Induktiver Sensor

Induktive Sensoren sind Näherungssensoren und werden vielfach auch als Näherungschalter bezeichnet und dienen zum berührungslosen induktiven Erfassen von Metallteilen und Maschinenkomponenten aus Metall. Sie gehören zu den Wegsensoren (Wegmesssystemen), die mit dem induktiven Messprinzip arbeiten.

Synonym(e): LVDT, Linear Variable Differential Transformer

Funktionsprinzip eines induktiven Näherungssensors - von CMA/Flodyne/Hydradyne

Induktive Sensor zählen zu den Positionssensor. Diese Sensoren können sowohl als schaltende Sensoren (binär) als auch als analoge Sensoren ausgeführt sein. Sie werden auch als Näherungssensoren oder Näherungsschalter bezeichnet.

Zielobjekte

Näherungssensoren erfassen und erkennen Objekte aus Eisen- und Nichteisenmetallen.

Typische Anwendungen

Eine typische Anwendung ist das berührungslose und damit verschleißfreie Erfassen von Endlagen von bewegten Maschinenteilen. Ein induktiver Näherungsschalter wird bei CNC-Maschinen als Endschalter eingesetzt, der bereits bei Annährung auf elektrisch leitfähige Materialien reagiert. Durch die Reaktion noch vor der Berührung der Teile wird ein Schaltvorgang aktiviert, ohne den Austausch eines direkten Kontaktes. Große Anwendung finden induktive Näherungsschalter neben der CNC Technik in der Automatisierungstechnik. Aber auch in Fahrbahnbelegen, Metalldetektoren und Ampelschaltungen kommen induktive Näherungssensoren zum Einsatz. In hochdruckfesten Bauformen erfassen induktive Näherungsschalter z. B. auch die Endlagen von hydraulischen Zylindern. Weitere Anwendungsbereiche nach Branche sind:

• (Sonder)maschinen- und Anlagenbau
• Fördertechnik
• Verpackungsindustrie
• Automobilbranche

Aufbau

Grundsätzlich ist ein induktiver Näherungssensor in drei Funktionseinheiten aufgebaut. Die Einheiten setzen sich aus einem Oszillator, einer Auswerteeinheit und einer Ausgangsstufe zusammen. Die einzelnen Elemente der Funktionseinheiten nennen sich Ferritkern mit Spule, Oszillator, Demodulator, Komparator und Endschalter. Oszillator sowie Spule und Ferritkern sind mit einem elektromagnetischen Schwingkreis umgeben.
Natürlich können einzelne Bauelemente von Hersteller zu Hersteller variieren.
Der Schaltabstand von induktiven Näherungsschaltern ist physikalisch durch die Reichweite des Feldes begrenzt. Große Sensorbauformen haben große Schaltabstände. Bei Messing reduziert sich der Schaltabstand auf ca. 40 %.

Funktionsweise

Von der aktiven Oberfläche der Näherungssensoren wird ein oszillierendes elektromagnetisches Feld abgestrahlt. Zielobjekte aus Metall, die in das Magnetfeld gelangen, nehmen aufgrund des Wirbelstromeffekts eine geringe Menge an Energie von dem Oszillator auf. Wenn die Energieübertragung einen Schwellenwert erreicht, wird die Zielobjekterfassung bestätigt und der Sensorausgang ändert seinen Zustand.

Typischer Schaltabstand

Der Schaltabstand ist die Entfernung eines Objekts von der aktiven Sensorfläche, bei der ein Schaltsignal generiert wird.

Der Messbereich beträgt abhängig von der Bauform und Baugröße des Sensors zwischen maximal 0,5 mm bis 50 mm. Die Reaktion eines induktiven Näherungssensors hängt vom Schaltabstand ab. Beeinflusst wird der Schaltabstand vom Material des sich nährenden Gegenstandes sowie von der Konstruktion des induktiven Sensors. Da sich elektromagentische Spannungen nur bei Teilen ändern, die das Energiefeld schwächen, muss das Material des Objektes elektrisch leitfähig sein. Das Objekt muss somit aus Metall sein. Stahl wird zum Beispiel besser detektiert als Kupfer - deshalb werden sogenannte Reduktionsfaktoren bzw. Korrekturfaktoren von Herstellern angegeben.

Die Sensoren nutzen den Effekt der Güteänderung eines Resonanzschwingkreises, der durch Wirbelstromverluste in leitenden Materialien hervorgerufen wird. Ein LC-Schwingkreis erzeugt ein hochfrequentes Wechselfeld. Gelangt ein elektrisch leitfähiges Material in das Feld, so entstehen nach dem Induktionsgesetz Wirbelströme, die dem Schwingkreis Energie entziehen. Dadurch verkleinert sich die Schwingungsamplitude. Diese Änderung wird in ein Schaltsignal umgesetzt. Aus dem Funktionsmechanismus folgt, dass sämtliche Metalle erfasst werden.

Es kann zwischen Nennschaltabstand (sn) und Realschaltabstand (sr) unterschieden werden.

Bauformen

Quaderförmiges Gehäuse eines induktiven Sensors

Induktive Näherungssensoren werden in vielen verschiedenen Gehäusebauformen angeboten. Typische Bauformen von Näherungsschaltern sind runde (M4, M5, M8, M12, M18 und M30) oder quaderförmige Gehäuse.

Drei wichtige Fakten

1. Die Größe des Zielobjekts/Messobjekts ist entscheidend

2. Der Werkstoff des Zielobjekts beeinflusst den Schaltabstand

3. Bei Annäherung aus verschieden Richtungen ändert sich der Schaltabstand

Vorteile induktive Sensoren

Neben induktiven Näherungssenoren erfüllen mechanische Endschalter den gleichen Zweck. Allerdings haben induktive Endschalter einige Vorteile gegenüber mechanischen Endschaltern.

• Bieten eine verschleißfreie und berührungslose Arbeitsweise
• Hohe Schaltgenauigkeit und Schaltfrequenzen
• Schmutzunempfindlich
• Unempfindlichkeit bei Erschütterungen und Vibrationen. Diese Aspekte sind vor allem bei Arbeiten mit CNC-Maschinen wichtig.
• Temperaturbereiche von -60° Grad bis +450° Grad sind möglich