سنسور القایی (Inductive Sensors) یکی از کلیدی‌ترین و پراستفاده‌ترین قطعات در اتوماسیون صنعتی مدرن هستند. این حسگرهای بدون تماس، وظیفه حیاتی تشخیص اشیاء فلزی را با دقتی بالا و در شرایط سخت صنعتی بر عهده دارند. در این مقاله به شکل مستقیم و فنی، به بررسی کاربرد سنسورهای القایی در صنایع مختلف، کالبدشکافی ساختار داخلی و جزئیات حیاتی سیم‌بندی آن‌ها می‌پردازیم.
سنسور القایی چیست و چگونه کار می‌کند؟
سنسور القایی یک حسگر مجاورتی است که بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی، صرفاً اشیاء فلزی را بدون نیاز به تماس فیزیکی تشخیص می‌دهد. در سر سنسور یک سیم‌پیچ قرار دارد که میدان مغناطیسی تولید می‌کند. با نزدیک شدن یک قطعه فلزی، جریان‌های گردابی در آن القا شده و انرژی میدان را کاهش می‌دهند. مدار داخلی سنسور این تغییر را تشخیص داده و سیگنال خروجی را فعال می‌کند. این عملکرد بدون تماس، کلید طول عمر بالا و مقاومت این سنسورها در برابر استهلاک فیزیکی است.
کالبدشکافی سنسور القایی: آشنایی با اجزای داخلی
برای درک عمیق‌تر عملکرد این حسگرها، باید نگاهی به اجزای داخلی آن‌ها بیندازیم. هر سنسور القایی از چند بخش اصلی تشکیل شده است که مانند یک تیم هماهنگ با هم کار می‌کنند.
سیم‌پیچ و هسته فریت (Coil & Ferrite Core)
این بخش، سر و صورت یا همان چهره حسی (Sensing Face) سنسور است. سیم‌پیچ از چندین دور سیم لاکی نازک تشکیل شده که به دور یک هسته فریت پیچیده شده است. هسته فریت وظیفه دارد میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ را متمرکز و تقویت کند تا حساسیت و فاصله تشخیص سنسور افزایش یابد. کیفیت این بخش مستقیماً بر دقت و پایداری سنسور تأثیر می‌گذارد.
مدار نوسان‌ساز (Oscillator)
این مدار، قلب تپنده سنسور است. وظیفه آن تولید یک سیگنال متناوب با فرکانس بالا (معمولاً در محدوده کیلوهرتز تا مگاهرتز) و ارسال آن به سیم‌پیچ است. این سیگنال، همان میدان الکترومغناطیسی را در جلوی سنسور ایجاد می‌کند. پایداری فرکانس این نوسان‌ساز برای عملکرد قابل اعتماد سنسور حیاتی است.
مدار آشکارساز (Demodulator / Schmitt Trigger)
این مدار مغز تصمیم‌گیرنده سنسور است. کار آن نظارت دائمی بر دامنه سیگنال در مدار نوسان‌ساز است. هنگامی که یک قطعه فلزی به سنسور نزدیک می‌شود و انرژی میدان را جذب می‌کند، دامنه نوسان کاهش می‌یابد. مدار آشکارساز این کاهش دامنه را تشخیص می‌دهد.
بخش مهمی از این مدار، تریگر اشمیت (Schmitt Trigger) است. این مدار یک ویژگی بسیار مهم به نام “هیسترزیس” را ایجاد می‌کند. یعنی نقطه فعال شدن سنسور (هنگام نزدیک شدن جسم) با نقطه غیرفعال شدن آن (هنگام دور شدن جسم) کمی تفاوت دارد. این ویژگی از “لرزش” یا قطع و وصل شدن مکرر خروجی در مواقعی که جسم در مرز فاصله تشخیص قرار دارد یا می‌لرزد، جلوگیری کرده و یک خروجی پایدار و تمیز را تضمین می‌کند.
طبقه خروجی (Output Stage)
این بخش، سخنگوی سنسور است. سیگنال دیجیتال (ON/OFF) تولید شده توسط مدار تریگر، برای فعال کردن بارهای صنعتی (مانند ورودی PLC یا یک رله کوچک) به اندازه کافی قوی نیست. طبقه خروجی این سیگنال ضعیف را تقویت کرده و از طریق یک ترانزیستور سوئیچینگ (PNP یا NPN) به سیم خروجی ارسال می‌کند. ساختار این ترانزیستور است که نوع خروجی سنسور را تعیین می‌کند.
تشریح کامل انواع خروجی سنسور (PNP، NPN، NO و NC)
انتخاب اشتباه نوع خروجی سنسور باعث عدم کارکرد صحیح آن با PLC می‌شود. درک این مفاهیم برای هر متخصص اتوماسیون ضروری است.
حالت کاری: Normally Open (NO) در مقابل Normally Closed (NC)
این ویژگی، وضعیت خروجی را در حالت عادی (بدون تشخیص هدف) مشخص می‌کند.
- Normally Open (NO): خروجی در حالت عادی قطع (OFF) است و با دیدن هدف فلزی، وصل (ON) می‌شود. این حالت، رایج‌ترین نوع برای کاربردهای شمارش و تشخیص حضور است.
- Normally Closed (NC): خروجی در حالت عادی وصل (ON) است و با دیدن هدف، قطع (OFF) می‌شود. این نوع بیشتر در کاربردهای ایمنی استفاده می‌شود تا در صورت قطع شدن سیم، سیستم متوجه خطا شود.
ساختار ترانزیستوری: PNP (Sourcing) در مقابل NPN (Sinking) و تفاوت سنسور pnp و npn
این ساختار مشخص می‌کند که خروجی سنسور، ولتاژ مثبت را فراهم می‌کند (PNP) یا به زمین متصل می‌شود (NPN).
