سنسور القایی|عملکرد،کاربرد، ساختار و اجزای اصلی سنسور القایی و انواع

سنسور القایی چیست؟

سنسورهای القایی (Inductive Proximity Sensors) از جمله پرکاربردترین انواع حسگرهای مجاورتی در صنایع اتوماسیون و کنترل فرآیند به‌شمار می‌روند. این سنسورها با قابلیت تشخیص بدون تماس اجسام فلزی، مقاومت بالا در برابر شرایط نامساعد محیطی و پاسخ‌دهی سریع، در خطوط تولید خودروسازی، بسته‌بندی، ماشین‌آلات CNC، رباتیک صنعتی، صنایع غذایی و دارویی و ده‌ها کاربرد دیگر، نقش کلیدی ایفا می‌کنند. در این مقاله سعی شده است ضمن بررسی تاریخچه، اصول کار و ساختار کلی، انواع مختلف سنسورهای القایی، برندهای معتبر بین‌المللی و ایرانی، و در انتها لیست قیمتی نمونه‌ای در بازار ایران ارائه گردد.

تعریف و تاریخچه

• تعریف کلی: سنسور القایی یکی از زیرشاخه‌های سنسورهای مجاورتی است که با تولید میدان مغناطیسی متناوب در جلوی یک سیم‌پیچ، تغییر امپدانس آن را در اثر نزدیک شدن یک جسم فلزی تشخیص می‌دهد و خروجی دیجیتال یا آنالوگ مناسب تولید می‌نماید.
• پیشینه تاریخی:
  1. دهه ۱۹۵۰: پژوهش‌های اولیه در کشورهای صنعتی برای تشخیص مجاورتی بدون تماس
  2. دهه ۱۹۶۰: تولید نمونه‌های بزرگ و حجیم بر پایه لامپ‌های خلاء
  3. دهه ۱۹۷۰: جانشینی ترانزیستورها در مدار نوسان‌ساز و آشکارساز، کاهش اندازه و افزایش دقت
  4. دهه ۱۹۹۰: ظهور فناوری SMD و ادغام میکروکنترلرها، افزودن قابلیت‌های دیجیتال و شبکه‌ای
  5. دهه ۲۰۲۰: گسترش کاربرد IoT و Industry 4.0، استفاده از سنسورهای القایی با خروجی‌ دیجیتال (IO-Link) و قابلیت مانیتورینگ پیشرفته

ساختار و اجزای اصلی سنسور القایی

سیم‌پیچ (Coil)

• معمولاً از مس نشکن با عایق پلی‌اورتان تشکیل شده است.
• وظیفه تولید میدان مغناطیسی متناوب با فرکانس بالا

مدار نوسان‌ساز (Oscillator)

• ایجاد نوسانات الکترومغناطیسی در کویل.
• معمولاً مبتنی بر معماری لوپ بسته برای ثبات دوره نوسان.

مدار آشکارساز و تقویت‌کننده (Detector & Amplifier)

• اندازه‌گیری تغییرات امپدانس سیم‌پیچ در اثر القای جریان‌های فوکو (Eddy Currents)
• تبدیل تغییر امپدانس به سیگنال ولتاژ/جریان قابل پردازش.

مدار خروجی (Output Stage)

• تولید سطح منطقی PNP یا NPN در خروجی دیجیتال.
• ایجاد جریان ۴–۲۰ mA یا ولتاژ ۰–۱۰ V در مدل‌های آنالوگ.

پوشش و بدنه (Housing)

• معمولاً از فولاد ضدزنگ یا پلاستیک فشرده (PA66, PBT)
• سطح حفاظت از $$IP65$$ تا $$IP69K$$ برای مقاومت در برابر آب پرفشار.

اصول کار و مفاهیم کلیدی

تشکیل میدان مغناطیسی

• کویل در اثر جریان نوسانی میدان مغناطیسی منتشر می‌کند.

القای جریان فوکو

• جسم فلزی نزدیک به میدان، جریان‌های گردابی درون خود ایجاد می‌کند.

تأثیر بر امپدانس

• جریان فوکو باعث کاهش شار مغناطیسی و تغییر امپدانس $$Z$$ سیم‌پیچ می‌شود:
• تغییر در $$R$$ و $$L$$ توسط مدار آشکارساز شناسایی می‌گردد.

