Виды, устройство и принцип действия

Назначение

Такие датчики преобразуют данные о перемещении объекта в выходной сигнал. Являются одним из важных измерительных элементов систем управления и контроля. Они широко применяются в различных областях, поэтому выделяют несколько разновидностей, отличающихся по принципу действия, точности, цене.

Основные функции:

• показывают положение объекта управления (ОУ) или рабочего органа оборудования;
• отслеживают линейные перемещения ОУ или рабочего органа;
• фиксируют окончание этапа в системах цикловой автоматики;
• определяют размеры ОУ (например, заготовок);
• измеряют уровень жидкости;
• характеризуют состояние оборудования в части его загрузки.

Как выбрать датчик линейного перемещения?

Для выбора прибора требуется определить следующие параметры: необходимый диапазон измерений, разрешение и повторяемость. Также необходимо определить, какой должна быть его форма в зависимости от типа сборки.

Важно также знать, будет ли датчик использоваться в специальных условиях: во влажной, запыленной среде, взрывоопасных зонах и т.д.

Типы датчиков линейного перемещения

Рассмотрим следующие:

• индуктивные;
• потенциометрические;
• магнитострикционные.

Потенциометрический датчик линейного перемещения

Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр (переменный резистор). при перемещении объекта его сопротивление изменяется.

Преимущества:

В таких датчиках используется простая технология, поэтому как правило они обладают небольшой стоимостью. При этом их точность довольно большая. Однако, они часто чувствительны к износу, вибрациям, посторонним предметам и экстремальным температурам.

Индуктивный датчик линейного перемещения

Имеет переменный резистор, содержащийся в электрическом контуре. при перемещении объекта его сопротивление изменяется.

Индуктивные датчики линейного перемещения являются более высокоточными и широко используются во многих отраслях промышленности.

Их главными преимуществами является низкая стоимость и почти неограниченный срок службы.

Магнитострикционный датчик линейного перемещения

Имеет генератор магнитного поля и считывающую головку, встроенную в датчик. Их взаимодействие позволяет определять положение объекта.

Такие приборы являются высокоточными, их разрешение доходит до 1 мкм при уровне защиты до IP67. В следствии своих высоких технических характеристик, магнитострикционные датчики являются одними из самых дорогих

Область применения

Датчики линейного перемещения нашли применения в различных отраслях промышленности. К ним относится, например: охранная сфера, промышленно-производственные системы автоматического управления, автоматические линии, счетные операции, машиностроение на разнообразных обрабатывающих центрах и станках.

Потенциометрические датчики линейного перемещения/положения

Лучше всего подходят для прецизионных измерений линейных перемещений в промышленных условиях. Потенциометрические датчики предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. Основной ча­стью датчика является резистивный элемент, выполненный на основе токопроводящего пластика (у некоторых датчиков – проволока), сопротивление которого изменяется при перемещении движка.

На­пряжение питания подается на весь элемент через непо­движные выводы. Выходное напряжение, пропорцио­нальное перемещению движка, снимается с одного из неподвижных выводов и с подвижного движка.Таким образом, выходной сигнал датчика пропорционален пе­ремещению движка.

Некоторые сенсоры имеют встроенную электронику с стандартными выходными диапазонами сигналов.

Сводная таблица потенциометрических датчиков Megatron (pdf)

Сводная таблица потенциометрических датчиков Megauto (pdf)

	CLP13 серия Диапазон перемещений – 13…100 мм Малые габариты Уровень защиты – IP40, опционально IP54 Сопротивление от 500 Ом до 20 кОм Возвратная пружина (опционально) Подробное описание CLP13 (pdf)
	CLP21/CLPR21 серия Диапазон перемещений – 15…100 мм Малые габариты Уровень защиты – IP40, опционально IP54 Сопротивление от 500 Ом до 20 кОм Возвратная пружина (опционально) Подробное описание CLP21/CLPR21 (pdf)
	HEM12 серия Диапазон перемещений – 50…1000 мм Может применяться в гидравлических системах с давлением до 250 Бар Уровень защиты IP67 Рабочая температура -30°С…+100°С Подробное описание HEM12 (pdf)
	HEM16 серия Диапазон перемещений – 50…1000 мм Допуск по линейности менее ± 0,05% Рабочая температура -30°С…+100°С Ускорение 10 м/с2 Подключение: экранированный 3-х контактный кабель 1 м Подробное описание HEM16 (pdf)
	MMS33 серия Диапазон перемещений – 50…900 мм Допуск по линейности – до ± 0,05% Рабочая температура – от -30°С до +100°С Уровень защиты – IP60 и IP65 Подробное описание MMS33 (pdf)
	RC13 серия Диапазон перемещений – 25…150 мм Скорость перемещения – до 8 м/с Уровень защиты – IP60 3 варианта крепежа: монтажные кронштейны (хомуты) – М; шаровый шарнир – G или фланец – F. Подробное описание RC13 (pdf)
	SPI18 серия Диапазон перемещений – 25…150 мм Токопроводящий пластик Уровень защиты – IP40, опционально IP54 Малые размеры Подробное описание SPI18 (pdf)
	SPR18 серия Диапазон перемещений – 25…100 мм Скорость перемещения – до 5 м/с Уровень защиты – IP40, опционально IP54 Компактный дизайн Шток с самовозвратом и с шариком Подробное описание SPR18 (pdf)