- خروجی PNP (Sourcing): هنگام فعال شدن، ولتاژ مثبت (+V) را به سیم خروجی می‌دهد (Source). بار (مثلاً ورودی PLC) بین خروجی سنسور و زمین (0V) قرار می‌گیرد. این مدل در اروپا و آمریکای شمالی رایج است و با کارت‌های ورودی Sinking PLC کار می‌کند.
- خروجی NPN (Sinking): هنگام فعال شدن، سیم خروجی را به زمین (0V) متصل می‌کند (Sink). بار بین یک منبع ولتاژ مثبت (+V) و خروجی سنسور قرار می‌گیرد. این مدل در آسیا متداول است و با کارت‌های ورودی Sourcing PLC سازگار است.
راهنمای عملی سیم‌بندی سنسورهای القایی
سیم‌بندی صحیح سنسور اولین قدم برای راه‌اندازی موفق یک سیستم اتوماسیون است. خوشبختانه، سیم‌بندی این سنسورها از یک استاندارد رنگ‌بندی جهانی پیروی می‌کند که کار را بسیار ساده می‌کند:
- قهوه‌ای (Brown): تغذیه مثبت (
+VDC) – معمولاً 24 ولت DC. - آبی (Blue): تغذیه منفی (
0VیاGND). - مشکی (Black): سیم خروجی اصلی (Signal Output).
- سفید (White): سیم خروجی دوم یا خروجی مکمل (معمولاً در سنسورهای 4 سیمه).
سنسورهای سه-سیمه DC (رایج‌ترین نوع)
این سنسورها به سه سیم نیاز دارند: دو سیم برای تغذیه و یک سیم برای خروجی.
نحوه سیم‌بندی سنسور PNP:
در این حالت، سنسور ولتاژ مثبت را سوئیچ می‌کند.
- سیم قهوه‌ای را به پلاریته مثبت (+) منبع تغذیه (مثلاً 24V+) وصل کنید.
- سیم آبی را به پلاریته منفی (-) منبع تغذیه (0V) وصل کنید.
- سیم مشکی (خروجی) را به ورودی PLC یا یک سر بار (مثلاً یک رله) وصل کنید.
- سر دیگر بار (PLC/رله) باید به منفی (-) منبع تغذیه (0V) متصل شود.
نحوه سیم‌بندی سنسور NPN:
در این حالت، سنسور ولتاژ منفی (زمین) را سوئیچ می‌کند.
- سیم قهوه‌ای را به پلاریته مثبت (+) منبع تغذیه (24V+) وصل کنید.
- سیم آبی را به پلاریته منفی (-) منبع تغذیه (0V) وصل کنید.
- سیم مشکی (خروجی) را به ورودی PLC یا یک سر بار وصل کنید.
- سر دیگر بار (PLC/رله) باید به مثبت (+) منبع تغذیه (24V+) متصل شود.
سنسورهای چهار-سیمه DC
این سنسورها هر دو خروجی NO و NC را به صورت همزمان در اختیار شما قرار می‌دهند که انعطاف‌پذیری بالایی در طراحی مدار فرمان ایجاد می‌کند.
- سیم‌بندی: سیم‌های قهوه‌ای و آبی مانند حالت سه-سیمه برای تغذیه وصل می‌شوند. سیم مشکی یک خروجی (مثلاً NO) و سیم سفید خروجی مکمل (NC) است. شما می‌توانید بسته به نیازتان از هر کدام از این خروجی‌ها یا هر دو استفاده کنید.
سنسورهای دو-سیمه (AC یا DC)
این سنسورها مانند یک کلید ساده به صورت سری با بار قرار می‌گیرند. آن‌ها تغذیه خود را از طریق همان دو سیمی که به بار متصل هستند دریافت می‌کنند. یک نکته مهم در مورد آن‌ها وجود جریان نشتی (Leakage Current) است؛ یعنی حتی در حالت خاموش نیز جریان بسیار کمی از آن‌ها عبور می‌کند که ممکن است برای برخی ورودی‌های حساس PLC مشکل‌ساز باشد.
از تشخیص تا فرمان: نقش PLC در کنار سنسورها
سنسور تنها یک سیگنال خام (ON/OFF) تولید می‌کند. این سیگنال به ورودی دیجیتال کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر (PLC) ارسال می‌شود. این برنامه PLC است که تصمیم می‌گیرد در پاسخ به سیگنال سنسور چه عملی (فعال کردن یک جک، روشن کردن موتور یا شمارش) انجام شود. درک عملکرد سنسور یک چیز است، اما توانایی برنامه‌نویسی PLC برای استفاده هوشمندانه از این اطلاعات، مهارتی است که یک متخصص را متمایز می‌کند.
[برای مشاهده سرفصل‌ها و تهیه دوره آموزش PLC کلیک کنیدآموزش PLC]
جمع‌بندی نهایی
سنسور القایی، به دلیل استحکام، دقت و قیمت مناسب، جزء جدایی‌ناپذیر صنعت مدرن هستند. کاربرد سنسورهای القایی در صنایع مختلف از خودروسازی تا صنایع غذایی گسترده است. انتخاب صحیح این سنسورها بر اساس پارامترهای فنی مانند فاصله تشخیص و به خصوص نوع خروجی (PNP/NPN)، و همچنین سیم‌بندی درست آن‌ها بر اساس استانداردهای جهانی، اولین گام برای طراحی یک سیستم اتوماسیون قابل اعتماد است. گام بعدی، تسلط بر PLC برای استفاده هوشمندانه از داده‌های این سنسورها و کنترل فرآیندهای صنعتی است.
