Von Roboterantriebsketten über Förderbänder in Lieferketten bis hin zum Schwanken von Windturbinentürmen ist die Positionserkennung eine entscheidende Funktion in einer Vielzahl von Anwendungen. Sie kann viele Formen annehmen, einschließlich linearer, rotierender, winkeliger, absoluter, inkrementeller, berührender und berührungsloser Sensoren. Es wurden spezielle Sensoren entwickelt, die die Position in drei Dimensionen bestimmen können. Zu den Positionserkennungstechnologien gehören potentiometrische, induktive, Wirbelstrom-, kapazitive, magnetostriktive, Hall-Effekt-, Glasfaser-, optische und Ultraschall-Technologien.
Diese FAQ bietet eine kurze Einführung in die verschiedenen Formen der Positionserfassung und geht anschließend auf eine Reihe von Technologien ein, aus denen Designer bei der Implementierung einer Positionserfassungslösung wählen können.
Potentiometrische Positionssensoren sind widerstandsbasierte Geräte, die eine feste Widerstandsbahn mit einem Schleifer kombinieren, der an dem Objekt befestigt ist, dessen Position erfasst werden muss. Die Bewegung des Objekts bewegt den Schleifer entlang der Schiene. Die Position des Objekts wird mithilfe eines Spannungsteilernetzwerks gemessen, das aus Schienen und Schleifern besteht, um lineare oder rotierende Bewegungen mit einer festen Gleichspannung zu messen (Abbildung 1). Potentiometrische Sensoren sind kostengünstig, weisen jedoch im Allgemeinen eine geringe Genauigkeit und Wiederholbarkeit auf.
Induktive Positionssensoren nutzen Änderungen in den Eigenschaften des in der Sensorspule induzierten Magnetfelds. Abhängig von ihrer Architektur können sie lineare oder rotatorische Positionen messen. LVDT-Positionssensoren (Linear Variable Differential Transformer) verwenden drei Spulen, die um ein Hohlrohr gewickelt sind.Eine Primärspule und zwei Sekundärspulen. Die Spulen sind in Reihe geschaltet, und die Phasenbeziehung der Sekundärspule ist gegenüber der Primärspule um 180° phasenverschoben. Ein ferromagnetischer Kern, der Anker genannt wird, wird im Rohr platziert und an der Messstelle mit dem Objekt verbunden. An die Primärspule wird eine Erregerspannung angelegt und in der Sekundärspule eine elektromagnetische Kraft (EMF) induziert. Durch Messung der Spannungsdifferenz zwischen den Sekundärspulen kann die relative Position des Ankers und seiner Befestigung bestimmt werden Ein rotierender Spannungsdifferentialtransformator (RVDT) verwendet die gleiche Technik zur Verfolgung der Drehposition. LVDT- und RVDT-Sensoren bieten gute Genauigkeit, Linearität, Auflösung und hohe Empfindlichkeit. Sie sind reibungsfrei und können für den Einsatz in rauen Umgebungen abgedichtet werden.
Wirbelstrom-Positionssensoren arbeiten mit leitfähigen Objekten. Wirbelströme sind induzierte Ströme, die in leitfähigen Materialien in Gegenwart eines sich ändernden Magnetfelds auftreten. Diese Ströme fließen in einer geschlossenen Schleife und erzeugen ein sekundäres Magnetfeld. Wirbelstromsensoren bestehen aus Spulen und Linearisierungsschaltungen. Der Wechselstrom erregt die Spule, um das primäre Magnetfeld zu erzeugen. Wenn sich ein Objekt der Spule nähert oder sich von ihr entfernt, kann seine Position mithilfe der Wechselwirkung des durch Wirbelströme erzeugten Sekundärfelds erfasst werden, das die Spule beeinflusst. s Impedanz. Wenn sich das Objekt der Spule nähert, nehmen die Wirbelstromverluste zu und die oszillierende Spannung wird kleiner (Abbildung 2). Die oszillierende Spannung wird gleichgerichtet und von einer Linearisierungsschaltung verarbeitet, um einen linearen Gleichstromausgang proportional zur Entfernung des Objekts zu erzeugen.
Wirbelstromgeräte sind robuste, berührungslose Geräte, die typischerweise als Näherungssensoren verwendet werden. Sie sind omnidirektional und können den relativen Abstand zum Objekt bestimmen, jedoch nicht die Richtung oder den absoluten Abstand zum Objekt.
