Rodzaje czujników położenia w automatyce — przegląd, różnice i dobór

Czujnik położenia to element pomiarowy, który wykrywa lub mierzy liniową, kątową albo przestrzenną pozycję części maszyny i przekazuje ją do układu sterowania. Rodzaje czujników w automatyce różnią się zasadą działania, zakresem pomiaru, dokładnością, odpornością środowiskową oraz typem sygnału wyjściowego.

Czym jest czujnik położenia?

Czujniki położenia dostarczają informacji o aktualnym ustawieniu elementu mechanicznego, na przykład tłoczyska siłownika, stołu liniowego, ramienia robota, wału, platformy lub zaworu. Sygnał pomiarowy może być następnie wykorzystany przez PLC, sterownik ruchu, regulator albo system bezpieczeństwa.

Czujnik może przekazywać:

• informację dwustanową, że element osiągnął określone miejsce,
• analogową wartość położenia, na przykład 0–10 V lub 4–20 mA,
• cyfrową wartość pozycji za pośrednictwem CANopen, IO-Link, SSI lub innego interfejsu,
• kąt nachylenia względem wektora grawitacji,
• zmianę położenia w czasie, wykorzystywaną do obliczenia prędkości.

Podział czujników można przeprowadzić według mierzonego ruchu, zasady działania albo rodzaju sygnału wyjściowego.

Czujnik indukcyjny a pojemnościowy — jakie są różnice?

Czujnik indukcyjny wykorzystuje zmiany pola elektromagnetycznego wywołane obecnością metalowego elementu lub przemieszczeniem ferromagnetycznego rdzenia. Czujnik pojemnościowy reaguje natomiast na zmianę pojemności elektrycznej powodowaną zbliżeniem materiału do powierzchni aktywnej.

Najważniejsze różnice przedstawia tabela.

W kontekście oferty AMG należy odróżnić prosty indukcyjny czujnik zbliżeniowy od indukcyjnego przetwornika położenia. Pierwszy przekazuje zazwyczaj informację „obiekt jest” lub „obiektu nie ma”. Drugi mierzy ciągłe przemieszczenie i podaje wartość odpowiadającą aktualnej pozycji.

W indukcyjnych przetwornikach położenia ruchomy rdzeń zmienia indukcyjność cewek. Elektronika przekształca tę zmianę na sygnał analogowy albo cyfrową wartość położenia. W zależności od modelu dostępne są między innymi wyjścia 0–10 V, 4–20 mA oraz CANopen.

Jak działa indukcyjny czujnik przemieszczenia?

Indukcyjny czujnik przemieszczenia może wykorzystywać układ dławika różnicowego. Wewnątrz cylindrycznej obudowy znajdują się dwie cewki, a przesuwający się rdzeń wywołuje przeciwną zmianę ich indukcyjności. Na tej podstawie określane jest położenie trzpienia.

Zaletami takiego rozwiązania są:

• bezkontaktowy pomiar wewnątrz układu,
• brak zużywającej się ścieżki oporowej,
• odporność na wibracje i wstrząsy,
• możliwość szczelnej zabudowy,
• stabilna praca w obecności oleju, wilgoci i zabrudzeń,
• możliwość przesyłania ciągłej wartości położenia.

Przykładem jest czujnik indukcyjny PWA, który mierzy bezwzględne położenie tłoka bez styku mechanicznego w torze pomiarowym. Oferuje wyjście 0–10 V lub 4–20 mA, dokładność ±0,1% pełnego zakresu, powtarzalność ±0,02% oraz wykonania IP54 i IP67. Standardowy zakres pomiarowy wynosi do 200 mm.

Jak działa czujnik potencjometryczny położenia?

Czujnik potencjometryczny mierzy pozycję za pomocą suwaka przemieszczającego się po ścieżce rezystancyjnej. Zmiana położenia suwaka powoduje proporcjonalną zmianę rezystancji lub napięcia wyjściowego.

W najprostszym układzie potencjometr ma trzy wyprowadzenia:

• początek ścieżki oporowej,
• koniec ścieżki oporowej,
• suwak przekazujący sygnał odpowiadający pozycji.

Technologia potencjometryczna jest łatwa do integracji, ponieważ czujnik może pracować jako pasywny dzielnik napięcia. Nie wymaga wtedy rozbudowanej elektroniki pomiarowej ani konfiguracji magistrali komunikacyjnej.

