سنسور جک پنوماتیک

سنسور جک پنوماتیک چیست؟

سنسورها برای ارائه بازخورد موقعیت برای کنترل سیستم ها در ماشین آلات و تجهیزات خودکار استفاده می شوند. جک پنوماتیک از سنسورهایی برای تشخیص موقعیت خطی پیستون برای کاربردهایی که بازخورد موقعیت بسیار مهم است ، استفاده می کنند. رایج ترین نوع سنسور مورد استفاده برای سیلندرهای پنوماتیک سنسورهای مجاورت مغناطیسی هستند که میدان مغناطیسی آهنربا را در پیستون جک تشخیص می دهند. سنسور روی بدنه جک پنوماتیک نصب شده است و بر اساس مجاورت آهن ربا ، “قطع” یا “وصل” را نشان می دهد. بسته به کاربرد ، از فناوری های مختلف مختلف سنسور مجاورت مغناطیسی می توان برای به حداکثر رساندن عملکرد ، فضا و قابلیت اطمینان استفاده کرد.

سنسور های صنعتی

سنسورهای  reed رایج ترین نوع سنسورهای جک پنوماتیک هستند. آن ها سال ها مورد استفاده قرار گرفته اند و فناوری اثبات شده ای دارند. دو دلیل اصلی نگرانی سنسور reed نسبت به دیگر سنسورهایی که در زیر مورد بحث قرار گرفته اند نگرانی در مورد عمر و کورس حرکتی /ارتعاش است. چرخه عمر سنسورهای reed بیش از 10 میلیون است و معمولاً سنسور reed اولین موردی نیست که در مواقع شوک یا ارتعاش بالا کار می کند. به همین دلایل ، سنسورهای reed محبوب ترین سنسور جک پنوماتیک بوده و هستند.

چرا باید از سنسور برای جک پنوماتیک استفاده کرد؟

سنسورهای موقعیت خطی جک های پنوماتیک برای تشخیص موقعیت خطی پیستون در حین کار استفاده می شود. سیلندرهای پنوماتیک معمولاً با آهن ربایی که قبلاً به پیستون متصل شده است ساخته می شوند ، بنابراین در صورت تمایل می توان از سنسورهای مجاورت مغناطیسی استفاده کرد. بسته به محل نصب سنسور ، می تواند امتداد ، عقب نشینی یا موقعیت های فردی را در طول بدنه جک تشخیص دهد. چندین سنسور را می توان به یک جک پنوماتیک برای مکانهای بازخورد چند موقعیتی وصل کرد. سیلندرهای پنوماتیک با سنسورهای موقعیت ، امنیت و بازخورد بیشتری را برای اطمینان از محل پیستون برای کاربردهای مهم ایجاد می کنند.

نصب سنسور جک پنوماتیک

دو نوع رایج از انواع بدنه سیلندرهای پنوماتیک عبارتند از پروفیل ، مانند ISO 15552 یا گرد ، مانند ISO 6432. بسته به نوع بدنه ، روش های متفاوتی برای نصب وجود دارد. روش های نصب نیز می تواند با انواع مختلف سنسور تغییر کند ، بنابراین درک نوع بدنه جک با نوع سنسور بسیار مهم است.

جک های پروفیل

جک های پروفیل مستطیلی شکل هستند و دو روش آسان برای نصب سنسورها روی بدنه جک دارند. برای سیلندرهای پنوماتیک که از استاندارد ISO 15552 پیروی می کنند ، شیارهایی در امتداد بدنه وجود دارد که حسگر را در شکل زیر وارد می کند. سپس سنسور (1) توسط پیچ (3) با پیچ تنظیم شده (2) در جای خود محکم می شود. سیلندرهای دیگر دارای میله کراوات هستند که طول بدنه استوانه ها را در هر چهار گوشه اجرا می کند. سنسورها را می توان روی میله کراوات نصب کرد و در طول جک به موقعیت مناسب کشید.