Wie der Name schon sagt, messen kapazitive Positionssensoren Kapazitätsänderungen, um die Position des erfassten Objekts zu bestimmen. Diese berührungslosen Sensoren können zur Messung der linearen oder rotatorischen Position verwendet werden. Sie bestehen aus zwei durch ein dielektrisches Material getrennten Platten und verwenden eine von zwei Methoden, um die Position eines Objekts zu erfassen:
Um eine Änderung der Dielektrizitätskonstante zu bewirken, wird das Objekt, dessen Position erfasst werden soll, am dielektrischen Material befestigt. Wenn sich das dielektrische Material bewegt, ändert sich die effektive Dielektrizitätskonstante des Kondensators aufgrund der Kombination aus der Fläche des dielektrischen Materials und der Dielektrizitätskonstante von Luft. Alternativ kann das Objekt mit einer der Kondensatorplatten verbunden werden. Wenn sich das Objekt bewegt, bewegen sich die Platten näher oder weiter, und die Änderung der Kapazität wird zur Bestimmung der relativen Position verwendet.
Kapazitive Sensoren können Weg, Abstand, Position und Dicke von Objekten messen. Aufgrund ihrer hohen Signalstabilität und Auflösung werden kapazitive Wegsensoren in Labor- und Industrieumgebungen eingesetzt. Beispielsweise werden kapazitive Sensoren zur Messung von Filmdicken und Klebstoffaufträgen in automatisierten Prozessen eingesetzt. In Industriemaschinen werden sie zur Überwachung von Weg und Werkzeugposition eingesetzt.
Magnetostriktion ist eine Eigenschaft ferromagnetischer Materialien, die dazu führt, dass das Material seine Größe oder Form ändert, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Bei einem magnetostriktiven Positionssensor ist ein beweglicher Positionsmagnet am zu messenden Objekt angebracht. Er besteht aus einem Wellenleiter, der aus Drähten besteht, die Stromimpulse übertragen und mit einem Sensor am Ende des Wellenleiters verbunden sind (Abbildung 3). Wenn ein Stromimpuls durch den Wellenleiter gesendet wird, entsteht im Draht ein Magnetfeld, das mit dem axialen Magnetfeld des Permanentmagneten (dem Magneten im Zylinderkolben) interagiert , Abbildung 3a). Die Feldwechselwirkung wird durch Verdrehung (Wiedemann-Effekt) verursacht, die den Draht spannt und einen akustischen Impuls erzeugt, der sich entlang des Wellenleiters ausbreitet und von einem Sensor am Ende des Wellenleiters erfasst wird (Abb. 3b). Durch Messung der verstrichenen Zeit zwischen dem Einleiten des Stromimpulses und der Erkennung des akustischen Impulses kann die relative Position des Positionsmagneten und damit des Objekts gemessen werden (Abb.3c).
Magnetostriktive Positionssensoren sind berührungslose Sensoren zur Erfassung der linearen Position. Wellenleiter sind häufig in Edelstahl- oder Aluminiumrohren untergebracht, sodass diese Sensoren in schmutzigen oder nassen Umgebungen eingesetzt werden können.
Wenn ein dünner, flacher Leiter in ein Magnetfeld gebracht wird, neigt der fließende Strom dazu, sich auf einer Seite des Leiters aufzubauen, wodurch eine Potentialdifferenz entsteht, die als Hall-Spannung bezeichnet wird. Wenn der Strom im Leiter konstant ist, spiegelt die Größe der Hall-Spannung die Stärke des Magnetfelds wider. Bei einem Hall-Effekt-Positionssensor ist das Objekt mit einem Magneten verbunden, der im Sensorschaft untergebracht ist. Wenn sich das Objekt bewegt, ändert sich die Position des Magneten relativ zum Hall-Element, was zu einer sich ändernden Hall-Spannung führt. Durch Messung der Hall-Spannung kann die Position eines Objekts ermittelt werden bestimmt werden. Es gibt spezielle Hall-Effekt-Positionssensoren, die die Position in drei Dimensionen bestimmen können (Abbildung 4). Hall-Effekt-Positionssensoren sind berührungslose Geräte, die eine hohe Zuverlässigkeit und schnelle Erfassung bieten und über einen weiten Temperaturbereich arbeiten. Sie werden in einer Reihe von Verbraucher-, Industrie-, Automobil- und Medizinanwendungen eingesetzt.
