Od robotskih pogonskih lanaca do pokretnih traka u operacijama opskrbnog lanca do njihanja tornjeva vjetroturbina, senzor položaja kritična je funkcija u širokom rasponu primjena. Može imati mnoge oblike, uključujući linearne, rotacijske, kutne, apsolutne, inkrementalne, kontaktne i beskontaktne senzore. Razvijeni su specijalizirani senzori koji mogu odrediti položaj u tri dimenzije. Tehnologije senzora položaja uključuju potenciometrijske, induktivne, ed. strujni, kapacitivni, magnetostrikcijski, Hallov efekt, svjetlovodni, optički i ultrazvučni.
Ovaj FAQ pruža kratak uvod u različite oblike senzora položaja, zatim daje pregled niza tehnologija koje dizajneri mogu birati prilikom implementacije rješenja za senzor položaja.
Potenciometrijski senzori položaja su uređaji temeljeni na otporu koji kombiniraju fiksnu rezistivnu stazu s brisačem pričvršćenim na objekt čiji položaj treba osjetiti. Kretanje objekta pomiče brisač po stazi. Položaj objekta se mjeri pomoću mreže razdjelnika napona koju čine tračnice i brisači za mjerenje linearnog ili rotacijskog gibanja s fiksnim istosmjernim naponom (Slika 1). Potenciometrijski senzori jeftini su, ali općenito imaju nisku točnost cy i ponovljivost.
Induktivni senzori položaja koriste promjene u svojstvima magnetskog polja induciranog u zavojnici senzora. Ovisno o njihovoj arhitekturi, mogu mjeriti linearne ili rotacijske položaje. Senzori položaja linearnog varijabilnog diferencijalnog transformatora (LVDT) koriste tri zavojnice omotane oko šuplje cijevi;primarnu zavojnicu i dvije sekundarne zavojnice. Zavojnice su spojene u seriju, a fazni odnos sekundarne zavojnice je 180° izvan faze u odnosu na primarnu zavojnicu. Feromagnetska jezgra koja se zove armatura smještena je unutar cijevi i spojena na objekt na mjestu koje se mjeri. Pobudni napon se primjenjuje na primarnu zavojnicu i elektromagnetska sila (EMF) inducira se u sekundarnoj zavojnici. Mjerenjem razlike napona između sekundarne zavojnice, može se odrediti relativni položaj armature i ono na što je pričvršćena. Rotirajući diferencijalni naponski transformator (RVDT) koristi istu tehniku ​​za praćenje rotirajućeg položaja. LVDT i RVDT senzori nude dobru točnost, linearnost, rezoluciju i visoku osjetljivost. Oni su bez trenja i mogu se zabrtviti za upotrebu u teškim okruženjima.
Senzori položaja vrtložnih struja rade s vodljivim objektima. Vrtložne struje su inducirane struje koje se javljaju u vodljivim materijalima u prisutnosti promjenjivog magnetskog polja. Te struje teku u zatvorenoj petlji i generiraju sekundarno magnetsko polje. Senzori vrtložnih struja sastoje se od zavojnica i linearizacijskih krugova. Izmjenična struja pokreće zavojnicu kako bi se stvorilo primarno magnetsko polje. Kada se objekt približava ili udaljava od zavojnice, njegov se položaj može osjetiti pomoću interakcije sekundarno polje proizvedeno vrtložnim strujama, koje utječe na impedanciju svitka. Kako se objekt približava svitku, gubici vrtložnih struja se povećavaju, a oscilirajući napon postaje manji (Slika 2). Oscilirajući napon se ispravlja i obrađuje linearizacijskim krugom kako bi se proizveo linearni istosmjerni izlaz proporcionalan udaljenosti objekta.
Uređaji za vrtložne struje robusni su, beskontaktni uređaji koji se obično koriste kao senzori blizine. Oni su svesmjerni i mogu odrediti relativnu udaljenost do objekta, ali ne i smjer ili apsolutnu udaljenost do objekta.
