De correntes de transmissão robóticas a correias transportadoras em operações da cadeia de suprimentos e à oscilação de torres de turbinas eólicas, a detecção de posição é uma função crítica em uma ampla gama de aplicações. Pode assumir várias formas, incluindo sensores lineares, rotativos, angulares, absolutos, incrementais, de contato e sem contato. Foram desenvolvidos sensores especializados que podem determinar a posição em três dimensões.
Este FAQ fornece uma breve introdução às várias formas de detecção de posição e, em seguida, analisa uma variedade de tecnologias que os projetistas podem escolher ao implementar uma solução de detecção de posição.
Sensores de posição potenciométricos são dispositivos baseados em resistência que combinam um trilho resistivo fixo com um limpador conectado ao objeto cuja posição precisa ser detectada. O movimento do objeto move o limpador ao longo do trilho. A posição do objeto é medida usando uma rede divisora ​​de tensão formada por trilhos e limpadores para medir o movimento linear ou rotacional com uma tensão CC fixa (Figura 1). Sensores potenciométricos são de baixo custo, mas geralmente têm baixa precisão e repetibilidade.
Os sensores de posição indutivos utilizam mudanças nas propriedades do campo magnético induzido na bobina do sensor. Dependendo de sua arquitetura, eles podem medir posições lineares ou rotacionais. Os sensores de posição do Transformador Diferencial Variável Linear (LVDT) usam três bobinas enroladas em um tubo oco;uma bobina primária e duas bobinas secundárias. As bobinas são conectadas em série, e a relação de fase da bobina secundária está 180° fora de fase em relação à bobina primária. Um núcleo ferromagnético chamado armadura é colocado dentro do tubo e conectado ao objeto no local que está sendo medido. Um transformador diferencial de tensão rotativo (RVDT) usa a mesma técnica para rastrear a posição rotativa. Os sensores LVDT e RVDT oferecem boa precisão, linearidade, resolução e alta sensibilidade. Eles não têm atrito e podem ser vedados para uso em ambientes hostis.
Os sensores de posição de correntes parasitas funcionam com objetos condutores.As correntes parasitas são correntes induzidas que ocorrem em materiais condutores na presença de um campo magnético variável.Essas correntes fluem em um circuito fechado e geram um campo magnético secundário.Os sensores de correntes parasitas consistem em bobinas e circuitos de linearização.A corrente alternada energiza a bobina para criar o campo magnético primário.Quando um objeto se aproxima ou se afasta da bobina, sua posição pode ser detectada usando a interação do campo secundário produzido por correntes parasitas, que afeta a impedância da bobina. À medida que o objeto se aproxima da bobina, as perdas por correntes parasitas aumentam e a tensão oscilante torna-se menor (Figura 2). A tensão oscilante é retificada e processada por um circuito linearizador para produzir uma saída DC linear proporcional à distância do objeto.
Os dispositivos de correntes parasitas são dispositivos robustos sem contato normalmente usados ​​como sensores de proximidade. Eles são omnidirecionais e podem determinar a distância relativa ao objeto, mas não a direção ou a distância absoluta ao objeto.
Como o nome sugere, os sensores de posição capacitivos medem mudanças na capacitância para determinar a posição do objeto que está sendo detectado. Esses sensores sem contato podem ser usados ​​para medir a posição linear ou rotacional. Eles consistem em duas placas separadas por um material dielétrico e usam um dos dois métodos para detectar a posição de um objeto:
Para causar uma mudança na constante dielétrica, o objeto cuja posição deve ser detectada é anexado ao material dielétrico. À medida que o material dielétrico se move, a constante dielétrica efetiva do capacitor muda devido à combinação da área do material dielétrico e a constante dielétrica do ar. Alternativamente, o objeto pode ser conectado a uma das placas do capacitor. À medida que o objeto se move, as placas se aproximam ou se afastam e a mudança na capacitância é usada para determinar a posição relativa.
Os sensores capacitivos podem medir deslocamento, distância, posição e espessura de objetos. Devido à sua alta estabilidade e resolução de sinal, os sensores capacitivos de deslocamento são usados ​​em ambientes laboratoriais e industriais.