Jej ograniczeniem jest kontakt mechaniczny suwaka ze ścieżką. Przy bardzo dużej liczbie szybkich cykli może dochodzić do stopniowego zużycia elementu rezystancyjnego. Trwałość zależy jednak od konstrukcji, materiału ścieżki, prędkości ruchu oraz jakości prowadzenia trzpienia.

Dostępne w AMG potencjometryczne przetworniki położenia służą do analogowego pomiaru przemieszczenia liniowego. Pozycja trzpienia jest bezpośrednio odwzorowana przez wartość sygnału na wyjściu suwaka.

RH33 — pomiar długich przemieszczeń

Przetwornik potencjometryczny RH33 jest liniowym czujnikiem położenia o zakresie pomiarowym do 1000 mm. Oferuje liniowość do ±0,05% oraz oczekiwaną żywotność sięgającą 100 milionów cykli. Dostępne są między innymi wersje z uszczelnieniem IP65 i złączem M12.

Model ten może być stosowany między innymi do kontroli:

• położenia siłowników i mechanizmów regulacyjnych,
• otwarcia zaworów oraz przepustnic,
• przesunięcia stołów i prowadnic,
• ustawienia elementów maszyn,
• pozycji ruchomych zespołów technologicznych.

RP13 — kompaktowy czujnik liniowy

Przetwornik potencjometryczny RP13 jest przeznaczony do pomiarów liniowych do 300 mm. Zapewnia powtarzalność ±0,01 mm, liniowość do ±0,05%, stopień ochrony IP65 i żywotność do 100 milionów cykli. Opcjonalnie może zostać wyposażony w sprężynę powrotną lub uchwyty przegubowe.

Sprężyna powrotna umożliwia wykorzystanie przetwornika jako czujnika dotykowego. Trzpień dociska się wówczas do mierzonego elementu i samoczynnie wraca do pozycji początkowej po odsunięciu obiektu.

Czym są czujniki przemieszczenia liniowego?

Czujnik przemieszczenia liniowego mierzy zmianę położenia elementu poruszającego się wzdłuż jednej osi. Wynik jest podawany w jednostkach długości lub jako proporcjonalny sygnał elektryczny.

Takie czujniki wykorzystuje się w:

• siłownikach elektrycznych, hydraulicznych i pneumatycznych,
• modułach liniowych,
• osiach maszyn CNC,
• prasach i urządzeniach testowych,
• mechanizmach dozujących,
• systemach podnoszenia,
• układach pozycjonowania zaworów,
• stanowiskach kontroli wymiarów.

Czujniki przemieszczenia liniowego mogą działać indukcyjnie, potencjometrycznie, magnetostrykcyjnie, optycznie albo poprzez rozwijaną linkę połączoną z enkoderem.

Kiedy wybrać PWA, IWN250 lub IW250?

Modele PWA, IWN250 i IW25x/IW26x wykorzystują technologię indukcyjną, ale różnią się interfejsem, zakresem i wykonaniem.

• PWA sprawdzi się, gdy wymagany jest łatwy do podłączenia sygnał analogowy 0–10 V albo 4–20 mA.
• Czujnik indukcyjny IWN250 jest rozwiązaniem z elektroniką i interfejsem CANopen. Oferuje rozdzielczość 12 bitów, zakresy 20, 40, 100 i 200 mm, odświeżanie do 100 Hz oraz stopień ochrony IP66.
• Czujnik indukcyjny IW250 należy do serii IW25x/IW26x z wyjściem analogowym. W zależności od wersji zakres pomiarowy może wynosić do 360 mm, dokładność do 0,1%, a stopień ochrony do IP68.

Inklinometr — co to jest i jak działa?

Inklinometr to czujnik położenia kątowego, który mierzy nachylenie obiektu względem kierunku działania grawitacji. Nie wymaga mechanicznego połączenia z osią obrotu, dlatego może być zamontowany bezpośrednio na platformie, ramieniu, pojeździe lub konstrukcji.

W przemysłowych inklinometrach najczęściej wykorzystywane są elementy MEMS. Mikromechaniczna struktura zmienia swoje położenie pod wpływem przyspieszenia grawitacyjnego, powodując zmianę pojemności elektrycznej. Elektronika przelicza tę zmianę na wartość kąta.

Przykładowe zastosowania inklinometrów to:

• poziomowanie platform roboczych,
• kontrola przechyłu maszyn mobilnych,
• pomiar ustawienia wysięgników i żurawi,
• nadzorowanie nachylenia AGV lub AMR na rampie,
• ustawianie stołów i konstrukcji obrotowych,
• ochrona maszyny przed pracą przy nadmiernym przechyle,
• pomiar kąta ramion w maszynach budowlanych.