Kao što naziv sugerira, kapacitivni senzori položaja mjere promjene u kapacitetu kako bi odredili položaj objekta koji se očitava. Ovi beskontaktni senzori mogu se koristiti za mjerenje linearnog ili rotacijskog položaja. Sastoje se od dvije ploče odvojene dielektričnim materijalom i koriste jednu od dvije metode za otkrivanje položaja objekta:
Kako bi se izazvala promjena dielektrične konstante, objekt čiji se položaj treba detektirati pričvršćuje se na dielektrični materijal. Kako se dielektrični materijal pomiče, efektivna dielektrična konstanta kondenzatora se mijenja zbog kombinacije površine dielektričnog materijala i dielektrične konstante zraka. Alternativno, objekt se može spojiti na jednu od ploča kondenzatora. Kako se objekt pomiče, ploče se pomiču bliže ili dalje, a promjena kapacitivnosti služi za određivanje relativnog položaja.
Kapacitivni senzori mogu mjeriti pomak, udaljenost, položaj i debljinu objekata. Zbog svoje visoke stabilnosti signala i rezolucije, kapacitivni senzori pomaka koriste se u laboratorijskim i industrijskim okruženjima. Na primjer, kapacitivni senzori se koriste za mjerenje debljine filma i primjene ljepila u automatiziranim procesima. U industrijskim strojevima koriste se za praćenje pomaka i položaja alata.
Magnetostrikcija je svojstvo feromagnetskih materijala koje uzrokuje promjenu veličine ili oblika materijala kada se primijeni magnetsko polje. U magnetostrikcijskom senzoru položaja, pomični magnet za položaj pričvršćen je na objekt koji se mjeri. Sastoji se od valovoda koji se sastoji od žica koje prenose strujne impulse, povezanih sa senzorom koji se nalazi na kraju valovoda (Slika 3). Kada se strujni impuls pošalje niz valovod, u žici se stvara magnetsko polje koji je u interakciji s aksijalnim magnetskim poljem trajnog magneta (magnet u cilindričnom klipu, slika 3a). Međudjelovanje polja uzrokovano je uvijanjem (Wedemannov efekt), koje zateže žicu, stvarajući akustični puls koji se širi duž valovoda i detektira ga senzor na kraju valovoda (sl. 3b). Mjerenjem proteklog vremena između inicijacije strujnog impulsa i otkrivanje akustičnog pulsa, relativni položaj pozicionog magneta i stoga objekt se mogu mjeriti (Sl.3c).
Magnetostrikcijski senzori položaja beskontaktni su senzori koji se koriste za otkrivanje linearnog položaja. Valovodi su često smješteni u cijevi od nehrđajućeg čelika ili aluminija, što omogućuje korištenje ovih senzora u prljavim ili mokrim okruženjima.
Kada se tanki, ravni vodič stavi u magnetsko polje, svaka struja koja teče ima tendenciju nakupljanja na jednoj strani vodiča, stvarajući potencijalnu razliku koja se naziva Hallov napon. Ako je struja u vodiču konstantna, veličina Hallovog napona odražavat će snagu magnetskog polja. U senzoru položaja s Hallovim efektom, objekt je povezan s magnetom smještenim u osovini senzora. Kako se objekt pomiče, položaj magneta mijenja se u odnosu na Hallov element, što rezultira promjenom Hallovog napona.B y mjerenjem Hallovog napona može se odrediti položaj objekta. Postoje specijalizirani senzori položaja s Hallovim učinkom koji mogu odrediti položaj u tri dimenzije (Slika 4). Senzori položaja s Hallovim učinkom beskontaktni su uređaji koji pružaju visoku pouzdanost i brzo očitavanje te rade u širokom temperaturnom rasponu. Koriste se u nizu potrošačkih, industrijskih, automobilskih i medicinskih primjena.
Postoje dvije osnovne vrste svjetlovodnih senzora. U intrinzičnim optičkim senzorima vlakno se koristi kao senzorski element. U vanjskim optičkim senzorima, optičko vlakno se kombinira s drugom senzorskom tehnologijom za prijenos signala udaljenoj elektronici za obradu. U slučaju unutarnjih mjerenja položaja vlakana, uređaj kao što je optički reflektometar u vremenskoj domeni može se koristiti za određivanje vremenskog kašnjenja. Pomak valne duljine može se izračunati pomoću instrumenta koji implementira op. optički senzori otporni su na elektromagnetske smetnje, mogu se dizajnirati za rad na visokim temperaturama i nisu vodljivi, pa se mogu koristiti u blizini visokog tlaka ili zapaljivih materijala.