شکل: جک پنوماتیک ISO 15552 با سنسور (C) که از طریق پیچ تنظیم شده (B) با پیچ گوشتی (A) نصب شده است.

جک های گرد

سیلندرهای گرد معمولاً کوچک تر هستند ، مانند ISO 6432. اما هنوز می توان سنسورها را با استفاده از یک نوار دایره ای در اطراف محفظه جک روی آنها نصب کرد. نوار باید مطابق قطر جک مشخص شود. پس از نصب ، سنسور و نوار می توانند در طول جک لغزیده و سپس در جای خود محکم شوند. در شکل زیر یک جک پنوماتیک ISO 6432 با سنسور نصب شده روی آن دیده می شود.

جک پنوماتیک ISO 6432 با سنسور نصب شده

گزینه های سنسور مجاورت مغناطیسی

همه سنسورهایی که برای جک های پنوماتیک برای بازخورد موقعیت خطی پیستون استفاده می شوند از میدان مغناطیسی استفاده می کنند. بنابراین ، به طور معمول همه سیلندرهای پنوماتیک دارای آهنربا هستند که به صورت داخلی روی پیستون قرار دارند. با این حال ، در صورت نیاز به بازخورد موقعیتی خطی ، مهم است که این مشخصات طراحی را برای جک پنوماتیک خود بررسی کنید.

سوئیچ رید ( reed switch )

سنسور سوئیچ رید یک سنسور مجاورت مغناطیسی است که هنگامی که میدان مغناطیسی تراز محوری به آن اعمال می شود “ON” روشن می شود. قطب های مغناطیسی یک آهنربای تراز محوری در صفحه محوری در کنار یکدیگر قرار دارند. با نزدیک شدن آهنربای محوری به سنسور رید ، میدان مغناطیسی موازی با کلید رید تولید می شود. یک سوئیچ رید از یک جفت رید فلزی فرومغناطیس تشکیل شده است که در یک لوله شیشه ای مهر و موم شده محصور شده است. بدون وجود میدان مغناطیسی (تصویر بالا شکل زیر) رید های فلزی جدا شده و سنسور “OFF” خاموش می شود. هنگامی که پیستون استوانه از کلید عبور می کند و یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی برای جذب رید ها به هم اعمال می کند ( تصویر وسط شکل زیر) ، سنسور “ON” روشن می شود (تصویر پایین شکل زیر).

عملکرد رید سوئیچ

در مقایسه با سایر گزینه های سنسور ، سوئیچ های رید مقرون به صرفه هستند و می توانند با ولتاژهای AC یا DC کار کنند. علاوه بر این ، سنسورهای سوئیچ رید دارای مصرف برق کمی هستند که آنها را برای کاربردهای با نیاز مصرف برق مناسب می کند. به دلیل ماهیت مکانیکی تعویض کنتاکت های رید ، سنسورهای سوئیچ رید دارای محدودیت هایی هستند. اول ، کنتاکت های سوئیچینگ دارای تعداد محدودی چرخه سوئیچینگ هستند و در طول عمر دستگاه نیاز به نگهداری دارند. در مرحله بعد ، سنسورهای سوئیچ رید برای برنامه هایی که در معرض ارتعاش یا ضربه شدید هستند مناسب نیستند. شوک و لرزش زیاد می تواند باعث تماس کنتاکت های رید  شود که باعث سیگنال دهی نادرست می شود. ویژگیهای سوئیچ یک سوئیچ رید نیز می تواند باعث سوئیچینگ دوگانه ناخواسته شود. سوئیچ دوگانه هنگامی است که خروجی سنسور دو بار “ON” و “OFF” روشن می شود در حالی که آهنربای جک یک بار از کلید رید عبور می کند. سوئیچ دوگانه کاذب خروجی سنسور به دلیل قدرت یکنواخت میدان نیروی مغناطیسی است. قدرت میدان مغناطیسی در هر قطب آهنربا قوی ترین و در مرکز بین هر قطب ضعیف ترین است. اگر آهنربای پیستون به اندازه کافی قوی نباشد ، ممکن است هنگام عبور از سنسور ، خروجی سوئیچ دو برابر شود. سرانجام ، در مقایسه با سنسورهای حالت جامد ، فعال شدن کلیدهای رید  نسبتاً دیر است که آنها را برای برنامه هایی که به زمان پاسخ سریع نیاز دارند نامناسب می کند. با این حال ، سنسورهای سوئیچ رید برای سیلندرهای پنوماتیک به دلیل ارزان بودن آنها نسبت به سایر سنسورها ، بسیار مورد استفاده قرار می گیرند ، نیازی به نیروی آماده به کار ندارند ، می توانند با بارهای DC یا AC کار کنند و یک راه حل شناخته شده است.