A magnetostricção é uma propriedade dos materiais ferromagnéticos que faz com que o material mude de tamanho ou forma quando um campo magnético é aplicado.Em um sensor de posição magnetostritivo, um ímã de posição móvel é anexado ao objeto que está sendo medido.Ele consiste em um guia de ondas composto por fios que transportam pulsos de corrente, conectados a um sensor localizado no final do guia de ondas (Figura 3).Quando um pulso de corrente é enviado pelo guia de ondas, um campo magnético é criado no fio que interage com o campo magnético axial do ímã permanente (o ímã no cilindro pistão, Figura 3a). A interação de campo é causada pela torção (o efeito Wiedemann), que deforma o fio, produzindo um pulso acústico que se propaga ao longo do guia de ondas e é detectado por um sensor no final do guia de ondas (Fig. 3b). Ao medir o tempo decorrido entre o início do pulso de corrente e a detecção do pulso acústico, a posição relativa do ímã de posição e, portanto, do objeto pode ser medida (Fig.3c).
Os sensores de posição magnetostrictivos são sensores sem contato usados ​​para detectar a posição linear. Os guias de onda geralmente são alojados em tubos de aço inoxidável ou alumínio, permitindo que esses sensores sejam usados ​​em ambientes sujos ou úmidos.
Quando um condutor fino e plano é colocado em um campo magnético, qualquer fluxo de corrente tende a se acumular em um lado do condutor, criando uma diferença de potencial chamada tensão de Hall. Existem sensores de posição de efeito Hall especializados que podem determinar a posição em três dimensões (Figura 4).Os sensores de posição de efeito Hall são dispositivos sem contato que fornecem alta confiabilidade e detecção rápida e operam em uma ampla faixa de temperatura.
Existem dois tipos básicos de sensores de fibra óptica.Nos sensores de fibra óptica intrínseca, a fibra é usada como elemento sensor.Nos sensores de fibra óptica externos, a fibra óptica é combinada com outra tecnologia de sensor para retransmitir o sinal para a eletrônica remota para processamento.No caso de medições de posição de fibra intrínseca, um dispositivo como um refletômetro óptico de domínio do tempo pode ser usado para determinar o atraso de tempo. altas temperaturas e não são condutores, portanto podem ser usados ​​perto de alta pressão ou materiais inflamáveis.
Outra detecção de fibra óptica baseada na tecnologia de grade de Bragg de fibra (FBG) também pode ser usada para medição de posição. O FBG atua como um filtro de entalhe, refletindo uma pequena fração da luz centrada no comprimento de onda de Bragg (λB) quando iluminado por luz de amplo espectro.
Existem dois tipos de sensores ópticos de posição, também conhecidos como codificadores ópticos.Em um caso, a luz é enviada para um receptor na outra extremidade do sensor.No segundo tipo, o sinal de luz emitido é refletido pelo objeto monitorado e retornado à fonte de luz.Dependendo do projeto do sensor, mudanças nas propriedades da luz, como comprimento de onda, intensidade, fase ou polarização, são usadas para determinar a posição de um objeto.Sensores ópticos de posição baseados em codificadores estão disponíveis para movimento linear e rotativo. Esses sensores se enquadram em três categorias principais;codificadores ópticos transmissivos, codificadores ópticos reflexivos e codificadores ópticos interferométricos.
Sensores de posição ultrassônicos usam transdutores de cristal piezoelétricos para emitir ondas ultrassônicas de alta frequência. contagem de objetos em alta velocidade, sistemas de navegação robótica e detecção automotiva. Um sensor ultrassônico automotivo típico consiste em um invólucro de plástico, um transdutor piezoelétrico com uma membrana adicional e uma placa de circuito impresso com circuitos eletrônicos e microcontroladores para transmitir, receber e processar sinais (Figura 5).
Os sensores de posição podem medir o movimento linear, rotacional e angular absoluto ou relativo de objetos. Os sensores de posição podem medir o movimento de dispositivos como atuadores ou motores. Eles também são usados ​​em plataformas móveis, como robôs e carros.
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