ロボット駆動チェーンから、サプライチェーン運用のコンベヤベルト、風力タービンタワーの揺れに至るまで、位置検出は幅広い用途において重要な機能です。位置検出には、線形、回転、角度、絶対、増分、接触、非接触センサーなど、さまざまな形式があります。3 次元での位置を決定できる特殊なセンサーが開発されています。位置検出技術には、電位差測定、誘導、渦電流、容量性、磁歪、ホール効果、光ファイバーなどがあります。 、光学式と超音波式。
この FAQ では、さまざまな形式の位置センシングについて簡単に紹介し、その後、設計者が位置センシング ソリューションを実装する際に選択できるさまざまなテクノロジをレビューします。
電位差式位置センサーは、位置を検出する必要がある物体に取り付けられたワイパーと固定抵抗トラックを組み合わせた抵抗ベースのデバイスです。物体の移動により、ワイパーがトラックに沿って移動します。物体の位置は、レールとワイパーで形成された分圧ネットワークを使用して、固定 DC 電圧で直線運動または回転運動を測定することによって測定されます (図 1)。電位差センサーは低コストですが、一般に精度と再現性が低くなります。
誘導型位置センサーは、センサー コイルに誘導される磁場の特性の変化を利用します。そのアーキテクチャに応じて、線形位置または回転位置を測定できます。線形可変差動変圧器 (LVDT) 位置センサーは、中空チューブの周りに巻かれた 3 つのコイルを使用します。1 次コイルと 2 つの 2 次コイル。コイルは直列に接続されており、2 次コイルの位相関係は 1 次コイルに対して 180 度ずれています。アーマチュアと呼ばれる強磁性コアがチューブの内側に配置され、測定対象の位置に接続されています。1 次コイルに励起電圧が印加され、2 次コイルに電磁力 (EMF) が誘導されます。2 次コイル間の電圧差を測定することで、アーマチュアの相対位置とアーマチュアが取り付けられている対象を知ることができます。回転電圧差動変圧器 (RVDT) は、同じ技術を使用して回転位置を追跡します。LVDT および RVDT センサーは、優れた精度、直線性、分解能、高感度を提供します。これらは摩擦がなく、過酷な環境でも使用できるように密閉できます。
渦電流位置センサーは導電性の物体で動作します。渦電流は、変化する磁場の存在下で導電性素材に発生する誘導電流です。これらの電流は閉ループを流れ、二次磁場を生成します。渦電流センサーはコイルと線形化回路で構成されます。交流はコイルに通電して一次磁場を生成します。物体がコイルに近づいたり遠ざかったりすると、コイルに影響を与える渦電流によって生成される二次磁場の相互作用を利用してその位置を検知できます。物体がコイルに近づくと、渦電流損失が増加し、発振電圧が小さくなります(図2)。発振電圧はリニアライザ回路によって整流および処理され、物体の距離に比例した線形DC出力が生成されます。
渦電流デバイスは、通常、近接センサーとして使用される頑丈な非接触デバイスです。渦電流デバイスは全方向性で、物体までの相対距離を測定できますが、物体までの方向や絶対距離は測定できません。
名前が示すように、容量性位置センサーは、静電容量の変化を測定して、感知されている物体の位置を決定します。これらの非接触センサーは、直線または回転位置の測定に使用できます。これらのセンサーは、誘電体で分離された 2 つのプレートで構成され、物体の位置を検出するために次の 2 つの方法のいずれかを使用します。
誘電率の変化を引き起こすために、位置を検出する物体を誘電体に取り付けます。誘電体が移動すると、誘電体の面積と空気の誘電率の組み合わせにより、コンデンサの実効誘電率が変化します。あるいは、物体をコンデンサのプレートの1つに接続することもできます。物体が移動すると、プレートが近づいたり遠ざかったりし、静電容量の変化を使用して相対位置を決定します。
静電容量センサーは、物体の変位、距離、位置、厚さを測定できます。信号の安定性と分解能が高いため、静電容量変位センサーは実験室や産業環境で使用されます。たとえば、静電容量センサーは、自動プロセスでの膜厚や接着剤の塗布の測定に使用されます。産業用機械では、変位とツールの位置を監視するために使用されます。
磁歪は、磁場が印加されたときに材料のサイズや形状を変化させる強磁性材料の特性です。磁歪位置センサでは、可動位置磁石が測定対象に取り付けられています。このセンサは、導波管の端にあるセンサに接続された、電流パルスを運ぶワイヤで構成される導波管で構成されています (図 3)。電流パルスが導波管に送られると、ワイヤ内に磁界が生成され、永久磁石 (磁石) の軸方向磁界と相互作用します。場の相互作用は、ワイヤに歪みを与えるねじれ (ヴィーデマン効果) によって引き起こされ、導波管に沿って伝播する音響パルスを生成し、導波管の端にあるセンサーによって検出されます (図 3b)。 電流パルスの開始と音響パルスの検出の間の経過時間を測定することにより、位置磁石、したがって物体の相対位置を測定できます (図 3)。3c）。
