Van gerobotiseerde aandrijfkettingen tot transportbanden in supply chain-operaties tot de zwaai van windturbinetorens, positiedetectie is een kritieke functie in een breed scala aan toepassingen. Het kan vele vormen aannemen, waaronder lineaire, roterende, hoekige, absolute, incrementele, contact- en contactloze sensoren. Er zijn gespecialiseerde sensoren ontwikkeld die de positie in drie dimensies kunnen bepalen. Positiedetectietechnologieën omvatten potentiometrisch, inductief, wervelstroom, capacitief, magnetostrictief, Hall-effect, glasvezel, optisch en ultrasoon.
Deze veelgestelde vraag geeft een korte inleiding tot de verschillende vormen van positiedetectie en geeft vervolgens een overzicht van een reeks technologieën waaruit ontwerpers kunnen kiezen bij het implementeren van een oplossing voor positiedetectie.
Potentiometrische positiesensoren zijn op weerstand gebaseerde apparaten die een vaste resistieve baan combineren met een wisser die is bevestigd aan het object waarvan de positie moet worden gedetecteerd. De beweging van het object beweegt de wissers langs de baan. De positie van het object wordt gemeten met behulp van een spanningsdelernetwerk gevormd door rails en wissers om lineaire of roterende beweging met een vaste gelijkspanning te meten (Afbeelding 1). Potentiometrische sensoren zijn goedkoop, maar hebben over het algemeen een lage nauwkeurigheid en herhaalbaarheid.
Inductieve positiesensoren maken gebruik van veranderingen in de eigenschappen van het magnetische veld dat wordt geïnduceerd in de sensorspoel. Afhankelijk van hun architectuur kunnen ze lineaire of roterende posities meten. Linear Variable Differential Transformer (LVDT) positiesensoren gebruiken drie spoelen die rond een holle buis zijn gewikkeld;een primaire spoel en twee secundaire spoelen. De spoelen zijn in serie geschakeld en de faserelatie van de secundaire spoel is 180° uit fase ten opzichte van de primaire spoel. Een ferromagnetische kern, de armatuur genaamd, wordt in de buis geplaatst en verbonden met het object op de locatie die wordt gemeten. Een excitatiespanning wordt toegepast op de primaire spoel en een elektromagnetische kracht (EMF) wordt geïnduceerd in de secundaire spoel. Door het spanningsverschil tussen de secundaire spoelen te meten, kan de relatieve positie van het anker en waaraan het is bevestigd worden bepaald. roterende spanningsverschiltransformator (RVDT) gebruikt dezelfde techniek om de roterende positie te volgen. LVDT- en RVDT-sensoren bieden een goede nauwkeurigheid, lineariteit, resolutie en hoge gevoeligheid. Ze zijn wrijvingsloos en kunnen worden afgedicht voor gebruik in ruwe omgevingen.
Wervelstroompositiesensoren werken met geleidende objecten. Wervelstromen zijn geïnduceerde stromen die optreden in geleidende materialen in de aanwezigheid van een veranderend magnetisch veld. Deze stromen stromen in een gesloten lus en genereren een secundair magnetisch veld. Wervelstroomsensoren bestaan ​​uit spoelen en linearisatiecircuits. De wisselstroom bekrachtigt de spoel om het primaire magnetische veld te creëren. s impedantie. Naarmate het object dichter bij de spoel komt, nemen de wervelstroomverliezen toe en wordt de oscillatiespanning kleiner (figuur 2). De oscillatiespanning wordt gelijkgericht en verwerkt door een linearisatiecircuit om een ​​lineaire DC-output te produceren die evenredig is met de afstand van het object.
Wervelstroomapparaten zijn robuuste, contactloze apparaten die doorgaans worden gebruikt als nabijheidssensoren. Ze zijn omnidirectioneel en kunnen de relatieve afstand tot het object bepalen, maar niet de richting of absolute afstand tot het object.