Виды датчиков

Любой сенсор движения функционирует за счет анализа поступивших на него извне определенных волн (радио, звуковых, тепловых и прочих). По принципам действия устройства делятся на:

• ультразвуковые;
• инфракрасные датчики движения;
• световые (фотоэлектрические);
• томографические (на радиоволнах);
• микроволновые, использующие излучение СВЧ.

Гаджеты могут либо просто воспринимать поступающие волны, либо генерировать их сами и анализировать отраженные. По этому принципу они делятся на активные устройства, пассивные и комбинированные. Комбинированный датчик движения обычно имеет совмещенную конструкцию с вынесенными отдельно излучающими и принимающими модулями.

Самые распространенные разновидности:

• PIR-датчики (пассивные инфракрасные). Это самый простой и недорогой вариант из присутствующих сегодня на рынке. Они составляют около половины общей массы сенсоров перемещения;
• активные — томографический тип, микроволновый датчик движения или ультразвуковой;
• комбинации ИК- и фотоэлектрических.

Производители предпочитают комбинировать в одной модели разные типы сенсоров. Это связано с неизбежными для такого класса приборов погрешностями и ложными срабатываниями. Для увеличения точности и снижения шансов на «ложную тревогу» разработчики объединяют в едином корпусе несколько технологий (например, ИК и ультразвуковую). Это уменьшает процент фейковых реакций, но взамен иногда снижает характеристики чувствительности. Такое загрубление способно приводить к несрабатыванию на реальное движение, которое следовало бы зарегистрировать.

По месту крепления датчики бывают:

• потолочные;
• настенные.

Уровни защиты

По месту установки приборы делятся на внешние, с наружным монтажом, и внутренние — для работы в помещениях.

Пригодность к тем или иным условиям определяется категорией защиты IP. Для верного выбора важно понимать, что такое IP степень защищенности.

Значения данной характеристики кодируются двумя цифрами: первая указывает на степень защищенности от пыли и попадания прочих твердых предметов, вторая — на защиту от влаги. Например, маркировка IP20 говорит о пригодности для монтажа в жилых помещениях и офисах. Защита от влаги отсутствует, а корпус предохраняет компоненты от предметов размером выше 12.5 мм. В ванной комнате такой прибор ставить нельзя.

IP44 — защита более серьезная:

• корпус предохраняет от частиц более 1 мм;
• обеспечена защищенность от водяных брызг.

Такой вариант лучше подойдет для ванных комнат, кухонь, гаражей и прочих влажных и загрязненных мест. Максимальная степень IP в этом классе оборудования — 65. Это уличный вариант, такие приборы способны работать вне помещений в любое время года, не боятся кратковременных воздействий прямых струй воды, защищены от пыли и температурных перепадов. Они часто используются как уличные датчики движения для освещения.

Как это работает

Любой прибор рассматриваемого семейства реагирует на движение. Рассмотрим, как работают разные виды датчиков движения.

Инфракрасный

Его принцип действия — анализ поступающего на рабочую поверхность тепла. PIR-разновидности не генерируют его сами, а лишь регистрируют входящее.

Инфракрасный прибор конструктивно содержит два теплочувствительных элемента. Для правильной фокусировки лучей перед каждым модулем размещена линза Френеля. Принцип работы типичного PIR-прибора таков:

• линзы направляют излучение на «свой» рабочий модуль;
• при отсутствии движения в зоне видимости каждый из таковых получает примерно одинаковое количество тепла;
• при появлении теплового объекта ИК лучи проходят через линзы на одну часть термодатчика. Показания между ней и второй частью начинают различаться, и прибор «понимает», что мимо него кто-то прошел.

