Od łańcuchów napędowych robotów, przez pasy przenośników w operacjach łańcucha dostaw, po kołysanie wież turbin wiatrowych, wykrywanie położenia jest krytyczną funkcją w szerokim zakresie zastosowań. Może przybierać różne formy, w tym czujniki liniowe, obrotowe, kątowe, bezwzględne, przyrostowe, kontaktowe i bezdotykowe. Opracowano specjalistyczne czujniki, które mogą określać położenie w trzech wymiarach. optyczne i ultradźwiękowe.
Niniejsze często zadawane pytania zawierają krótkie wprowadzenie do różnych form wykrywania położenia, a następnie przegląd szeregu technologii, spośród których projektanci mogą wybierać podczas wdrażania rozwiązania do wykrywania położenia.
Potencjometryczne czujniki położenia to urządzenia oparte na rezystancji, które łączą stałą ścieżkę rezystancyjną z wycieraczką przymocowaną do obiektu, którego położenie należy wyczuć. Ruch obiektu przesuwa wycieraczkę wzdłuż toru. Położenie obiektu jest mierzone za pomocą sieci dzielnika napięcia utworzonej przez szyny i wycieraczki w celu pomiaru ruchu liniowego lub obrotowego przy stałym napięciu stałym (rysunek 1). Czujniki potencjometryczne są tanie, ale generalnie mają niską dokładność i powtarzalność.
Indukcyjne czujniki położenia wykorzystują zmiany właściwości pola magnetycznego indukowanego w cewce czujnika. W zależności od swojej architektury mogą mierzyć pozycje liniowe lub obrotowe. Czujniki położenia z liniowym transformatorem różnicowym (LVDT) wykorzystują trzy cewki owinięte wokół wydrążonej rurki;cewka pierwotna i dwie cewki wtórne. Cewki są połączone szeregowo, a zależność fazowa cewki wtórnej jest przesunięta w fazie o 180° w stosunku do cewki pierwotnej. Rdzeń ferromagnetyczny zwany twornikiem jest umieszczony wewnątrz rury i podłączony do obiektu w miejscu pomiaru. Napięcie wzbudzenia jest przykładane do cewki pierwotnej, a siła elektromagnetyczna (EMF) jest indukowana w cewce wtórnej. Mierząc różnicę napięcia między cewkami wtórnymi, można określić względne położenie twornika i tego, do czego jest przymocowany Obrotowy transformator różnicowy napięcia (RVDT) wykorzystuje tę samą technikę do śledzenia pozycji obrotowej. Czujniki LVDT i RVDT zapewniają dobrą dokładność, liniowość, rozdzielczość i wysoką czułość. Nie powodują tarcia i mogą być uszczelnione do użytku w trudnych warunkach.
Czujniki położenia wiroprądowe współpracują z obiektami przewodzącymi.Prądy wirowe to prądy indukowane, które występują w materiałach przewodzących w obecności zmiennego pola magnetycznego.Prądy te płyną w zamkniętej pętli i wytwarzają wtórne pole magnetyczne.Czujniki wiroprądowe składają się z cewek i obwodów linearyzacji.Prąd przemienny zasila cewkę, tworząc pierwotne pole magnetyczne.Gdy obiekt zbliża się do cewki lub oddala się od niej, jej położenie można wykryć za pomocą interakcji pola wtórnego wytwarzanego przez prądy wirowe, które wpływa na cewkę s impedancja. Gdy obiekt zbliża się do cewki, straty prądu wirowego rosną, a napięcie oscylacyjne maleje (Rysunek 2). Napięcie oscylacyjne jest prostowane i przetwarzane przez obwód linearyzatora w celu wytworzenia liniowego wyjścia prądu stałego proporcjonalnego do odległości obiektu.
Urządzenia wiroprądowe to wytrzymałe, bezkontaktowe urządzenia, zwykle używane jako czujniki zbliżeniowe. Są wielokierunkowe i mogą określać względną odległość do obiektu, ale nie kierunek ani odległość bezwzględną do obiektu.