Zoals de naam al doet vermoeden, meten capacitieve positiesensoren capaciteitsveranderingen om de positie van het gedetecteerde object te bepalen. Deze contactloze sensoren kunnen worden gebruikt om de lineaire of roterende positie te meten. Ze bestaan ​​uit twee platen gescheiden door een diëlektrisch materiaal en gebruiken een van twee methoden om de positie van een object te detecteren:
Om een ​​verandering in de diëlektrische constante te veroorzaken, wordt het object waarvan de positie moet worden gedetecteerd, aan het diëlektrische materiaal bevestigd. Terwijl het diëlektrische materiaal beweegt, verandert de effectieve diëlektrische constante van de condensator als gevolg van de combinatie van het gebied van het diëlektrische materiaal en de diëlektrische constante van lucht.
Capacitieve sensoren kunnen verplaatsing, afstand, positie en dikte van objecten meten. Vanwege hun hoge signaalstabiliteit en resolutie worden capacitieve verplaatsingssensoren gebruikt in laboratorium- en industriële omgevingen. Capacitieve sensoren worden bijvoorbeeld gebruikt om filmdikte en lijmtoepassingen in geautomatiseerde processen te meten. In industriële machines worden ze gebruikt om verplaatsing en gereedschapspositie te bewaken.
Magnetostrictie is een eigenschap van ferromagnetische materialen die ervoor zorgt dat het materiaal van grootte of vorm verandert wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd. In een magnetostrictieve positiesensor is een beweegbare positiemagneet bevestigd aan het te meten object. Het bestaat uit een golfgeleider die bestaat uit draden die stroompulsen geleiden, verbonden met een sensor aan het einde van de golfgeleider (Figuur 3). zuiger, figuur 3a). De veldinteractie wordt veroorzaakt door draaien (het Wiedemann-effect), waardoor de draad wordt gespannen en een akoestische puls wordt geproduceerd die zich langs de golfgeleider voortplant en wordt gedetecteerd door een sensor aan het einde van de golfgeleider (figuur 3b). Door de verstreken tijd tussen het begin van de stroompuls en de detectie van de akoestische puls te meten, kan de relatieve positie van de positiemagneet en dus het object worden gemeten (figuur 3a).3c).
Magnetostrictieve positiesensoren zijn contactloze sensoren die worden gebruikt om lineaire posities te detecteren. Golfgeleiders zijn vaak ondergebracht in roestvrijstalen of aluminium buizen, waardoor deze sensoren kunnen worden gebruikt in vuile of natte omgevingen.
Wanneer een dunne, platte geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, heeft de stroom die vloeit de neiging zich op te bouwen aan één kant van de geleider, waardoor een potentiaalverschil ontstaat dat de Hall-spanning wordt genoemd. Als de stroom in de geleider constant is, weerspiegelt de grootte van de Hall-spanning de sterkte van het magnetische veld. Bij een Hall-effect positiesensor is het object verbonden met een magneet die in de sensorschacht is ondergebracht. Terwijl het object beweegt, verandert de positie van de magneet ten opzichte van het Hall-element, wat resulteert in een veranderende Hall-spanning. Door de Hall-spanning te meten, kan de positie van een object worden bepaald Er zijn gespecialiseerde Hall-effect positiesensoren die de positie in drie dimensies kunnen bepalen (Afbeelding 4). Hall-effect positiesensoren zijn contactloze apparaten die een hoge betrouwbaarheid en snelle detectie bieden, en werken binnen een breed temperatuurbereik. Ze worden gebruikt in een reeks consumenten-, industriële, automobiel- en medische toepassingen.
Er zijn twee basistypen glasvezelsensoren. In intrinsieke glasvezelsensoren wordt de vezel gebruikt als het detectie-element. In externe glasvezelsensoren wordt glasvezel gecombineerd met een andere sensortechnologie om het signaal door te geven aan externe elektronica voor verwerking. In het geval van intrinsieke vezelpositiemetingen kan een apparaat zoals een optische tijddomeinreflectometer worden gebruikt om de tijdsvertraging te bepalen. De golflengteverschuiving kan worden berekend met behulp van een instrument dat een optische frequentiedomeinreflectometer implementeert. Glasvezelsensoren zijn immuun voor elektromagnetische interferentie, kunnen ontworpen zijn om te werken bij hoge temperaturen en niet-geleidend zijn, zodat ze kunnen worden gebruikt in de buurt van hoge druk of brandbare materialen.