Przykładowe inklinometry mogą oferować pomiar w jednej lub dwóch osiach, zakresy od ±5° do ±90°, a także pomiar pełnych 360°. Dostępne są wyjścia analogowe oraz interfejsy CANopen i PROFINET. Model NBA/NBN wykorzystuje technologię MEMS, może osiągać stopień ochrony IP69K i występuje w wersjach analogowych lub CANopen.

W aplikacjach mobilnych trzeba pamiętać, że przyspieszenia, drgania i gwałtowne hamowanie mogą chwilowo wpływać na pomiar oparty na wektorze grawitacji. Należy wtedy zweryfikować dynamikę czujnika, sposób filtrowania sygnału i dopuszczalne przyspieszenia.

Czym różni się czujnik momentu od tensometrycznego czujnika siły?

Czujnik momentu mierzy moment obrotowy działający na wał, natomiast tensometryczny czujnik siły mierzy nacisk lub rozciąganie działające w określonym kierunku. Nie są to klasyczne czujniki położenia, ale często współpracują z nimi w tym samym układzie automatyki.

Jak działa tensometryczny czujnik siły?

Tensometr zmienia rezystancję pod wpływem niewielkiego odkształcenia elementu pomiarowego. Zestaw tensometrów jest zwykle połączony w mostek Wheatstone’a, który pozwala wykryć bardzo małe zmiany rezystancji i przeliczyć je na wartość siły.

Tensometryczne czujniki stosuje się między innymi do:

• kontroli siły prasowania,
• monitorowania nacisku chwytaka,
• ważenia,
• pomiaru siły osiowej siłownika,
• zabezpieczania maszyny przed przeciążeniem,
• kontroli naprężenia taśmy lub materiału.

Czujnik momentu wykorzystuje podobną zasadę, ale mierzy odkształcenie powstające przy skręcaniu wału. W aplikacji serwo pozwala kontrolować moment rzeczywiście przekazywany przez napęd, niezależnie od wartości obliczanej na podstawie prądu silnika.

Czujnik zbliżeniowy pojemnościowy czy indukcyjny — który wybrać?

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy należy wybrać wtedy, gdy obiektem jest metalowy detal, a priorytetem są odporność i stabilny próg zadziałania. Czujnik pojemnościowy sprawdzi się, gdy trzeba wykryć tworzywo, szkło, ciecz, proszek albo granulat.

W praktyce:

• do wykrywania metalowego tłoczyska lub ogranicznika stosuje się zwykle czujnik indukcyjny,
• do kontroli poziomu tworzywa w zbiorniku można zastosować czujnik pojemnościowy,
• do uzyskania ciągłej wartości położenia potrzebny jest przetwornik, a nie zwykły czujnik zbliżeniowy,
• do pomiaru kąta nachylenia właściwym rozwiązaniem będzie inklinometr,
• do pomiaru obrotu wału częściej wykorzystuje się enkoder.

Najczęstszym błędem jest wybór czujnika dwustanowego do zadania, w którym system sterowania potrzebuje rzeczywistej wartości pozycji.

Jak dobrać czujnik położenia do konkretnej aplikacji?

Dobór należy rozpocząć od określenia, co ma być mierzone i w jaki sposób wynik zostanie wykorzystany. Sam zakres pomiarowy nie wystarcza do wyboru właściwego urządzenia.

1. Określ rodzaj ruchu i sposób pomiaru

Należy ustalić, czy mierzony jest:

• ruch liniowy,
• obrót,
• kąt nachylenia,
• obecność w określonym punkcie,
• pozycja względna czy absolutna.

Pomiar absolutny pozwala poznać położenie bez wykonywania procedury bazowania po ponownym uruchomieniu systemu.

2. Dobierz zakres pomiarowy

Zakres czujnika powinien obejmować pełny skok mechanizmu wraz z tolerancją montażową. Nie należy jednak wybierać zakresu znacznie większego niż wymagany, ponieważ może to zmniejszyć użyteczną rozdzielczość systemu.

3. Sprawdź dokładność, liniowość i powtarzalność

Parametry te opisują różne cechy pomiaru:

• dokładność określa zgodność wyniku z wartością rzeczywistą,
• liniowość opisuje odchylenie charakterystyki od idealnej prostej,
• powtarzalność określa, jak zbliżone są wyniki kolejnych pomiarów tej samej pozycji,
• rozdzielczość wskazuje najmniejszą wykrywalną zmianę położenia.