Jak sama nazwa wskazuje, pojemnościowe czujniki położenia mierzą zmiany pojemności w celu określenia położenia wykrywanego obiektu. Te czujniki bezkontaktowe mogą być używane do pomiaru położenia liniowego lub obrotowego. Składają się z dwóch płytek oddzielonych materiałem dielektrycznym i wykorzystują jedną z dwóch metod wykrywania położenia obiektu:
Aby spowodować zmianę stałej dielektrycznej, obiekt, którego położenie ma być wykryte, jest przyczepiany do materiału dielektrycznego. Gdy materiał dielektryczny się porusza, efektywna stała dielektryczna kondensatora zmienia się w wyniku połączenia powierzchni materiału dielektrycznego i stałej dielektrycznej powietrza. Alternatywnie, obiekt można podłączyć do jednej z okładek kondensatora. Gdy obiekt się porusza, okładki zbliżają się lub oddalają, a zmiana pojemności jest wykorzystywana do określenia względnego położenia.
Czujniki pojemnościowe mogą mierzyć przemieszczenie, odległość, położenie i grubość obiektów. Ze względu na wysoką stabilność sygnału i rozdzielczość, pojemnościowe czujniki przemieszczenia są stosowane w środowiskach laboratoryjnych i przemysłowych. Na przykład czujniki pojemnościowe są używane do pomiaru grubości warstwy i aplikacji kleju w zautomatyzowanych procesach. W maszynach przemysłowych są używane do monitorowania przemieszczenia i położenia narzędzia.
Magnetostrykcja jest właściwością materiałów ferromagnetycznych, która powoduje zmianę rozmiaru lub kształtu materiału pod wpływem pola magnetycznego. W magnetostrykcyjnym czujniku położenia ruchomy magnes pozycyjny jest przymocowany do mierzonego obiektu. Składa się on z falowodu składającego się z drutów przewodzących impulsy prądu, połączonych z czujnikiem umieszczonym na końcu falowodu (Rysunek 3). Gdy impuls prądu jest wysyłany wzdłuż falowodu, w przewodzie powstaje pole magnetyczne, które oddziałuje z osiowym polem magnetycznym elementu stałego. magnes (magnes w tłoku cylindra, rys. 3a). Oddziaływanie pola jest spowodowane skręcaniem (efekt Wiedemanna), które napręża drut, wytwarzając impuls akustyczny, który rozchodzi się wzdłuż falowodu i jest wykrywany przez czujnik na końcu falowodu (ryc. 3b). Mierząc czas, jaki upłynął między zainicjowaniem impulsu prądu a wykryciem impulsu akustycznego, można zmierzyć względne położenie magnesu pozycyjnego, a tym samym obiektu (ryc.3c).
Magnetostrykcyjne czujniki położenia to czujniki bezkontaktowe używane do wykrywania położenia liniowego. Falowody są często umieszczane w rurkach ze stali nierdzewnej lub aluminium, dzięki czemu czujniki te mogą być używane w brudnych lub mokrych środowiskach.
Kiedy cienki, płaski przewodnik jest umieszczony w polu magnetycznym, przepływający prąd ma tendencję do gromadzenia się po jednej stronie przewodnika, tworząc różnicę potencjałów zwaną napięciem Halla. Jeśli prąd w przewodniku jest stały, wielkość napięcia Halla będzie odzwierciedlać siłę pola magnetycznego. W czujniku położenia z efektem Halla obiekt jest podłączony do magnesu umieszczonego w wale czujnika. Gdy obiekt się porusza, położenie magnesu zmienia się względem elementu Halla, co powoduje zmianę napięcia Halla. można określić obiekt. Istnieją wyspecjalizowane czujniki położenia wykorzystujące efekt Halla, które mogą określać położenie w trzech wymiarach (rysunek 4). Czujniki położenia wykorzystujące efekt Halla to urządzenia bezkontaktowe, które zapewniają wysoką niezawodność i szybkie wykrywanie oraz działają w szerokim zakresie temperatur. Są wykorzystywane w wielu zastosowaniach konsumenckich, przemysłowych, motoryzacyjnych i medycznych.
Istnieją dwa podstawowe typy czujników światłowodowych. W wewnętrznych czujnikach światłowodowych włókno jest używane jako element czujnikowy. W zewnętrznych czujnikach światłowodowych światłowody są łączone z inną technologią czujników w celu przekazywania sygnału do zdalnej elektroniki w celu przetworzenia. W przypadku wewnętrznych pomiarów położenia światłowodu, do określenia opóźnienia czasowego można użyć urządzenia, takiego jak optyczny reflektometr w dziedzinie czasu. przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach i nie przewodzą prądu, dzięki czemu można je stosować w pobliżu materiałów pod wysokim ciśnieniem lub materiałów łatwopalnych.
