Nozioni di base sui sensori di prossimità: selezione e utilizzo nell'automazione industriale

Molte applicazioni di automazione industriale (AI) richiedono la capacità di percepire la presenza e/o la posizione di un oggetto o di una persona senza contatto fisico per evitare di costringere o limitare il movimento dell'oggetto rilevato. Il sensore di prossimità è ideale per questo. I sensori di prossimità disponibili sono molto diversi - magnetici, capacitivi, induttivi e ottici - e la composizione materiale dell'oggetto da rilevare può influenzare la capacità di un sensore di rilevarne la presenza.

Alcuni sensori di prossimità sono utili per rilevare i metalli ferrosi, altri possono rilevare qualsiasi tipo di metallo e altri ancora possono rilevare qualsiasi tipo di oggetto e persino le persone. I potenziali utenti dei sensori di prossimità in un'applicazione AI devono essere consapevoli dei vari tipi di tecnologia dei sensori di prossimità e della loro applicabilità a specifiche situazioni di rilevamento.

Questo articolo discute diversi tipi di sensori e fornisce dettagli sui tipi di oggetti che possono rilevare e sulla sensibilità spaziale di ogni tipo. Saranno portati come esempio dispositivi di Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse, Inc., Omron Electronics, Inc., MaxBotix, Inc. e Carlo Gavazzi, Inc..

Sensori di prossimità induttivi

I sensori di prossimità induttivi rilevano la presenza di oggetti conduttivi (cioè metallici) e hanno un campo di rilevamento che dipende dal tipo di metallo rilevato. Questi sensori funzionano utilizzando un campo magnetico ad alta frequenza generato da una spira in un circuito di oscillazione. Un bersaglio conduttivo che si avvicina al campo magnetico ha un'induzione o una corrente parassita indotta, creando un campo magnetico opposto che riduce efficacemente l'induttanza del sensore induttivo.

I sensori di prossimità induttivi funzionano secondo due metodi. Nel primo metodo operativo, quando il bersaglio si avvicina al sensore, il flusso di corrente induttiva aumenta, che fa aumentare il carico sul circuito di oscillazione causando l'attenuazione o l'arresto dell'oscillazione. Il sensore rileva questo cambiamento nello stato di oscillazione con un circuito di rilevamento dell'ampiezza ed emette un segnale di rilevamento.

Uno schema operativo alternativo utilizza un cambiamento nella frequenza, piuttosto che nell'ampiezza, dell'oscillazione risultante dalla presenza di un bersaglio conduttivo. Un bersaglio di metallo non ferroso come l'alluminio o il rame che si avvicina al sensore fa aumentare la frequenza di oscillazione, mentre un bersaglio di metallo ferroso come il ferro o l'acciaio la fa diminuire. Il cambiamento della frequenza di oscillazione rispetto a una frequenza di riferimento causa il cambiamento di stato dell'uscita del sensore.

LDC0851HDSGT di Texas Instruments è un esempio di sensore induttivo di prossimità a distanza ravvicinata che utilizza la variazione di frequenza per rilevare la presenza di un oggetto conduttivo all'interno del suo campo elettromagnetico (Figura 1).

Figura 1: Il sensore di prossimità induttivo LDC0851HDSGT utilizza due spire induttive - una di rilevamento e una di riferimento - per misurare la differenza di induttanza dovuta a un oggetto bersaglio vicino alla spira di rilevamento. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

L'interruttore di prossimità induttivo LDC0851 è ideale per applicazioni di rilevamento di prossimità senza contatto come il rilevamento della presenza, il conteggio degli eventi e semplici pulsanti in cui il campo di rilevamento è inferiore a 10 mm (0,39 pollici). Il dispositivo cambia lo stato dell'uscita quando un oggetto conduttivo si muove nelle immediate vicinanze della spira di rilevamento. L'implementazione differenziale (l'uso di una spira di rilevamento e una di riferimento per determinare l'induttanza relativa del sistema) e l'isteresi sono utilizzate per garantire una commutazione affidabile immune da vibrazioni meccaniche, variazioni di temperatura o effetti dell'umidità.

Le spire di rilevamento induttivo LDC0851HDSGT sono regolate con un singolo condensatore, che imposta la frequenza di oscillazione nell'intervallo da 3 a 19 MHz. L'uscita push-pull è nello stato basso quando l'induttanza di rilevamento è inferiore all'induttanza di riferimento e ritorna allo stato alto quando è vero il contrario.

Sensori magnetici di prossimità

Utilizzati per misurare la posizione e la velocità dei componenti metallici in movimento, i sensori magnetici di prossimità possono essere dispositivi attivi, come un sensore a effetto Hall, oppure passivi come un sensore a riluttanza variabile (VR) come la versione filettata MP62TA00 di Red Lion Controls (Figura 2, a sinistra). Il sensore di prossimità VR misura i cambiamenti di riluttanza magnetica - analoga alla resistenza elettrica in un circuito elettrico - e consiste in un magnete permanente, un pezzo polare e una spira di rilevamento racchiusa in una cassa cilindrica.