Разумеется, схема применением двух линз весьма проста и груба, хотя и пригодна, к примеру, для включения освещения по сенсору в простых случаях. Поэтому в действительности каждый прибор оснащается несколькими десятками линз. Внешне такой модуль выглядит как фасеточный глаз стрекозы и выведен на корпус в виде ячеистого окошка, скрывающего теплочувствительные компоненты.

В качестве последних в основном используют пироэлектрические элементы. Менее распространены полупроводниковые варианты и микроболометры с термопарами.

Ультразвуковые датчики

Эти приборы анализируют не воспринимаемый слухом человека ультразвуковой спектр. Принцип действия датчика движения таков:

• встроенный генератор ультразвука с определенной периодичностью испускает пучки акустических волн;
• после этого он переходит на прием и измеряет отраженный звук.

Если картина отраженного ультразвукового «эха» не изменяется, в зоне покрытия движения нет. Когда оно появляется, допплеровский эффект искажает эхо и работающий прибор понимает, что обстановка поменялась. Если зарегистрированное изменение превысит установленный настройками порог, сенсор сработает.

Генерирующим УЗ блоком обычно служит кварцевый или керамический пьезоэлемент, встречаются образцы с вибрирующей в электростатическом поле мембраной.

Радиоволновые

Принцип работы датчика движения данного типа похож на работу ультразвуковых, но измеряется не отраженный звук, а радиосигнал.

Преимущества радиодатчиков — в способности работать с площадями вне прямой видимости. Радиоволны в состоянии преодолевать неметаллические препятствия наподобие стен, и такие приборы можно использовать для контролирования скрытых за преградами помещений и объектов. Но реагирующее на радиоизлучение устройство стоит дорого, поэтому эти приборы (как и микроволновые) редко используются в домашних комплексах автоматизации, хотя нашли применение в системах наблюдения за крупными коммерческими площадями — цехами, складами и так далее.

Фотоэлектрические

Как видно из названия, они реагируют на свет. Их принцип работы — прерывание пучка падающего светового потока. Если прибор затеняется, он срабатывает.

Техническое устройство датчика движения рассматриваемого типа просто, такие приборы конструктивно составлены из двух частей:

• испускающей световые волны;
• принимающей.

Последняя содержит модуль генерирования тока под действием излучения. Если поток перекрыт, прибор сработает.

Самый простой пример применения фотосенсоров — в метрополитене: благодаря им работают турникеты метро. Если пассажир пытается пересечь турникет не заплатив, датчик реагирует и закрывает проход.

Датчики присутствия

К ним относятся более чувствительные к движению разновидности детектирующих приборов. Технически это тот же датчик движения: принцип работы одинаков, разница в чувствительности. Так, если ИК-сенсор движения десятки пар фокусирующих линз, то фиксирующий присутствие вариант имеет их несколько сотен. Каждая отдельная пара следит за собственным малым участком, благодаря чему прибор обнаруживает даже небольшие перемещения (например, пальцев в ходе набора текста на клавиатуре).

Особенности

Датчик движения почти никогда не используется «сам по себе». В автономном режиме он просто фиксирует возникновение изменений в подконтрольной области, поэтому должен передавать информацию об этом связанным устройствам или программному обеспечению. А они, в свою очередь, будут выполнять заданные пользователем действия:

• включать уличное или внутреннее освещение;
• запускать сигнал тревоги;
• рассылать оповещения и уведомления;
• активировать то или иное оборудование;
• менять параметры климатических установок и других сопряженных приборов.

Например, охранные датчики движения практически всегда включают в комплексные пультовые системы охраны. Специалисты в ходе установки настраивают подключение компонентов, а взаимодействуют последние через предоставляемый и конфигурируемый поставщиком услуг (частной или вневедомственной охраной) контроллер. А датчик для включения света, например, через центральный блок управляет освещением.

Если же пользователь занимается самостоятельной установкой и приобретает компоненты системы по отдельности, он также должен купить, установить и настроить соответствующий центральный контроллер. Как правило, вместе с таковым его поставщик предоставляет клиентам доступ ко специальному облачному сервису, где настраиваются связи между компонентами и сценарии их взаимодействия. Такого подхода придерживается, например, компания Xiaomi в своей экосистеме «умного дома».

Диаграмма направленности

Для максимальной эффективности прибора критически важно правильно его установить и сориентировать. Выше было указано, что существует потолочный и настенный вариант установки; само по себе это деление не означает, что потолочный сенсор нельзя поставить на стену, или наоборот, но эффективность и точность при этом может снижаться.