Een andere glasvezeldetectie op basis van Bragg-grating (FBG) -technologie kan ook worden gebruikt voor positiemeting. De FBG werkt als een notch-filter en reflecteert een kleine fractie van het licht gecentreerd op de Bragg-golflengte (λB) wanneer het wordt verlicht door breedspectrumlicht. Het is vervaardigd met microstructuren die in de vezelkern zijn geëtst. FBG's kunnen worden gebruikt om verschillende parameters te meten, zoals temperatuur, rek, druk, kanteling, verplaatsing, versnelling en belasting.
Er zijn twee soorten optische positiesensoren, ook wel optische encoders genoemd. In het ene geval wordt licht naar een ontvanger aan het andere uiteinde van de sensor gestuurd. In het tweede type wordt het uitgezonden lichtsignaal gereflecteerd door het bewaakte object en teruggestuurd naar de lichtbron. Afhankelijk van het sensorontwerp worden veranderingen in lichteigenschappen, zoals golflengte, intensiteit, fase of polarisatie, gebruikt om de positie van een object te bepalen. Op encoder gebaseerde optische positiesensoren zijn beschikbaar voor lineaire en roterende beweging. Deze sensoren vallen in drie hoofdcategorieën;transmissieve optische encoders, reflecterende optische encoders en interferometrische optische encoders.
Ultrasone positiesensoren maken gebruik van piëzo-elektrische kristaltransducers om hoogfrequente ultrasone golven uit te zenden. De sensor meet het gereflecteerde geluid. Ultrasone sensoren kunnen worden gebruikt als eenvoudige naderingssensoren, of complexere ontwerpen kunnen informatie verstrekken. Ultrasone positiesensoren werken met doelobjecten van verschillende materialen en oppervlaktekenmerken, en kunnen kleine objecten op grotere afstanden detecteren dan veel andere soorten positiesensoren. Ze zijn bestand tegen trillingen, omgevingsgeluid, infraroodstraling en elektromagnetische interferentie. high-speed tellen van objecten, robotnavigatiesystemen en autodetectie. Een typische ultrasone sensor voor auto's bestaat uit een plastic behuizing, een piëzo-elektrische transducer met een extra membraan en een printplaat met elektronische schakelingen en microcontrollers voor het verzenden, ontvangen en verwerken van signalen (Afbeelding 5).
Positiesensoren kunnen absolute of relatieve lineaire, roterende en hoekbewegingen van objecten meten. Positiesensoren kunnen de beweging van apparaten zoals actuatoren of motoren meten. Ze worden ook gebruikt in mobiele platforms zoals robots en auto's. Er wordt een verscheidenheid aan technologieën gebruikt in positiesensoren met verschillende combinaties van milieuduurzaamheid, kosten, nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en andere attributen.
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 InstrumentationWat is een inductieve positiesensor?, Keyence Wat is magnetostrictieve positiedetectie?, AMETEK
Blader door de nieuwste nummers van Design World en eerdere nummers in een gebruiksvriendelijke indeling van hoge kwaliteit.Bewerk, deel en download vandaag nog met het toonaangevende tijdschrift voor ontwerptechniek.
's Werelds beste probleemoplossende EE-forum over microcontrollers, DSP, netwerken, analoog en digitaal ontwerp, RF, vermogenselektronica, PCB-routering en meer
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Alle rechten voorbehouden. Het materiaal op deze site mag niet worden gereproduceerd, gedistribueerd, verzonden, gecached of anderszins gebruikt zonder de voorafgaande schriftelijke toestemming van WTWH MediaPrivacybeleid |Advertising |Over ons