Figura 2: Il sensore magnetico VR (a sinistra) è un sensore passivo che rileva il cambiamento del campo magnetico tra il pezzo polare e la cassa del sensore (a destra). (Immagini per gentile concessione di Art Pini, con immagine MP62TA00 di Red Lion Controls)

Un oggetto ferromagnetico che passa vicino al pezzo polare provoca una variazione del campo magnetico. Questa variazione genera a sua volta una tensione di segnale nella spira del segnale. L'ampiezza della tensione del segnale dipende dalla dimensione dell'oggetto bersaglio, dalla sua velocità e dalla dimensione dello spazio tra il pezzo polare e l'oggetto. L'oggetto bersaglio deve essere in movimento per essere rilevato dal VRS. Il sensore magnetico filettato MP62TA00 è un sensore VR di prossimità incapsulato in resina epossidica con un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +107 °C. È lungo 25,4 mm con un corpo filettato ¼ - 40 UNS.

I sensori VR sono dispositivi passivi, quindi non hanno bisogno di una fonte di alimentazione. Di conseguenza, sono comuni nella misurazione di macchine rotanti. Ad esempio, i sensori VR come MP62TA00 sono ampiamente utilizzati per rilevare il passaggio dei denti su un ingranaggio, una ruota dentata o una cinghia di distribuzione in materiale ferroso. Possono anche essere utilizzati per rilevare teste di bulloni, chiavette o altri bersagli metallici in rapido movimento (Figura 3).

Figura 3: I sensori VR sono ampiamente utilizzati per rilevare i denti degli ingranaggi, le camme e le chiavette nelle macchine rotanti. (Immagine per gentile concessione di Red Lion Controls)

Sono impiegati come tachimetri per misurare la velocità di rotazione e sono anche applicati in coppia per misurare l'eccentricità dell'albero rotante.

Il secondo tipo di sensore magnetico utilizza l'effetto Hall per rilevare la presenza di un campo magnetico. L'effetto Hall descrive l'interazione tra un conduttore elettroportante e un campo magnetico perpendicolare al piano del conduttore. Quando un conduttore elettroportante viene posto in un campo magnetico si genera una tensione (tensione di Hall) perpendicolare sia alla corrente che al campo. La tensione di Hall è proporzionale alla densità di flusso del campo magnetico e richiede un bersaglio magnetizzato.

55100-3H-02-A di Littelfuse, Inc. è un sensore a effetto Hall per il montaggio su flangia, disponibile con un'uscita digitale o un'uscita analogica programmabile in tensione (Figura 4).

Figura 4: Diagramma a blocchi e foto del sensore di prossimità a effetto Hall con flangia 55100-3H-02-A con uscita in tensione. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

55100-3H-02-A misura 25,5 x 11 x 3 mm ed è disponibile con un'uscita di tensione a tre fili o un'uscita di corrente a due fili. Entrambe le versioni offrono una sensibilità media (130 Gauss), alta (59 Gauss) o programmabile. Il dispositivo ha un'alta sensibilità e ha un campo di attivazione di 18 mm con l'uso di un magnete specifico. L'uscita pull-down può gestire fino a 24 V c.c. e 20 mA.

Questo sensore può funzionare a velocità di commutazione fino a 10 kHz e può rilevare sia campi magnetici dinamici che statici. La capacità di rilevare i campi magnetici statici è un vantaggio importante del sensore a effetto Hall, in quanto può essere utilizzato per rilevare la chiusura di una porta o un oggetto in una posizione fissa.

Sensori ottici di prossimità

I sensori ottici di prossimità usano la luce, infrarossa o visibile, per rilevare gli oggetti. Hanno il vantaggio che un bersaglio non ha bisogno di essere magnetico o metallico, deve solo ostruire o riflettere la luce. Fondamentalmente, i sensori ottici emettono luce e monitorano la luce riflessa dall'oggetto bersaglio (Figura 5, a sinistra).

Figura 5: Il sensore ottico di prossimità individua l'oggetto bersaglio emettendo un fascio di luce e rilevando la riflessione del bersaglio. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

EE-SY1200 di Omron Electronics, Inc. è un buon esempio di sensore ottico di prossimità (Figura 5, a destra). È un sensore ottico ultracompatto montato su un piccolo circuito stampato (scheda CS) che funziona a una lunghezza d'onda a infrarossi di 850 nm. Comprende un emettitore LED e una coppia di fototransistor in un contenitore a montaggio superficiale di 1,9 x 3,2 x 1,1 mm, funzionante in un intervallo di temperatura da -25 a +85 °C. La distanza di rilevamento raccomandata è da 1,0 a 4,0 mm.

