный индуктивный датчик вырабатывает бинарный сигнал высокого уровня при сближении с мишенью и низкого уровня – при удалении от мишени. Кроме того, в измерительных целях может быть использован выходной аналоговый сигнал индуктивного датчика, который снимается с фильтра. Этот сигнал монотонно изменяется при сближении чувствительного элемента и мишени. Установлено, что при расстояниях между датчиком и мишенью до 1 мм выходной аналоговый сигнал изменяется практически линейно. Изменение аналогового сигнала составляет не менее 2 В (от состояния, когда нет стальной мишени, до состояния, когда мишень и датчик соприкасаются). Схема обладает хорошей термостабильностью. Расстояние переключения индуктивного датчика с мишенями из разных металлов, практически, не изменяется, т. е. коэффициент редукции близок к единице.

В данном схемотехническом решении генератора, несущая частота, а, значит, амплитуда напряжения на L-C контуре, существенно зависят от стабильности напряжения питания. Поэтому, реальный допуск на изменение питающего напряжения не должен быть более ± 5 %.

Очевидно, что схемотехника генератора несущей частоты, компаратора и выходного усилителя может быть весьма разнообразной и, даже более термостабильной и нечувствительной к изменениям напряжения питания, чем описанные. Однако, резонансный чувствительный контур, простой усилитель на полевом транзисторе, детектор, фильтр, т. е. основа датчика, очень просты, оригинальны, надёжны и не требуют никаких подстроек.

Итак, рассмотрены две принципиальные схемы для построения индуктивных датчиков приближения. Каждая из них имеет свои достоинства. Вероятно, резонансная схема имеет больший потенциал для реализации по гибридной или интегральной технологии.

В заключении следует отметить, что западноевропейские лидеры в этой области постоянно патентуют всё новые и новые индуктивные датчики, ссылки на которые регулярно появляются в отечественных реферативных журналах электротехнической тематики. Новшества касаются как схемотехники, так и конструкции датчиков. В России работают две-три электротехнические компании по производству датчиков, использующих, в основном, первую (генераторную) схему.

Их интернет-сайты приводятся в конце статьи [6, 7]. Заинтересованному читателю рекомендуем просмотреть сайт немецкой фирмы ifm electronic [8], один из значимых в этой области.

Количество российских компаний-производителей бинарных датчиков увеличилось и уже более десятка. (Дополнение автора, ноябрь, 2021 г.).

Связь с автором :  vybor-sensor@yandex.ru  

Список источников:

1.Sensors expo // Sensors. September 1990.

2.Интернет-документ www.manufacturing.net/ctl

3.Интернет-документ www.as-interface.net

4.Колотов А. Бесконтактный прерыватель электронной системы зажигания // Радио. 1993. № 11.

5.Габов А.П., Рыжов С.Н. Индуктивный конечный датчик в электроприводе // Всесоюзная науч.-техн. конф. “Следящие электроприводы пром. установок, роботов и манипуляторов”: Тез. докл. Челябинск, 1989.

6.Интернет-документ www.sensor-com.ru

7.Интернет-документ www.mega-k.com

8.Интернет-документ www.ifm.com