سنسور اثر هال

سنسور اثر هال یک سنسور مجاورت مغناطیسی است که هنگامی که میدان مغناطیسی تراز شعاعی روی آن اعمال می شود “ON” روشن می شود. یک آهنربا با شعاع تراز ، میدان مغناطیسی عمود بر میدان مغناطیسی سنسور اثر هال تولید می کند ، همانطور که در شکل زیر مشاهده شده است. بر خلاف سوئیچ های رید  ، سنسورهای اثر هال دستگاه های حالت جامد (solid-state ) هستند و با اجزای مختلف طراحی شده اند. سوئیچ های رید به حرکت کنتاکت های مکانیکی برای ارائه خروجی سنسور بستگی دارد. دستگاه های حالت جامد خروجی سنسور را با استفاده از مدارهای الکتریکی بدون حرکت اجزاء فراهم می کنند. سنسور اثر هال شامل یک نیمه هادی با جریان مداوم از طریق آن است ، که در تصویر بالا در شکل زیر دیده می شود. هنگامی که میدان مغناطیسی به صورت شعاعی (2) به جریان فعلی (1) اعمال می شود ، همانطور که در پایین دیده می شود در شکل زیر، الکترون های باردار بر اساس قطبیت به دو طرف نیمه هادی جدا می شوند. جداسازی الکترون های باردار باعث ایجاد ولتاژ در مدار اثر هال می شود (4). هنگامی که ولتاژ خروجی در مدار بیشتر از آستانه رید باشد ، خروجی سنسور “ON” روشن می شود ، که در شکل زیر مشاهده می شود.

عملکرد سنسور اثر هال: جریان جاری (1) ، میدان مغناطیسی (2) ، ولتاژ = 0 (3 و 4)

بر خلاف سنسورهای سوئیچ رید ، سنسورهای اثر هال اجزای متحرک را شامل نمی شوند و رد پای نصب کوچکتری خواهند داشت. طراحی حالت جامد عمر سنسور را به دلیل عملکرد بدون سایش افزایش می دهد و همچنین آنها را در برابر ضربه و ارتعاش مقاوم می کند. بدون نیاز به غلبه بر اینرسی اجزای مکانیکی ، سنسورهای اثر هال نیز برای کاربردهای مهم زمان مناسب هستند که نیاز به تعویض سریع دارند. مشابه سنسورهای سوئیچ رید ، جهت مغناطیسی برای عملکرد مناسب مهم است. علاوه بر این ، حسگرهای اثر هال حساسیت پایینی دارند. بسته به قطر و ضخامت بدنه جک ، خروجی سوئیچینگ ممکن است به درستی فعال نشود. مشابه سوئیچ های رید ، نقاط سوئیچ دوگانه نیز به دلیل حساسیت پایین سنسورها امکان پذیر است.

سنسورهای مگنتو رزیستیو ( anisotropic magnetoresistive sensor )

سنسورهای مگنتو رزیستیو (AMR) یک سنسور مجاورت مغناطیسی حالت جامد است که در صورت اعمال میدان مغناطیسی شعاعی یا محوری به آن “ON” روشن می شود. یک مدار AMR شامل یک مدار پل Wheatstone (شکل زیر) برای اندازه گیری مقاومت است. مقاومت یک سنسور AMR با قدرت میدان مغناطیسی کاهش می یابد ، که منجر به افزایش شیب ولتاژ در مدار AMR می شود. هنگامی که ولتاژ در مدار بیشتر از آستانه سوئیچینگ است (شکل زیر شماره 3) ، خروجی سنسور مطابق شکل زیر شماره 4 “ON” روشن می شود.