Es gibt zwei Grundtypen von faseroptischen Sensoren. Bei intrinsischen faseroptischen Sensoren wird die Faser als Sensorelement verwendet. Bei externen faseroptischen Sensoren wird die Faseroptik mit einer anderen Sensortechnologie kombiniert, um das Signal zur Verarbeitung an eine entfernte Elektronik weiterzuleiten. Bei intrinsischen Faserpositionsmessungen kann ein Gerät wie ein optisches Zeitbereichsreflektometer verwendet werden, um die Zeitverzögerung zu bestimmen. Die Wellenlängenverschiebung kann mit einem Instrument berechnet werden, das ein optisches Frequenzbereichsreflektometer implementiert arbeiten bei hohen Temperaturen und sind nicht leitend, sodass sie in der Nähe von Hochdruck oder brennbaren Materialien verwendet werden können.
Eine andere faseroptische Sensorik, die auf der Faser-Bragg-Gitter-Technologie (FBG) basiert, kann auch zur Positionsmessung verwendet werden. Der FBG fungiert als Kerbfilter und reflektiert einen kleinen Teil des Lichts mit der Bragg-Wellenlänge (λB), wenn er mit Breitspektrumlicht beleuchtet wird. Er wird mit in den Faserkern geätzten Mikrostrukturen hergestellt. Mit FBGs können verschiedene Parameter wie Temperatur, Dehnung, Druck, Neigung, Verschiebung, Beschleunigung und Last gemessen werden.
Es gibt zwei Arten von optischen Positionssensoren, auch optische Encoder genannt. In einem Fall wird Licht an einen Empfänger am anderen Ende des Sensors gesendet. Bei der zweiten Art wird das ausgesendete Lichtsignal vom überwachten Objekt reflektiert und zur Lichtquelle zurückgeführt. Je nach Sensordesign werden Änderungen der Lichteigenschaften wie Wellenlänge, Intensität, Phase oder Polarisation verwendet, um die Position eines Objekts zu bestimmen. Encoderbasierte optische Positionssensoren sind für lineare und rotatorische Bewegungen erhältlich. Diese Sensoren fallen in drei Hauptkategorien:transmissive optische Encoder, reflektive optische Encoder und interferometrische optische Encoder.
Ultraschall-Positionssensoren verwenden piezoelektrische Kristallwandler, um hochfrequente Ultraschallwellen auszusenden. Der Sensor misst den reflektierten Schall. Ultraschallsensoren können als einfache Näherungssensoren verwendet werden, oder komplexere Designs können Entfernungsinformationen liefern. Ultraschall-Positionssensoren arbeiten mit Zielobjekten aus einer Vielzahl von Materialien und Oberflächenmerkmalen und können kleine Objekte in größeren Entfernungen erkennen als viele andere Arten von Positionssensoren. Sie sind resistent gegen Vibrationen, Umgebungsgeräusche, Infrarotstrahlung und elektromagnetische Störungen. Beispiele für Anwendungen mit Ultraschall-Positionssensoren umfassen die Erkennung von Flüssigkeitsständen, die Hochgeschwindigkeitszählung von Objekten und Roboter Navigationssysteme und Automotive-Sensorik. Ein typischer Automotive-Ultraschallsensor besteht aus einem Kunststoffgehäuse, einem piezoelektrischen Wandler mit einer zusätzlichen Membran und einer Leiterplatte mit elektronischen Schaltkreisen und Mikrocontrollern zum Senden, Empfangen und Verarbeiten von Signalen (Abbildung 5).
Positionssensoren können absolute oder relative Linear-, Dreh- und Winkelbewegungen von Objekten messen. Positionssensoren können die Bewegung von Geräten wie Aktoren oder Motoren messen. Sie werden auch in mobilen Plattformen wie Robotern und Autos verwendet. In Positionssensoren werden verschiedene Technologien mit verschiedenen Kombinationen aus Umweltbeständigkeit, Kosten, Genauigkeit, Wiederholbarkeit und anderen Eigenschaften verwendet.
Magnetische 3D-Positionssensoren, Allegro MicrosystemsAnalysieren und Erhöhen der Sicherheit von Ultraschallsensoren für autonome Fahrzeuge, IEEE Internet of Things Journal Wie wählt man einen Positionssensor aus, Cambridge Integrated CircuitsPositionssensortypen, Ixthus InstrumentationWas ist ein induktiver Positionssensor?, Keyence Was ist magnetostriktive Positionserfassung?, AMETEK
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