Do pomiaru pozycji można również zastosować inną detekcję światłowodową opartą na technologii światłowodowej siatki Bragga (FBG). FBG działa jak filtr wycinający, odbijając niewielką część światła wyśrodkowanego na długości fali Bragga (λB), gdy jest oświetlone światłem o szerokim spektrum. Jest wytwarzany z mikrostrukturami wyrytymi w rdzeniu włókna. FBG mogą być używane do pomiaru różnych parametrów, takich jak temperatura, odkształcenie, ciśnienie, nachylenie, przemieszczenie, przyspieszenie i obciążenie.
Istnieją dwa rodzaje optycznych czujników położenia, znanych również jako enkodery optyczne. W jednym przypadku światło jest wysyłane do odbiornika na drugim końcu czujnika. W drugim typie emitowany sygnał świetlny odbija się od monitorowanego obiektu i wraca do źródła światła. W zależności od konstrukcji czujnika zmiany właściwości światła, takie jak długość fali, natężenie, faza lub polaryzacja, służą do określenia położenia obiektu. Optyczne czujniki położenia oparte na enkoderach są dostępne dla ruchu liniowego i obrotowego. Czujniki te dzielą się na trzy główne kategorie;transmisyjne kodery optyczne, odblaskowe kodery optyczne i interferometryczne kodery optyczne.
Ultradźwiękowe czujniki położenia wykorzystują piezoelektryczne przetworniki kryształowe do emitowania fal ultradźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Czujnik mierzy odbity dźwięk. Czujniki ultradźwiękowe mogą być używane jako proste czujniki zbliżeniowe lub bardziej złożone konstrukcje mogą dostarczać informacji o zakresie. Ultradźwiękowe czujniki położenia współpracują z obiektami docelowymi z różnych materiałów i cech powierzchni oraz mogą wykrywać małe obiekty z większych odległości niż wiele innych typów czujników położenia. Są odporne na wibracje, hałas otoczenia, promieniowanie podczerwone i zakłócenia elektromagnetyczne. Przykłady zastosowań wykorzystujących ultradźwiękowe czujniki położenia obejmują ciecze wykrywanie poziomu, szybkie liczenie obiektów, zrobotyzowane systemy nawigacji i czujniki samochodowe. Typowy samochodowy czujnik ultradźwiękowy składa się z plastikowej obudowy, przetwornika piezoelektrycznego z dodatkową membraną oraz płytki drukowanej z obwodami elektronicznymi i mikrokontrolerami do nadawania, odbierania i przetwarzania sygnałów (rysunek 5).
Czujniki położenia mogą mierzyć bezwzględny lub względny ruch liniowy, obrotowy i kątowy obiektów. Czujniki położenia mogą mierzyć ruch urządzeń, takich jak siłowniki lub silniki. Są również wykorzystywane w platformach mobilnych, takich jak roboty i samochody. W czujnikach położenia stosuje się różnorodne technologie o różnych kombinacjach trwałości środowiskowej, kosztów, dokładności, powtarzalności i innych atrybutów.
Magnetostrykcyjne czujniki położenia 3D, Allegro MicrosystemsAnalyzing and Enhancing the Security of Ultrasonic Sensors for Autonomous Vehicles, IEEE Internet of Things Journal Jak wybrać czujnik położenia, Cambridge Integrated CircuitsTypy czujników położenia, Ixthus InstrumentationCo to jest indukcyjny czujnik położenia?, Keyence Co to jest magnetostrykcyjne wykrywanie położenia?, AMETEK
Przeglądaj najnowsze numery Design World i poprzednie numery w łatwym w obsłudze formacie wysokiej jakości. Edytuj, udostępniaj i pobieraj już dziś dzięki wiodącemu magazynowi poświęconemu inżynierii projektowania.
Najlepsze na świecie forum EE poświęcone rozwiązywaniu problemów, obejmujące mikrokontrolery, procesory DSP, sieci, projektowanie analogowe i cyfrowe, RF, energoelektronikę, routing PCB i nie tylko
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Wszelkie prawa zastrzeżone. Materiał na tej stronie nie może być powielany, rozpowszechniany, przesyłany, przechowywany w pamięci podręcznej ani używany w inny sposób bez uprzedniej pisemnej zgody WTWH MediaPolityka prywatności |Reklama |O nas