شکل بالا: عملکرد سنسور AMR: میدان مغناطیسی (1) ، میدان مغناطیسی اعمال شده (2) ، ولتاژ بایاس (3) و ولتاژ = 0 (4)

سنسورهای AMR مشابه سنسورهای اثر هال ، سریع عمل می کنند ، بدون سایش هستند و در برابر ضربه و ارتعاش مقاوم هستند. فواید سنسورهای AMR این است که حساسیت کمتری نسبت به سنسورهای سالن دارند و به خوبی در تغییرات قدرت میدان مغناطیسی واکنش نشان می دهند. این امر منجر به بهبود تشخیص پیستون در فواصل بیشتر به دلیل توانایی آن در تشخیص میدان های آهنربایی ضعیف تر می شود. به دلیل حساسیت بیشتر امکان تغییر دو سوئیچ نقطه حذف می شود. علاوه بر این ، سنسورها آهنرباهای مغناطیسی محوری و شعاعی را تشخیص می دهند. سنسورهای AMR فشرده تر از سنسورهای سوئیچ رید هستند و از نظر هزینه نیز قابل رقابت هستند. نقطه ضعف سنسورهای AMR این است که معمولاً جریان را به طور مداوم می کشند. برای برنامه های کاربردی با نیازهای کم مصرف ، یک سنسور سوئیچ رید ممکن است انتخاب حسگر مناسب تری باشد.

سنسور مقاومت مغناطیسی گیانت (giant magnetoresistive sensor )

سنسور گیانت مغناطیسی (GMR) یک سنسور مجاورت مغناطیسی حالت جامد است که در صورت اعمال میدان مغناطیسی شعاعی یا محوری به آن “ON” روشن می شود. یک سنسور GMR متشکل از لایه های متناوب از لایه های رسانای مغناطیسی و غیر مغناطیسی است که در شکل زیر شماره 2 و 3 دیده می شود. مشابه سنسور AMR ، هنگامی که یک میدان مغناطیسی به سنسور اعمال می شود ، خواص مقاومت مدار تغییر می کند. با افزایش میدان مغناطیسی ، گرادیان ولتاژ بیشتری در مدار وجود دارد. به عنوان مثال ، در حضور میدان مغناطیسی (شکل زیر شماره 1) ، مقاومت مدار کاهش می یابد و اجازه می دهد جریان جاری شود (شکل زیر شماره 4) و ولتاژ در مدار افزایش می یابد. هنگامی که ولتاژ در مدار بیشتر از آستانه کلید باشد ، خروجی سنسور “ON” روشن می شود.

شکل بالا: عملکرد سنسور GMR: اعمال میدان مغناطیسی خارجی (1) ، لایه فرومغناطیس (2) ، لایه غیر مغناطیسی رسانا (3) ، مقاومت کم در برابر میدان مغناطیسی اعمال شده (4) و مقاومت زیاد بدون میدان مغناطیسی خارجی (5 )

سنسورهای GMR مزایای مشابهی را برای سنسورهای AMR ارائه می دهند ، با این حال ، آنها حتی بیشتر به وجود میدان مغناطیسی حساس هستند. حساسیت بالا همچنین امکان ایجاد یک سنسور بسیار جمع و جور را فراهم می کند که برای سیلندرهای کوچکتر و کوتاهتر مناسب است. اگرچه حساسیت بالا برای برنامه هایی که نیاز به بازخورد فوری سنسور دارند ، فایده ای دارد ، اما در صورت اختلال در میدان های مغناطیسی اطراف ، ممکن است باعث سیگنال خروجی ناخواسته شود. به عنوان مثال ، محیط هایی با قدرت بالای نزدیک (موتورهای AC یا قدرت ورودی AC) ممکن است سیگنال سنسور را مختل کرده و خطای ناخواسته ایجاد کنند.

