От роботизирани задвижващи вериги до транспортни ленти в операции на веригата за доставки до люлеенето на кулите на вятърните турбини, отчитането на позицията е критична функция в широк спектър от приложения. То може да приеме много форми, включително линейни, въртящи се, ъглови, абсолютни, инкрементални, контактни и безконтактни сензори. Разработени са специализирани сензори, които могат да определят позицията в три измерения. Технологиите за отчитане на позиция включват потенциометрични, индуктивни, ед. dy ток, капацитивен, магнитостриктивен, ефект на Хол, оптичен, оптичен и ултразвуков.
Този ЧЗВ предоставя кратко въведение в различните форми на отчитане на позицията, след което прави преглед на набор от технологии, от които дизайнерите могат да избират, когато прилагат решение за отчитане на позиция.
Потенциометричните сензори за позиция са устройства, базирани на съпротивление, които съчетават фиксирана резистивна писта с чистачка, прикрепена към обекта, чиято позиция трябва да бъде разпозната. Движението на обекта премества чистачките по релсата. Позицията на обекта се измерва чрез използване на мрежа от делител на напрежение, образувана от релси и чистачки, за измерване на линейно или въртеливо движение с фиксирано постоянно напрежение (Фигура 1). Потенциометричните сензори са с ниска цена, но обикновено имат ниска точност бързина и повторяемост.
Индуктивните сензори за положение използват промени в свойствата на магнитното поле, индуцирано в намотката на сензора. В зависимост от тяхната архитектура те могат да измерват линейна или ротационна позиция. Сензорите за позиция с линеен променлив диференциален трансформатор (LVDT) използват три намотки, увити около куха тръба;първична намотка и две вторични намотки. Намотките са свързани последователно и съотношението на фазите на вторичната намотка е 180° извън фазата по отношение на първичната намотка. Феромагнитна сърцевина, наречена арматура, се поставя вътре в тръбата и се свързва с обекта на мястото, което се измерва. Възбуждащо напрежение се прилага към първичната намотка и във вторичната намотка се индуцира електромагнитна сила (ЕМП). Чрез измерване на разликата в напрежението между вторични бобини, относителното положение на арматурата и това, към което е прикрепена, може да се определи. Трансформаторът за диференциално напрежение на въртене (RVDT) използва същата техника за проследяване на позицията на въртене. Сензорите LVDT и RVDT предлагат добра точност, линейност, разделителна способност и висока чувствителност. Те са без триене и могат да бъдат запечатани за използване в тежки условия.
Сензорите за положение на вихрови токове работят с проводящи обекти. Вихровите токове са индуцирани токове, които възникват в проводими материали в присъствието на променящо се магнитно поле. Тези токове протичат в затворен контур и генерират вторично магнитно поле. Сензорите за вихрови токове се състоят от намотки и вериги за линеаризация. Променливият ток захранва бобината, за да създаде първичното магнитно поле. Когато обект се приближава или отдалечава от бобината, неговата позиция може да бъде усетена чрез взаимодействието на вторично поле, създадено от вихрови токове, което влияе върху импеданса на бобината. Когато обектът се приближи до бобината, загубите от вихрови токове се увеличават и осцилиращото напрежение става по-малко (Фигура 2). Осцилиращото напрежение се коригира и обработва от верига на линеаризатор, за да се получи линеен DC изход, пропорционален на разстоянието на обекта.
Вихровотоковите устройства са здрави, безконтактни устройства, които обикновено се използват като сензори за близост. Те са многопосочни и могат да определят относителното разстояние до обекта, но не и посоката или абсолютното разстояние до обекта.
Както подсказва името, капацитивните сензори за позиция измерват промените в капацитета, за да определят позицията на обекта, който се усеща. Тези безконтактни сензори могат да се използват за измерване на линейна или ротационна позиция. Те се състоят от две плочи, разделени от диелектричен материал, и използват един от двата метода за откриване на позицията на обект:
За да се предизвика промяна в диелектричната константа, обектът, чиято позиция трябва да бъде открита, е прикрепен към диелектричния материал. Тъй като диелектричният материал се движи, ефективната диелектрична константа на кондензатора се променя поради комбинацията от площта на диелектричния материал и диелектричната константа на въздуха. Алтернативно, обектът може да бъде свързан към една от плочите на кондензатора. Докато обектът се движи, плочите се приближават или отдалечават, и промяната в капацитета се използва за определяне на относителната позиция.
Капацитивните сензори могат да измерват изместването, разстоянието, позицията и дебелината на обектите. Благодарение на тяхната висока стабилност и разделителна способност на сигнала, капацитивните сензори за изместване се използват в лабораторни и промишлени среди. Например, капацитивните сензори се използват за измерване на дебелината на филма и лепилни приложения в автоматизирани процеси. В индустриалните машини те се използват за наблюдение на изместването и позицията на инструмента.
Магнитострикцията е свойство на феромагнитните материали, което кара материала да променя размера или формата си, когато се приложи магнитно поле. В магнитостриктивния сензор за положение, подвижен позиционен магнит е прикрепен към измервания обект. Състои се от вълновод, състоящ се от проводници, които пренасят токови импулси, свързани към сензор, разположен в края на вълновода (Фигура 3). Когато токов импулс се изпрати надолу по вълновода, в проводника се създава магнитно поле който взаимодейства с аксиалното магнитно поле на постоянния магнит (магнитът в буталото на цилиндъра, Фигура 3а). Взаимодействието на полето се причинява от усукване (ефектът на Видеман), което опъва проводника, създавайки акустичен импулс, който се разпространява по вълновода и се открива от сензор в края на вълновода (фиг. 3b). Чрез измерване на изминалото време между началото на текущия импулс и откриването на акустичния импулс, относителната позиция на позиционния магнит и следователно обектът може да бъде измерен (фиг.3в).
