Dalle catene di trasmissione robotizzate ai nastri trasportatori nelle operazioni della catena di approvvigionamento all'oscillazione delle torri delle turbine eoliche, il rilevamento della posizione è una funzione fondamentale in un'ampia gamma di applicazioni. Può assumere molte forme, tra cui sensori lineari, rotanti, angolari, assoluti, incrementali, a contatto e senza contatto. Sono stati sviluppati sensori specializzati in grado di determinare la posizione in tre dimensioni.
Questa FAQ fornisce una breve introduzione alle varie forme di rilevamento della posizione, quindi passa in rassegna una gamma di tecnologie tra cui i progettisti possono scegliere quando implementano una soluzione di rilevamento della posizione.
I sensori di posizione potenziometrici sono dispositivi basati sulla resistenza che combinano una traccia resistiva fissa con un tergicristallo collegato all'oggetto di cui è necessario rilevare la posizione. Il movimento dell'oggetto sposta il tergicristallo lungo la traccia. La posizione dell'oggetto viene misurata utilizzando una rete di partitore di tensione formata da binari e tergicristalli per misurare il movimento lineare o rotatorio con una tensione CC fissa (Figura 1). I sensori potenziometrici sono a basso costo, ma generalmente hanno una bassa precisione e ripetibilità.
I sensori di posizione induttivi utilizzano i cambiamenti nelle proprietà del campo magnetico indotto nella bobina del sensore. A seconda della loro architettura, possono misurare posizioni lineari o rotazionali. I sensori di posizione LVDT (Linear Variable Differential Transformer) utilizzano tre bobine avvolte attorno a un tubo cavo;una bobina primaria e due bobine secondarie. Le bobine sono collegate in serie e la relazione di fase della bobina secondaria è sfasata di 180° rispetto alla bobina primaria. Un nucleo ferromagnetico chiamato armatura è posizionato all'interno del tubo e collegato all'oggetto nel punto da misurare. Il trasformatore differenziale di tensione (RVDT) utilizza la stessa tecnica per tracciare la posizione di rotazione. I sensori LVDT e RVDT offrono buona precisione, linearità, risoluzione e alta sensibilità. Sono privi di attrito e possono essere sigillati per l'uso in ambienti difficili.
I sensori di posizione a correnti parassite funzionano con oggetti conduttivi. Le correnti parassite sono correnti indotte che si verificano nei materiali conduttivi in ​​presenza di un campo magnetico variabile. Queste correnti scorrono in un circuito chiuso e generano un campo magnetico secondario. I sensori a correnti parassite sono costituiti da bobine e circuiti di linearizzazione. La corrente alternata eccita la bobina per creare il campo magnetico primario. Man mano che l'oggetto si avvicina alla bobina, le perdite di correnti parassite aumentano e la tensione oscillante diminuisce (Figura 2). La tensione oscillante viene rettificata ed elaborata da un circuito linearizzatore per produrre un'uscita CC lineare proporzionale alla distanza dell'oggetto.
I dispositivi a correnti parassite sono dispositivi robusti e senza contatto generalmente utilizzati come sensori di prossimità. Sono omnidirezionali e possono determinare la distanza relativa dall'oggetto, ma non la direzione o la distanza assoluta dall'oggetto.
Come suggerisce il nome, i sensori di posizione capacitivi misurano le variazioni di capacità per determinare la posizione dell'oggetto rilevato. Questi sensori senza contatto possono essere utilizzati per misurare la posizione lineare o rotazionale. Sono costituiti da due piastre separate da un materiale dielettrico e utilizzano uno dei due metodi per rilevare la posizione di un oggetto:
Per provocare un cambiamento nella costante dielettrica, l'oggetto la cui posizione deve essere rilevata è attaccato al materiale dielettrico. Mentre il materiale dielettrico si muove, la costante dielettrica effettiva del condensatore cambia a causa della combinazione dell'area del materiale dielettrico e della costante dielettrica dell'aria. In alternativa, l'oggetto può essere collegato a una delle piastre del condensatore.
I sensori capacitivi possono misurare lo spostamento, la distanza, la posizione e lo spessore degli oggetti. Grazie alla loro elevata stabilità e risoluzione del segnale, i sensori di spostamento capacitivo vengono utilizzati in ambienti di laboratorio e industriali. Ad esempio, i sensori capacitivi vengono utilizzati per misurare lo spessore del film e le applicazioni adesive nei processi automatizzati. Nelle macchine industriali, vengono utilizzati per monitorare lo spostamento e la posizione dell'utensile.
