Näherungsschalter

Autoren: Thomas Datche, Mohamed Soliman
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

Induktiver Näherungsschalter

Definition

Ein induktiver Näherungsschalter ist ein berührungsloser Sensor, der auf Metalle (elektrisch leitfähige Materialien) in seinem Messfeld reagiert. Das Grundprinzip dieser induktiven Sensoren besteht darin, dass die Induktivität oder ihre Qualität durch eine Änderung der Position in Bezug auf ein leitendes und/oder ferromagnetisches Teil verändert wird. Die Induktivität der Spule hängt vom Quadrat der Windungszahl und dem magnetischen Widerstand des Kreises ab, wie die folgende Formel zeigt: L=N^2/Rm .Wobei L ist die Induktivität, Rm der Widerstand des magnetischen Kreises und N die Windungszahl. Die Abbildung 1^[1] zeigt einen Überblick über einen induktiven Näherungsschalter, der für das Projekt Ampel-Demonstrator Erweiterung verwendet wurde

Aufbau und Funktionsweise

Aufbau

Der induktive Sensor besteht aus den folgenden Komponenten:

• Spule

• Ferritkern

• Oszillator

• Komparator

• Endstufe

Die Spule und der Ferritkern bilden einen LC-Schaltkreis. Wenn dieser LC-Schwingkreis von einem Oszillator gespeist wird, erzeugt er ein Magnetfeld. Abbildung 2 ^[2] zeigt, wie der induktive Sensor aufgebaut ist.

Funktionsweise

Die Funktionsweise des Sensors beruht auf dem Induktionsgesetz. Da an der Spule ein magnetisches Feld erzeugt wird, beobachtet man auch einen magnetischen Fluss ᴪ. Der magnetische Fluss ᴪ ist das Skalarprodukt aus der magnetischen Feldstärke B und der Oberfläche A. Mathematisch kann man es auch in dieser Form schreiben ᴪ =B×A×cosα .Wobei α der Winkel zwischen B und A ist. Wenn man also ein Metall in die Nähe des aktiven Bereichs des Sensors bringt, beobachtet man eine Deformation des magnetischen Feldes. Diese Deformation bzw. das Bedämpfen führt zur Erzeugung einer elektrischen Spannung Ui, die als induzierte Spannung bezeichnet wird, gemäß der Formel: Ui= - dᴪ/dt Durch die Veränderung des Magnetfeldes erfährt die Spule eine Impedanzänderung. Ist das Bedämpfen bzw. die Deformation so groß, dass die Schwingungsamplitude einen gewissen Wert überschreitet, spricht ein Komparator an und gibt über die Endstufe ein Ausgangssignal aus.

Kapazitiver Näherungsschalter

Definition

Kapazitive Näherungssensoren auf der Abbildung 3 ^[3] sind berührungslose Schalter. Sie erkennen leitfähige und nicht leitfähige Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Holz, Flüssigkeiten, Pasten und Schüttgut. Es ist sogar möglich, Messungen durch nichtleitende Materialien hindurch durchzuführen. So ist es z. B. möglich, Flüssigkeiten durch Kunststoffwände hindurch zu erkennen. Der Kondensator bildet die technische Grundlage für die Funktionsweise kapazitiver Sensoren.Sie arbeiten wie die induktiven Sensoren berührungslos, kontaktlos und rückwirkungsfrei.

Aufbau und Funktionsweise

Das aktive Element eines kapazitiven Sensors besteht aus einer Sensorelektrode und einer Abschirmung ( Abbildung 4 ^[4].

Diese beiden Elektroden bilden zusammen einen Kondensator.Durch Annähern einer Schaltfahne (metallischer oder nichtmetallischer Gegenstand) erfolgt im elektrischen Feld dieses Kondensators eine Kapazitätsänderung,d.h. der Kondensator des RC-Schwingkreises ist so angeordnet, dass sich seine Kapazität bei Annäherung eines Gegenstandes vergrößert.Der Oszillator wird so abgestimmt, dass er erst durch diese Kapazitätszunahme schwingfähig wird. Dieses Anschwingen bei Annäherung eines Gegenstandes wirdvon einem Komparator erkannt und über die Endstufe ausgegeben.