خروجی سنسور

• با عبور از آستانه تعریف‌شده، سوئیچ خروجی کنتاکت زنی یا تبدیل آنالوگ-دیجیتال انجام می‌دهد.

پارامترهای کلیدی عملکرد

• فاصله آشکارسازی (Sensing Distance):
  • بسته به مدل
• فرکانس کار (Operating Frequency):
  • معمولاً بین 1 تا 200 کیلو هرتز
• دقت و تکرارنپذیری (Repeatability):
  • اغلب کمتر از$$1\%$$ فاصله آشکارسازی
• دمای کار (Operating Temperature):
  • معمولاً -25 تا 150 درجه سانتیگراد
• محافظت الکترومغناطیسی (EMC Immunity):
• درجه حفاظت (Ingress Protection):

انواع سنسورهای القایی

بر اساس شکل و ابعاد

• استوانه‌ای (Cylindrical)
  • اندازه‌های استاندارد: M8 ،M12 ،M18 ،M30
• مکعبی یا مربعی (Rectangular/Square)
  • معمولاً برای نصب در فضاهای مستطیلی
• سر قابل تعویض (Interchangeable Head)
  • امکان جابجایی سری کم‌حجم برای کاربردهای محدود

بر اساس نصب و نحوه پنهان‌سازی

• Flush (Embedded)
  • کوپل‌شده با بدنه فلزی، امکان نصب توکار
• Non-Flush (Non-Shielded)
  • نصب بدون نیاز به فضای دقیق برای حفظ فاصله

بر اساس نوع خروجی

• دیجیتال (Switching)
  • PNP (منبع جریان مثبت)
  • NPN (منبع جریان منفی)
• آنالوگ (Analog)
  • جریان $$4–20\mathrm{mA}$$
  • ولتاژ $$0–10\mathrm{V}$$
• خروجی فرکانسی (Frequency Output)
  • توليد پالس متناسب با فاصله تا هدف

بر اساس کاربرد ویژه

• دمای بالا (High-Temperature)
  • تا +150 
• ضد انفجار (Explosion-Proof / Ex)
  • مطابق استاندارد ATEX یا IECEx
• مینیاتوری (Miniature / Subminiature)
  • ابعاد بسیار کوچک برای تجهیزات میکروفنی
• دامنه بلند (Long-Range)
  • فاصله آشکارسازی تا $$50\mathrm{mm}$$ یا بیشتر
• سنسور هوشمند (Smart / IO-Link)
  • قابلیت تنظیم از راه دور، پیش‌بینی خرابی، ذخیره پارامترها

برندهای معتبر

• Pepperl+Fuchs
  • پیشگام در سنسورهای صنعتی با تنوع گسترده، کیفیت بالای EMC
• SICK
  • تولیدکننده انواع سنسورهای القایی، خازنی، نوری؛ شهرت در دقت و پایداری
• Balluff
  • تمرکز بر فناوری IO-Link، سنسورهای مقاوم و طول عمر بالا
• Turck
  • ارائه مدل‌های ماژولار و ضد انفجار، خروجی دیجیتال و آنالوگ
• Keyence
  • نوآوری در سنسورهای مایکروویو و القایی با فاصله آشکارسازی بالا
• Omron
  • تنوع بالا در شکل و ابعاد، تمرکز بر قیمت-کیفیت مناسب
• Baumer
  • تولید سنسورهای صنعتی کوچک و کاربردهای ویژه
• ifm efector
  • یکپارچه‌سازی سنسور با انتقال داده صنعتی و مانیتورینگ

معیارهای انتخاب سنسور القایی

نوع هدف (فلز یا غیرفلز)

• اگر تشخیص غیرفلز نیاز است، سنسور خازنی جایگزین شود.

دمای محیط و شرایط حفاظت

• در محیط‌های مرطوب یا خورنده از $$IP67$$ به بالا و جنس بدنه استیل استفاده گردد.

نوع خروجی

• هماهنگ با ورودی PLC یا کارت ورودی آنالوگ

ولتاژ تغذیه و جریان مصرفی

• معمولاً $$10–30VDC$$ و جریان مصرف $$<20mA$$

نیاز به قابلیت‌های هوشمند

• در صورت نیاز به مانیتورینگ و تنظیم پارامترها از راه دور، مدل‌های IO-Link پیشنهاد می‌شوند.