磁歪位置センサーは、直線位置の検出に使用される非接触センサーです。導波管は多くの場合、ステンレス鋼またはアルミニウムのチューブに収容されているため、これらのセンサーは汚れた環境や湿った環境でも使用できます。
薄く平らな導体が磁界の中に置かれると、流れる電流は導体の片側に蓄積する傾向があり、ホール電圧と呼ばれる電位差が生じます。導体の電流が一定の場合、ホール電圧の大きさは磁界の強さを反映します。ホール効果位置センサーでは、物体はセンサー シャフトに収容された磁石に接続されています。物体が移動すると、磁石の位置がホール素子に対して変化し、その結果、ホール電圧が変化します。ホール電圧を測定することで、 3 次元で位置を測定できる特殊なホール効果位置センサーがあります (図 4)。ホール効果位置センサーは、高い信頼性と高速センシングを提供し、広い温度範囲で動作する非接触デバイスです。これらは、民生用、産業用、自動車用、医療用などの幅広い用途で使用されています。
光ファイバ センサには 2 つの基本的なタイプがあります。固有の光ファイバ センサでは、ファイバが感知要素として使用されます。外部の光ファイバ センサでは、光ファイバが別のセンサ技術と組み合わされて、処理のために信号をリモート電子機器に中継します。固有のファイバ位置測定の場合、時間領域の光反射率計などのデバイスを使用して時間遅延を決定できます。波長シフトは、光周波数領域の反射率計を実装した機器を使用して計算できます。光ファイバ センサは次のとおりです。電磁干渉の影響を受けず、高温で動作するように設計でき、非導電性であるため、高圧または可燃物の近くで使用できます。
ファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) 技術に基づく別の光ファイバー センシングも位置測定に使用できます。FBG はノッチ フィルターとして機能し、広域スペクトル光で照射されたときにブラッグ波長 (λB) を中心とした光のごく一部を反射します。ファイバー コアに微細構造がエッチングされて製造されています。FBG は、温度、ひずみ、圧力、傾き、変位、加速度、荷重などのさまざまなパラメーターの測定に使用できます。
光学式位置センサには、光学式エンコーダとしても知られる 2 つのタイプがあります。1 つのタイプでは、光がセンサの他端の受信機に送信されます。2 つ目のタイプでは、放出された光信号が監視対象物によって反射され、光源に戻されます。センサの設計に応じて、波長、強度、位相、偏光などの光特性の変化を使用して、物体の位置を決定します。エンコーダベースの光学式位置センサは、直線運動と回転運動に使用できます。これらのセンサは、3 つの主要なカテゴリに分類されます。透過型光学エンコーダ、反射型光学エンコーダ、干渉型光学エンコーダ。
超音波位置センサーは、圧電結晶トランスデューサーを使用して高周波超音波を放射します。センサーは反射音を測定します。超音波センサーは単純な近接センサーとして使用でき、より複雑な設計で測距情報を提供できます。超音波位置センサーは、さまざまな材質や表面特徴の対象物体で動作し、他の多くのタイプの位置センサーよりも長距離にある小さな物体を検出できます。これらは、振動、周囲ノイズ、赤外線放射、および電磁干渉に対する耐性があります。超音波を使用したアプリケーションの例位置センサーには、液面検出、物体の高速計数、ロボット ナビゲーション システム、自動車センシングなどがあります。一般的な自動車用超音波センサーは、プラスチック ハウジング、追加の膜を備えた圧電トランスデューサー、信号の送信、受信、処理を行う電子回路とマイクロコントローラーを備えたプリント基板で構成されています (図 5)。
位置センサーは、物体の絶対的または相対的な直線運動、回転運動、および角運動を測定できます。位置センサーは、アクチュエーターやモーターなどのデバイスの動きを測定できます。位置センサーは、ロボットや自動車などのモバイル プラットフォームでも使用されます。位置センサーには、環境耐久性、コスト、精度、再現性、その他の特性をさまざまに組み合わせたさまざまなテクノロジが使用されています。
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