W aplikacji wymagającej jedynie zatrzymania w szerokiej tolerancji wysoka dokładność może nie być potrzebna. W systemie pomiarowym lub stanowisku testowym każdy z tych parametrów może mieć znaczenie.

4. Wybierz sygnał wyjściowy

Najpopularniejsze możliwości to:

• 0–10 V — prosta integracja, ale większa podatność na spadki napięcia i zakłócenia,
• 4–20 mA — dobre rozwiązanie przy dłuższych przewodach i w środowisku przemysłowym,
• CANopen — cyfrowa transmisja pozycji i możliwość diagnostyki,
• IO-Link — parametryzacja oraz wymiana danych procesowych,
• sygnał potencjometryczny — prosty tor pasywny, wymagający odpowiedniego wejścia pomiarowego.

5. Uwzględnij środowisko pracy

Należy sprawdzić:

• stopień ochrony IP,
• temperaturę roboczą,
• odporność na wibracje i udary,
• kontakt z olejem lub chłodziwem,
• wilgotność,
• możliwość mycia pod ciśnieniem,
• obecność silnych pól elektromagnetycznych,
• warunki montażu przewodu i złącza.

Porównanie wybranych czujników położenia AMG

Parametry zestawiono na podstawie aktualnych stron produktowych AMG Automatyka.

Wybór czujnika położenia powinien wynikać z aplikacji

Nie istnieje jeden uniwersalny czujnik odpowiedni do każdego mechanizmu. Indukcyjny przetwornik sprawdzi się tam, gdzie wymagany jest bezkontaktowy pomiar i odporność na warunki przemysłowe. Czujnik potencjometryczny będzie dobrym rozwiązaniem, gdy liczą się prostota integracji, analogowy sygnał oraz korzystna relacja dokładności do kosztu. Inklinometr należy zastosować wtedy, gdy mierzony jest przechył całego urządzenia lub konstrukcji.

Przygotowując dane do doboru, warto określić:

• pełny zakres ruchu,
• wymaganą dokładność i powtarzalność,
• prędkość przemieszczenia,
• częstotliwość aktualizacji wyniku,
• napięcie zasilania,
• wymagany sygnał lub interfejs,
• klasę szczelności,
• temperaturę, wibracje i pozostałe warunki otoczenia.

Dostępne czujniki położenia obejmują rozwiązania do pomiaru liniowego, w tym warianty indukcyjne i potencjometryczne. Dobór konkretnego modelu na podstawie rzeczywistych warunków pracy pozwala uniknąć problemów z zakresem, trwałością oraz integracją czujnika z systemem sterowania.

FAQ

Czym różni się czujnik indukcyjny od pojemnościowego?

Czujnik indukcyjny reaguje przede wszystkim na metal, wykorzystując pole elektromagnetyczne. Czujnik pojemnościowy może wykrywać także tworzywa, szkło, ciecze i materiały sypkie, ale jest bardziej podatny na wpływ wilgoci oraz osadów.

Do czego służy inklinometr i jak działa?

Inklinometr mierzy kąt nachylenia względem kierunku działania grawitacji. Najczęściej wykorzystuje element MEMS, w którym przechył powoduje zmianę pojemności elektrycznej. Elektronika czujnika przelicza ją na wartość kąta.

Jak działa czujnik potencjometryczny położenia?

Suwak czujnika przesuwa się po ścieżce rezystancyjnej. Zmiana jego pozycji powoduje zmianę rezystancji lub napięcia wyjściowego, dzięki czemu układ sterowania może określić aktualne położenie elementu.

Czym jest czujnik przemieszczenia liniowego i gdzie się go stosuje?

Jest to czujnik mierzący zmianę pozycji wzdłuż jednej osi. Stosuje się go w siłownikach, modułach liniowych, prasach, układach regulacji zaworów, maszynach CNC oraz stanowiskach testowych.

Jak dobrać czujnik położenia do konkretnej aplikacji?

Należy określić rodzaj ruchu, zakres, wymaganą dokładność i powtarzalność, typ sygnału, częstotliwość pomiaru oraz warunki środowiskowe. Trzeba również sprawdzić sposób montażu i zgodność elektryczną ze sterownikiem.

Czym różni się czujnik zbliżeniowy pojemnościowy od indukcyjnego?

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy wykrywa obiekty metalowe. Pojemnościowy może reagować również na materiały niemetaliczne. Oba typy zwykle przekazują sygnał binarny, dlatego nie zastępują przetwornika mierzącego ciągłą wartość położenia.