La magnetostrizione è una proprietà dei materiali ferromagnetici che fa sì che il materiale cambi le sue dimensioni o la sua forma quando viene applicato un campo magnetico. In un sensore di posizione magnetostrittivo, un magnete di posizione mobile è attaccato all'oggetto da misurare. È costituito da una guida d'onda costituita da fili che trasportano impulsi di corrente, collegati a un sensore situato all'estremità della guida d'onda (Figura 3). pistone, Figura 3a). L'interazione del campo è causata dalla torsione (effetto Wiedemann), che tende il filo, producendo un impulso acustico che si propaga lungo la guida d'onda e viene rilevato da un sensore all'estremità della guida d'onda (Fig. 3b). Misurando il tempo trascorso tra l'inizio dell'impulso di corrente e il rilevamento dell'impulso acustico, è possibile misurare la posizione relativa del magnete di posizione e quindi dell'oggetto (Fig.3c).
I sensori di posizione magnetostrittivi sono sensori senza contatto utilizzati per rilevare la posizione lineare. Le guide d'onda sono spesso alloggiate in tubi di acciaio inossidabile o alluminio, consentendo l'utilizzo di questi sensori in ambienti sporchi o umidi.
Quando un sottile conduttore piatto viene posto in un campo magnetico, la corrente che fluisce tende ad accumularsi su un lato del conduttore, creando una differenza di potenziale chiamata tensione di Hall. Se la corrente nel conduttore è costante, l'intensità della tensione di Hall rifletterà l'intensità del campo magnetico. In un sensore di posizione ad effetto Hall, l'oggetto è collegato a un magnete alloggiato nello stelo del sensore. determinati. Esistono sensori di posizione a effetto Hall specializzati in grado di determinare la posizione in tre dimensioni (Figura 4). I sensori di posizione a effetto Hall sono dispositivi senza contatto che forniscono elevata affidabilità e rilevamento rapido e operano in un ampio intervallo di temperature. Sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni di consumo, industriali, automobilistiche e mediche.
Esistono due tipi fondamentali di sensori a fibra ottica. Nei sensori a fibra ottica intrinseca, la fibra viene utilizzata come elemento di rilevamento. Nei sensori a fibra ottica esterni, la fibra ottica viene combinata con un'altra tecnologia di sensore per trasmettere il segnale all'elettronica remota per l'elaborazione. progettati per funzionare a temperature elevate e non sono conduttivi, quindi possono essere utilizzati in prossimità di materiali infiammabili o ad alta pressione.
Un altro rilevamento a fibra ottica basato sulla tecnologia del reticolo di Bragg (FBG) può essere utilizzato anche per la misurazione della posizione. L'FBG funge da filtro notch, riflettendo una piccola frazione della luce centrata sulla lunghezza d'onda di Bragg (λB) quando illuminato da luce ad ampio spettro. È fabbricato con microstrutture incise nel nucleo della fibra. Gli FBG possono essere utilizzati per misurare vari parametri come temperatura, deformazione, pressione, inclinazione, spostamento, accelerazione e carico.
Esistono due tipi di sensori ottici di posizione, noti anche come encoder ottici. In un caso, la luce viene inviata a un ricevitore all'altra estremità del sensore. Nel secondo tipo, il segnale luminoso emesso viene riflesso dall'oggetto monitorato e restituito alla sorgente luminosa.codificatori ottici trasmissivi, codificatori ottici riflettenti e codificatori ottici interferometrici.
I sensori di posizione a ultrasuoni utilizzano trasduttori a cristalli piezoelettrici per emettere onde ultrasoniche ad alta frequenza. Il sensore misura il suono riflesso. I sensori a ultrasuoni possono essere utilizzati come semplici sensori di prossimità o progetti più complessi possono fornire informazioni sulla distanza. I sensori di posizione a ultrasuoni funzionano con oggetti target di una varietà di materiali e caratteristiche superficiali e possono rilevare piccoli oggetti a distanze maggiori rispetto a molti altri tipi di sensori di posizione. Sono resistenti a vibrazioni, rumore ambientale, radiazioni infrarosse e interferenze elettromagnetiche. ing di oggetti, sistemi di navigazione robotica e rilevamento automobilistico. Un tipico sensore a ultrasuoni automobilistico è costituito da un alloggiamento in plastica, un trasduttore piezoelettrico con una membrana aggiuntiva e un circuito stampato con circuiti elettronici e microcontrollori per la trasmissione, la ricezione e l'elaborazione dei segnali (Figura 5).
I sensori di posizione possono misurare il movimento lineare, rotatorio e angolare assoluto o relativo di oggetti. I sensori di posizione possono misurare il movimento di dispositivi come attuatori o motori. Sono anche utilizzati in piattaforme mobili come robot e automobili. Nei sensori di posizione viene utilizzata una varietà di tecnologie con varie combinazioni di durata ambientale, costo, precisione, ripetibilità e altri attributi.
3D Magnetic Position Sensors, Allegro MicrosystemsAnalyzing and Enhancing the Security of Ultrasonic Sensors for Autonomous Vehicles, IEEE Internet of Things Journal How to select a position sensor, Cambridge Integrated CircuitsPosition sensor types, Ixthus InstrumentationCos'è un sensore di posizione induttivo?, Keyence Cos'è il rilevamento di posizione magnetostrittivo?, AMETEK
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