انتخاب درست سنسورها

برای اکثر برنامه ها ، سنسور رید معمولاً انتخاب می شود. آنها تکنولوژی اثبات شده ای هستند و دارای چرخه عمر طولانی و مقاومت در برابر لرزش برای رسیدگی به برنامه های معمول هستند. با این حال ، معیارهای دیگری که برای برنامه های ویژه باید در نظر گرفته شود عبارتند از:

• محیط: آیا جک در معرض مقدار زیادی ارتعاش یا ضربه قرار می گیرد؟ در این صورت ، یک سنسور حالت جامد به طور قابل اطمینان بدون صدای خروجی کار می کند. سنسورهای رایج حالت جامد عبارتند از سنسورهای اثر هال ، AMR و GMR. علاوه بر این ، آیا سنسور در یک محیط تمیز محصور قرار می گیرد یا مانند IP67 به یک محفظه حفاظتی بالا نیاز دارد. ملاحظات دما نیز باید در نظر گرفته شود.
• سرعت سوئیچینگ: سرعت تغییر خروجی به برنامه شما چقدر مهم است؟ سنسورهای حالت جامد زمان تعویض سریعتری را ارائه می دهند. سنسورهای رایج حالت جامد عبارتند از سنسورهای اثر هال ، AMR و GMR.
• نوع خروجی: چه نوع سیگنال خروجی برای سیستم کنترل مورد نیاز است؟ سیگنالهای خروجی PNP و NPN برای دستگاههای حالت جامد در دسترس هستند.

PNP: خروجی PNP مسیری را برای تأمین توان مثبت خروجی فراهم می کند. این نیز معمولاً به عنوان ” sourcing sensors” شناخته می شود. PNP بیشتر در آمریکای شمالی و اروپا رایج است.

NPN: خروجی NPN مسیری را برای تأمین زمین فراهم می کند. این نیز معمولاً به عنوان ” sinking sensor” شناخته می شود. NPN در آسیا از محبوبیت بیشتری برخوردار است.

• ویژگی های سیگنال سوئیچینگ: قدرت سوئیچینگ و نیازهای فعلی سیستم کنترل چیست؟ سنسور انتخاب شده باید برای عملکرد مناسب سازگار باشد.
• نصب: چه گزینه های نصب برای هر نوع جک موجود است؟ بسته به اینکه جک پروفیل با شیار یا میله کراوات دارید یا جک گرد دارید ، انواع نصب تغییر می کند.
• جهت گیری مغناطیسی: کلیدهای رید و سنسورهای اثر هال جهت عملکرد مناسب نیاز به جهت گیری درست میدان مغناطیسی اعمال شده دارند. بنابراین ، سنسور باید در جهت مناسب پیستون نصب شود.
• حفاظت از مدار: در صورت لزوم ، سنسورها می توانند از محافظت از مدار مانند اتصال کوتاه ، قطبیت معکوس و محافظت در برابر ضربه استفاده کنند.
• سیم کشی: سیم کشی منبع تغذیه سنسور بسته به سنسور حالت جامد (یعنی AMR ، GMR ، اثر هال ) یا سنسور رید تغییر می کند. یک LED برای نشان دادن سیم کشی صحیح اغلب برای هر سنسور موجود است. به عنوان مثال ، اگر قطبیت منبع تغذیه سوئیچ رید معکوس باشد ، LED در سنسور روشن نمی شود. سنسورهای سوئیچ رید معمولاً دارای پیکربندی 2 سیم هستند در حالی که سنسورهای حالت جامد دارای 3 سیم هستند. علاوه بر سیم مثبت و منفی ، از سیم سوم برای اتصال به بار استفاده می شود. سیم کشی صحیح سیم بار باید همیشه قبل از استفاده از برق مورد بررسی قرار گیرد زیرا سیم کشی اشتباه می تواند به طور دائمی به سنسور آسیب برساند.