Магнитострикционните сензори за положение са безконтактни сензори, използвани за откриване на линейна позиция. Вълноводите често се помещават в тръби от неръждаема стомана или алуминий, което позволява тези сензори да се използват в мръсна или мокра среда.
Когато тънък, плосък проводник се постави в магнитно поле, всеки протичащ ток има тенденция да се натрупва от едната страна на проводника, създавайки потенциална разлика, наречена напрежение на Хол. Ако токът в проводника е постоянен, величината на напрежението на Хол ще отразява силата на магнитното поле. В сензор за позиция с ефект на Хол обектът е свързан към магнит, разположен в вала на сензора. Докато обектът се движи, позицията на магнита се променя спрямо елемента на Хол, което води до промяна на напрежението на Хол. B y измерване на напрежението на Хол може да се определи позицията на даден обект. Има специализирани сензори за позиция с ефект на Хол, които могат да определят позицията в три измерения (Фигура 4). Сензорите за позиция с ефект на Хол са безконтактни устройства, които осигуряват висока надеждност и бързо отчитане и работят в широк температурен диапазон. Те се използват в редица потребителски, индустриални, автомобилни и медицински приложения.
Има два основни типа фиброоптични сензори. При вътрешните фиброоптични сензори влакното се използва като чувствителен елемент. При външните фиброоптични сензори фиброоптиката се комбинира с друга сензорна технология за препредаване на сигнала към отдалечена електроника за обработка. В случай на вътрешни измервания на позицията на влакното може да се използва устройство като оптичен времеви домейн рефлектометър за определяне на забавянето във времето. Изместването на дължината на вълната може да се изчисли с помощта на инструмент, който прилага оптичен рефлектометър с честотен домейн. Оптичните сензори са имунизирани срещу електромагнитни смущения, могат да бъдат проектирани да работят при високи температури и са непроводими, така че могат да се използват в близост до високо налягане или запалими материали.
Друг фиброоптичен сензор, базиран на технологията на фибробраговата решетка (FBG), също може да се използва за измерване на позицията. FBG действа като прорезен филтър, отразяващ малка част от светлината, центрирана върху дължината на вълната на Браг (λB), когато е осветен от широкоспектърна светлина. Произведен е с микроструктури, гравирани в сърцевината на влакното. FBGs могат да се използват за измерване на различни параметри като температура, напрежение, налягане, наклон, изместване, ускорение и натоварване.
Има два типа оптични сензори за позиция, известни също като оптични енкодери. В единия случай светлината се изпраща към приемник на другия край на сензора. Във втория тип излъчваният светлинен сигнал се отразява от наблюдавания обект и се връща към източника на светлина. В зависимост от дизайна на сензора, промените в свойствата на светлината, като дължина на вълната, интензитет, фаза или поляризация, се използват за определяне на позицията на обект. Базирани на енкодер оптични сензори за позиция са налични за линейни и въртеливо движение. Тези сензори попадат в три основни категории;предавателни оптични енкодери, отразяващи оптични енкодери и интерферометрични оптични енкодери.
Ултразвуковите сензори за позиция използват пиезоелектрични кристални преобразуватели, за да излъчват високочестотни ултразвукови вълни. Сензорът измерва отразения звук. Ултразвуковите сензори могат да се използват като прости сензори за близост или по-сложни конструкции могат да предоставят информация за обхват. Ултразвуковите сензори за позиция работят с целеви обекти от различни материали и повърхностни характеристики и могат да откриват малки обекти на по-големи разстояния от много други видове сензори за позиция. Те са устойчиви на вибрации, амби шум, инфрачервено лъчение и електромагнитни смущения. Примери за приложения, използващи ултразвукови сензори за положение, включват откриване на нивото на течности, високоскоростно броене на обекти, роботизирани навигационни системи и автомобилни сензори. Типичният автомобилен ултразвуков сензор се състои от пластмасов корпус, пиезоелектричен преобразувател с допълнителна мембрана и печатна платка с електронни схеми и микроконтролери за предаване, приемане и обработка на сигнали (Фигура 5).
Сензорите за позиция могат да измерват абсолютно или относително линейно, ротационно и ъглово движение на обекти. Сензорите за позиция могат да измерват движението на устройства като задвижващи механизми или двигатели. Те се използват и в мобилни платформи като роботи и автомобили. В сензорите за позиция се използват различни технологии с различни комбинации от устойчивост на околната среда, цена, точност, повторяемост и други атрибути.
3D Magnetic Position Sensors, Allegro MicrosystemsAnalyzing and Enhancing the Security of Ultrasonic Sensors for Autonomous Vehicles, IEEE Internet of Things Journal Как да изберем сензор за позиция, Cambridge Integrated Circuits Видове сензори за позиция, Ixthus InstrumentationWhat is a inductive position senzor?, Keyence What is Magnetostrictive Position Sensing?, AMETEK
Прегледайте най-новите броеве на Design World и предишни издания в лесен за използване формат с високо качество. Редактирайте, споделяйте и изтегляйте днес с водещото списание за инженеринг в дизайна.
Най-добрият световен EE форум за решаване на проблеми, обхващащ микроконтролери, DSP, мрежи, аналогов и цифров дизайн, RF, силова електроника, маршрутизиране на печатни платки и др.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. всички права запазени. Материалите на този сайт не могат да бъдат възпроизвеждани, разпространявани, предавани, кеширани или използвани по друг начин без предварителното писмено разрешение на WTWH Media Правила за поверителност |Рекламиране |За нас