Кроме того, перед выбором конкретной модели следует оценить геометрию пространства, где будет эксплуатироваться гаджет, и четко определить запланированную зону обзору. Если этим пренебречь, устройство после установки может «не видеть» движение на нужном владельцу участке.

Для определения следует замерить желаемый угол обзора и дистанцию, на которой будет требоваться четкая детекция перемещения. Многие датчики снабжаются диаграммой направленности, которая помогает правильной ориентации устройства:

Здесь:

• светлая область — общая зона обзора;
• белый пунктир — область уверенного обнаружения.

Где используется

Как уже говорилось, основная сфера применения датчиков движения — домашняя автоматизация, создание систем контроля и наблюдения в зданиях, и охрана. С помощью таких сенсоров можно организовать:

• автоматизированное освещение через датчики движения для включения света и соответствующие контроллеры/переключатели;
• управление климатической системой по триггерам;
• распознавание неавторизованного доступа в помещения, и так далее.

Подобные приборы помогают экономить. Так, их включение в комплекс автоматического управления светом и кондиционированием снижает расходы компании или домовладельца на свет на 70%, а энергопотребление — до 40%.

Сенсоры перемещения применяются в:

• авиастроительной индустрии;
• оборонной промышленности;
• девелопменте;
• автомобилестроении;
• разработке потребительской электроники, и так далее.

Применение в охране

Если такой датчик включен в комплекс пультовой охраны, он при обнаружении движения включит сирену, а также отправит сигнал тревоги на пульт диспетчера. Получив его, охранная организация сможет выслать на место отряд быстрого реагирования.

Если устройство функционирует в составе домашней охраны, «умного дома» и подобных систем, оно сможет отправить владельцу уведомление по SMS, электронной почте или иными способами. Некоторые решения умеют даже выполнять звонки по одному или нескольким «доверенным» телефонным номерам.

Среди прочих возможных функций датчика:

• включение видеонаблюдения;
• блокировка замков в помещении;
• обесточивание техники;
• включение (или, наоборот, выключение) света;
• любая другая функция, которую позволяет реализовать конкретный набор оборудования и ПО.

Автоматизация освещения

Датчик может предназначаться для системы уличного или внутреннего освещения. В зависимости от местоположения он способен давать команды на выключение света и его включение, а также изменение уровня и цвета освещенности (с задержкой и без).

В общем случае сенсор отправляет сигнал на контроллер освещения, который выполняет дальнейшие действия согласно заложенным в него сценариям и программам, активирует выключатели и так далее. Но существуют и переключатели с уже встроенными чувствительными компонентами. Часто их применяют в качестве уличных датчиков движения для включения света. А если добавить в систему ещё и световой датчик включения света, то можно дополнительно сэкономить электроэнергию, так как свет не будет включаться днем, когда и так светло.

Распространены решения для управления «умными лампами» и светодиодными RGB лентами.

Климатические системы

Соответствующим образом настроенный климат-контроль по сигналу сенсора изменяет мощность, температуру и прочие параметры. Для этого:

• датчик передает контроллеру информацию про обнаруженное движение (а также его прекращение);
• центральный блок запускает последовательность команд, включая климат-контроль, выключая его или меняя режимы.

Например, если в холодное время от комнатного датчика придет сигнал, контроллер прикажет терморегуляторам отопления прибавить тепла, чтобы быстро создать комфортные условия. А при отсутствии перемещений в зоне действия летом прибор заставит кондиционер уменьшить мощность.

Где купить датчики

Приобрести датчики движения можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых светильников есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»

Видео по теме

Заключение

Датчики движения находят применение в различных сферах — от простых схем автономной сигнализации или управления светом в квартире до сложных охранных систем и автоматизированных комплексов управления оборудованием. Самые простые среди них — PIR-датчики, но разработчики часто комбинируют несколько видов сенсоров для достижения максимальной точности и функциональности.

Решая, какой датчик выбрать, следует учитывать и понимать:

• как устроен прибор;
• как работает, по какому принципу;
• рабочие характеристики;
• место его установки — закрытое помещение или улица. Для дома и внешнего размещения пригодны разные виды устройств;
• предназначение — управление охраной, освещением, вентиляцией и так далее;
• конфигурацию подконтрольной зоны.

От этих нюансов зависит выбор типа сенсора (ИК, радио или другой), его уровня защищенности и тонкостей настройки. Если прибор подбирается под «умный дом», следует учитывать совместимость с нужной системой.