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Näherungssensoren gehören zu den grundlegenden Sensortypen, die hauptsächlich in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden. Finde heraus, wie du sie mit dem Arduino verwenden kannst!
Induktive Sensoren - Aufbau und Funktionsweise
Induktive Sensoren sind eine Untergruppe der Näherungssensoren, die das Vorhandensein von metallischen Objekten berührungslos (d. h. ohne physischen Kontakt zwischen dem Sensor und einem Objekt, z. B. einem Hindernis) erkennen können.
Sie arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und ihre Einsatzmöglichkeiten sind äußerst vielfältig – sie reichen von der Industrieautomation bis zur Robotik, mehr noch: Sensoren in Sonderbauformen können auch in Konstruktionen in vielen anderen Bereichen eingesetzt werden.
Der induktive Sensor besteht aus einer Spule, die in einen Resonanzkreis eingebaut ist, der mit einem elektronischen Oszillator zusammenarbeitet. Nähert sich ein Metallgegenstand der Spule, erzeugt das Magnetfeld der Spule Wirbelströme in ihr.
Diese erzeugen ihrerseits ein eigenes Magnetfeld, das mit dem primären Magnetfeld der Spule interagiert und eine Änderung der Impedanz und damit eine Abweichung des Stromkreises von seiner Grundresonanzfrequenz bewirkt. Die Erkennung einer solchen Veränderung wird von den Sensorschaltkreisen als Vorhandensein eines Objekts innerhalb des Sensorbereichs interpretiert. Wichtig dabei ist, dass das zu erfassende Objekt den Sensor nicht berühren muss, und die Entfernung, in der der Sensor ein Hindernis “erfassen” kann, hängt von der Größe des Objekts und der Art des Materials ab, aus dem es besteht, und auch von der Konstruktion des spezifischen Sensormodells.
Bitte beachten Sie, dass induktive Sensoren nur für metallische Gegenstände empfindlich sind! Nichtleitende Materialien wie Holz, Kunststoff oder Glas verhindern den Fluss von Wirbelströmen und beeinflussen daher das Magnetfeld des Sensors nicht und bleiben für ihn “unsichtbar”, unabhängig vom Abstand.
Vor- und Nachteile von induktiven Sensoren
Induktive Sensoren bieten eine Reihe von Vorteilen, nicht zuletzt ihre lange Lebensdauer – sie haben keine beweglichen Teile, die verschleißen können, wie es zum Beispiel bei herkömmlichen Endschaltern der Fall ist. Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Gruppe von Bauteilen ist ihre hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit oder Ölpartikel sowie ihre Fähigkeit, bei hohen Temperaturen zu arbeiten. Viele Sensoren werden in hermetischen, robusten Gehäusen gefertigt, die einen nahezu vollständigen Schutz gegen die “brutalsten” Umwelteinflüsse bieten. Es ist jedoch zu betonen, dass – obwohl die Anwendung der Sensoren auf metallische Objekte beschränkt ist – es auch zusätzliche Faktoren gibt, die den Erfassungsbereich mehr oder weniger stark beeinflussen. Die Reichweite variiert stark und hängt unter anderem von der Art des Metalls, dem Abstand zum Objekt und sogar von dessen Form ab.
Parameter der induktiven Sensoren
Die Kataloge der industriellen induktiven Sensoren sind voll von verschiedenen elektrischen, mechanischen und umwelttechnischen Parametern, deren Erörterung es erforderlich machen würde, nur dieser einen Untergruppe von Sensoren einen wirklich umfangreichen Artikel zu widmen. Wir werden uns daher auf einige der wichtigsten Parameter konzentrieren, die die Eignung eines bestimmten Sensors für eine bestimmte Anwendung bestimmen.
- Stromversorgung – Induktive Sensoren benötigen eine Gleichstrom- (DC) oder Wechselstromversorgung (AC). Die Versorgungsspannung reicht in der Regel von 5 V bis 24 V bei DC-Modellen und bis zu 240 V bei AC-Modellen. Die sichere Verwendung des Sensors setzt voraus, dass diese Parameter eingehalten und die vom Hersteller festgelegten zulässigen Grenzwerte nicht überschritten werden.
- Ausgangstyp – bei induktiven Sensoren gibt es in der Regel Ausgänge vom Typ NPN oder PNP. Im ersten Fall schließt der Ausgangstransistor “den Stromkreis gegen Masse”, was bedeutet, dass eine extern angeschlossene Last mit der Systemmasse (der negativen Schiene der Stromversorgung) kurzgeschlossen wird, während ein Sensor mit PNP-Ausgang “von der Seite der Stromversorgung” arbeitet. – der Stromkreis wird mit dem Pluspol der Stromversorgung (z. B. +24 V) kurzgeschlossen. Wichtig ist, dass sich die Sensoren auch in der Funktionsweise des Ausgangstransistors unterscheiden – wie bei den klassischen Schaltern unterscheiden wir zwischen Sensoren mit NO (normally open) und NC (normally closed) Ausgang.