Il compatto metodo di montaggio su scheda lo rende ideale per applicazioni come l'allineamento di materiale mylar metallizzato in un'avvolgitrice automatica.

Sensori di prossimità a ultrasuoni

I requisiti di distanza di rilevamento maggiori, come il rilevamento delle auto alla finestra di un drive-in, possono essere gestiti utilizzando sensori di prossimità basati sugli ultrasuoni. Questi sensori rilevano oggetti di qualsiasi tipo a distanze fino a diversi metri. La base della misurazione è il tempo di volo di un impulso ultrasonico emesso dal trasmettitore del sensore che viene riflesso dall'oggetto bersaglio e raccolto dal ricevitore del sensore (Figura 6).

Figura 6: La telemetria mediante gli ultrasuoni misura il tempo di un burst ultrasonica del trasmettitore (sinistra) al tempo di arrivo dell'impulso riflesso (a destra). Questo tempo è il doppio del tempo di volo del burst iniziale dal sensore all'oggetto bersaglio. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il tempo dall'impulso trasmesso alla riflessione ricevuta rappresenta il tempo di volo dal sensore all'oggetto bersaglio e ritorno. Conoscendo la velocità di propagazione e il tempo di volo, si può calcolare la distanza. Nell'esempio mostrato, il tempo di volo è di 3,1 ms. Per l'aria, a 20 °C la velocità del suono è di 343,8144 m/sec, quindi la distanza totale fino all'oggetto e ritorno è di 1,2 m. La distanza dal sensore all'oggetto è la metà del tempo di volo o 0,6 metri.

MB1634-000 di MatBotix, Inc. è un sensore di prossimità a ultrasuoni con un campo di misurazione di 5 m. Richiede una fonte di alimentazione da 2,5 a 5,5 V. Funzionando a una frequenza di 42 kHz, genera l'uscita al bersaglio come un flusso di dati seriali di tensione analogica, larghezza di impulso o in logica transistor-transistor (TTL). È dotato di compensazione per la variazione delle dimensioni del bersaglio, tensione di funzionamento e temperatura interna (quest'ultima opzionale), il tutto in un contenitore di appena 22,23 x 38,05 x 14,73 mm (Figura 7).

Figura 7: MB1634-000 è un gruppo telemetro a ultrasuoni con trasduttori di trasmissione e ricezione e un raggio di 5 m. (Immagine per gentile concessione di MaxBotix, Inc.)

Sensori di prossimità capacitivi

I sensori di prossimità capacitivi possono rilevare bersagli metallici e non metallici in polvere, granulato, liquido e in forma solida. Un buon esempio è il modello CD50CNF06NO di Carlo Gavazzi (Figura 8). I dispositivi sono generalmente simili ai sensori induttivi, tranne che le spire di rilevamento del sensore induttivo sono sostituite da una piastra capacitiva. Sono più spesso utilizzati per il rilevamento dei livelli dei liquidi nei serbatoi.

Figura 8: In un generico sensore di prossimità capacitivo (a sinistra), la piastra di rilevamento forma un condensatore con l'oggetto bersaglio esterno; il valore della capacità determina la frequenza dell'oscillatore. CD50CNF06NO di Carlo Gavazzi (a destra) è un sensore di prossimità capacitivo destinato al monitoraggio dei livelli dei liquidi. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La piastra di rilevamento nel sensore forma un condensatore con l'oggetto bersaglio e la capacità varia con la distanza dall'oggetto. La capacità di rilevamento del bersaglio determina la frequenza dell'oscillatore, che viene monitorata per commutare lo stato dell'uscita ogni volta che viene attraversata una frequenza di soglia.

CD50CNF06N0 è destinato al monitoraggio dei livelli dei liquidi. È un sensore a tre fili con un transistor NPN a collettore aperto configurato in modo normalmente aperto. Richiede un'alimentazione da 10 a 30 V c.c. ed è fornito in un contenitore di 50 x 30 x 7 mm con un campo di rilevamento di 6 mm. Nella sua normale applicazione di rilevamento, viene avvitato o incollato all'esterno di un serbatoio non metallico.

Conclusione

I sensori di prossimità impiegano diverse tecnologie che si adattano a varie applicazioni. A seconda del tipo di sensore, possono rilevare obiettivi metallici e non metallici con una distanza di rilevamento che va dai millimetri a cinque o più metri. Sono abbastanza compatti per operare in spazi ristretti e molti possono funzionare anche in ambienti difficili. Questa gamma di tecnologie fornisce all'utente molte scelte per soddisfare una moltitudine di requisiti di rilevamento di prossimità.