Za mjerenje položaja može se koristiti i drugi optički senzor koji se temelji na tehnologiji vlaknaste Braggove rešetke (FBG). FBG djeluje kao filtar s urezima, reflektirajući mali dio svjetlosti usredotočen na Braggovu valnu duljinu (λB) kada je osvijetljen svjetlom širokog spektra. Proizveden je s mikrostrukturama urezanim u jezgru vlakna. FBG se mogu koristiti za mjerenje različitih parametara kao što su temperatura, naprezanje, tlak, nagib, pomak, ubrzanje i opterećenje.
Postoje dvije vrste optičkih senzora položaja, također poznatih kao optički koderi. U jednom slučaju, svjetlo se šalje prijemniku na drugom kraju senzora. U drugom tipu, emitirani svjetlosni signal reflektira nadzirani objekt i vraća se izvoru svjetla. Ovisno o dizajnu senzora, promjene svojstava svjetla, kao što su valna duljina, intenzitet, faza ili polarizacija, koriste se za određivanje položaja objekta. Optički senzori položaja temeljeni na koderu dostupni su za linearne i rotacijsko gibanje. Ovi senzori spadaju u tri glavne kategorije;prijenosni optički koderi, reflektirajući optički koderi i interferometrijski optički koderi.
Ultrazvučni senzori položaja koriste piezoelektrične kristalne pretvarače za emitiranje visokofrekventnih ultrazvučnih valova. Senzor mjeri reflektirani zvuk. Ultrazvučni senzori mogu se koristiti kao jednostavni senzori blizine ili složeniji dizajni mogu pružiti informacije o rasponu. Ultrazvučni senzori položaja rade s ciljanim objektima od različitih materijala i površinskih značajki i mogu detektirati male objekte na većim udaljenostima od mnogih drugih tipova senzora položaja. Otporni su na vibracije, ambi buka, infracrveno zračenje i elektromagnetske smetnje. Primjeri aplikacija koje koriste ultrazvučne senzore položaja uključuju detekciju razine tekućine, brzo brojanje objekata, robotske navigacijske sustave i automobilske senzore. Tipični automobilski ultrazvučni senzor sastoji se od plastičnog kućišta, piezoelektričnog pretvarača s dodatnom membranom i tiskane pločice s elektroničkim krugovima i mikrokontrolerima za prijenos, primanje i obradu signala (slika 5).
Senzori položaja mogu mjeriti apsolutno ili relativno linearno, rotacijsko i kutno gibanje objekata. Senzori položaja mogu mjeriti kretanje uređaja kao što su aktuatori ili motori. Također se koriste u mobilnim platformama kao što su roboti i automobili. U senzorima položaja koriste se razne tehnologije s različitim kombinacijama trajnosti u okolišu, cijene, točnosti, ponovljivosti i drugih atributa.
3D Magnetic Position Sensors, Allegro MicrosystemsAnalyzing and Enhancing the Security of Ultrasonic Sensors for Autonomous Vehicles, IEEE Internet of Things Journal Kako odabrati senzor položaja, Cambridge Integrated CircuitsVrste senzora položaja, Ixthus InstrumentationŠto je induktivni senzor položaja?, Keyence Što je magnetostriktivno očitavanje položaja?, AMETEK
Pregledajte najnovija izdanja časopisa Design World i prethodna izdanja u visokokvalitetnom formatu koji je jednostavan za korištenje. Uredite, dijelite i preuzmite već danas s vodećim časopisom o dizajnu.
Vrhunski svjetski EE forum za rješavanje problema koji pokriva mikrokontrolere, DSP, umrežavanje, analogni i digitalni dizajn, RF, energetsku elektroniku, PCB usmjeravanje i više
Autorsko pravo © 2022 WTWH Media LLC. sva prava pridržana. Materijal na ovoj stranici ne smije se reproducirati, distribuirati, prenositi, pohraniti u predmemoriju ili na drugi način koristiti bez prethodnog pisanog dopuštenja WTWH Media Politika privatnosti | Oglašavanje |O nama