- Gehäuse – die Art des Sensorgehäuses bestimmt seine Fähigkeit, unter den gegebenen Umweltbedingungen zu arbeiten. Die meisten induktiven Sensoren sind mit einem Gehäuse in Form eines Metallrohrs mit Außengewinde (z. B. M12) ausgestattet, das in einer Stirnfläche aus Kunststoff endet. Diese Gehäuse sind resistent gegen Stöße, Feuchtigkeit, Staub, bestimmte Chemikalien, Schmiermittel usw. Schutznormen wie IP67 oder IP68 werden häufig zur Klassifizierung des Schutzgrads eines Sensors verwendet.
- Erfassungsbereich – d. h. die maximale Entfernung, die der Sensor in der Lage ist, ein “Standardobjekt” (z. B. eine Metallplatte einer bestimmten Größe) zu erfassen. Dies ist ein wichtiger Parameter, der bei der Entwicklung des Systems zu berücksichtigen ist.
- Betriebsfrequenz – bestimmt, wie schnell der Sensor auf Veränderungen reagieren kann. Die höhere Betriebsfrequenz bedeutet, dass der Sensor in der Lage ist, sich schnell bewegende Objekte zu erkennen.
- Betriebstemperatur – jeder Hersteller gibt für seine Sensoren einen Bereich zulässiger Umgebungstemperaturen an, bei denen die Komponenten ordnungsgemäß funktionieren können. Viele Sensoren sind für Temperaturen von -25 bis 70 °Cgeeignet, aber einige Modelle sind für den Betrieb unter noch extremeren Bedingungen ausgelegt.
Sensor-Interaktion mit Arduino
Der Anschluss eines induktiven Sensors an eine Arduino-Plattform ist eine relativ einfache Aufgabe und erfordert nur grundlegende Kenntnisse der Elektronik. Die folgenden Anschlüsse sind für Dreileitersensoren erhältlich:
- Stromversorgung (VCC) – Das meist braun gefärbte Stromversorgungskabel für den induktiven Sensor sollte mit der 5V- oder 12V-Versorgung auf dem Arduino-Board verbunden werden, je nach den Anforderungen des spezifischen Sensormodells.
- Masse GND – das Erdungskabel des induktiven Sensors (schwarz oder blau, je nach Ausführung); verbinden Sie es mit einem beliebigen GND-Pin auf dem Arduino-Board.
- Signal (Out) – Das Signalkabel, normalerweise blau markiert, sollte mit einer beliebigen digitalen Leitung (z.B. D5) des Arduino verbunden werden. Um das Arduino-Modul vor Beschädigungen zu schützen, wird außerdem die Verwendung eines Strombegrenzungswiderstands empfohlen. Bei Sensoren, die mit einer Versorgungsspannung von mehr als 5 V arbeiten, lohnt es sich, eine zusätzliche Begrenzung in Form einer Zener-Diode zu verwenden, die parallel zum Mikrocontroller-Eingang geschaltet ist und die Spannung auf ein sicheres Niveau “trimmt”.
Das Auslesen des Sensorzustands unterscheidet sich nicht von der Bedienung jedes anderen Sensors mit binärem Ausgang – man muss nur den entsprechenden GPIO-Pin als Eingang konfigurieren:
pinMode(nummer_pin, INPUT)
und überprüfen Sie dann den Status über die Funktion:
digitalRead(nummer_pin)
Es sei daran erinnert, dass der aktive Zustand (d. h. der Zustand, den der Sensor an den Ausgang abgibt, wenn Metall in der Nähe der Sensorfläche erkannt wird) sowohl von der Ausführung des Ausgangs (NPN oder PNP) als auch von der Betriebsart (NO oder NC) abhängt. Und noch ein wichtiger Hinweis: Es empfiehlt sich, die technischen Daten eines induktiven Sensors IMMER zu überprüfen, bevor er an ein Arduino-Board angeschlossen wird, da verschiedene Modelle unterschiedliche Anforderungen an die Stromversorgung und den Anschluss stellen können. Aus Sicherheitsgründen werden für den Arduino Sensoren mit einem Versorgungsspannungsbereich von 5 V empfohlen – solche Bauteile, wie den kompakten Näherungssensor E2S-H4N1, finden Sie im Botland-Shop.
