Od robotskih pogonskih verig do tekočih trakov v dobavnih verigah do nihanja stolpov vetrnih turbin je zaznavanje položaja kritična funkcija v številnih aplikacijah. Ima lahko številne oblike, vključno z linearnimi, rotacijskimi, kotnimi, absolutnimi, inkrementalnimi, kontaktnimi in brezkontaktnimi senzorji. Razviti so bili specializirani senzorji, ki lahko določijo položaj v treh dimenzijah. Tehnologije zaznavanja položaja vključujejo potenciometrične, induktivne, ed. dy tok, kapacitivni, magnetostrikcijski, Hallov učinek, optični, optični in ultrazvočni.
Ta pogosta vprašanja nudijo kratek uvod v različne oblike zaznavanja položaja, nato pa pregled nabora tehnologij, med katerimi lahko oblikovalci izbirajo pri izvajanju rešitve za zaznavanje položaja.
Potenciometrični senzorji položaja so naprave, ki temeljijo na uporu in združujejo fiksno uporovno stezo z brisalcem, pritrjenim na predmet, katerega položaj je treba zaznati. Gibanje predmeta premika brisalec vzdolž tira. Položaj predmeta se meri z uporabo mreže delilnikov napetosti, ki jo sestavljajo tirnice in brisalci, za merjenje linearnega ali rotacijskega gibanja s fiksno enosmerno napetostjo (slika 1). Potenciometrični senzorji so poceni, vendar imajo na splošno nizko natančnost cy in ponovljivost.
Induktivni senzorji položaja izkoriščajo spremembe v lastnostih magnetnega polja, induciranega v tuljavi senzorja. Glede na svojo arhitekturo lahko merijo linearne ali rotacijske položaje. Senzorji položaja linearnega spremenljivega diferencialnega transformatorja (LVDT) uporabljajo tri tuljave, ovite okoli votle cevi;primarna tuljava in dve sekundarni tuljavi. Tuljavi sta zaporedno povezani, fazno razmerje sekundarne tuljave pa je za 180° izven faze glede na primarno tuljavo. Feromagnetno jedro, imenovano armatura, je nameščeno znotraj cevi in ​​povezano s predmetom na mestu, ki se meri. sekundarne tuljave, se lahko določi relativni položaj armature in na kaj je pritrjena. Vrtljivi napetostni diferenčni transformator (RVDT) uporablja isto tehniko za sledenje vrtljivega položaja. Senzorji LVDT in RVDT ponujajo dobro natančnost, linearnost, ločljivost in visoko občutljivost. So brez trenja in jih je mogoče zapreti za uporabo v težkih okoljih.
Senzorji položaja vrtinčnega toka delujejo s prevodnimi predmeti. Vrtinčni tokovi so inducirani tokovi, ki se pojavljajo v prevodnih materialih v prisotnosti spreminjajočega se magnetnega polja. Ti tokovi tečejo v zaprti zanki in ustvarjajo sekundarno magnetno polje. Senzorji vrtinčnega toka so sestavljeni iz tuljav in linearizacijskih vezij. Izmenični tok napaja tuljavo, da ustvari primarno magnetno polje. Ko se predmet približa tuljavi ali odmakne od nje, je mogoče njegov položaj zaznati z interakcijo sekundarno polje, ki ga proizvajajo vrtinčni tokovi, kar vpliva na impedanco tuljave. Ko se predmet približuje tuljavi, se izgube vrtinčnih tokov povečajo in nihajna napetost postane manjša (slika 2). Nihajoča napetost se popravi in ​​obdela z linearnim vezjem, da proizvede linearni enosmerni izhod, ki je sorazmeren z razdaljo predmeta.
Naprave z vrtinčnim tokom so robustne brezkontaktne naprave, ki se običajno uporabljajo kot senzorji bližine. So vsesmerne in lahko določijo relativno razdaljo do predmeta, ne pa tudi smeri ali absolutne razdalje do predmeta.
Kot pove že ime, kapacitivni senzorji položaja merijo spremembe kapacitivnosti, da določijo položaj zaznanega predmeta. Ti brezkontaktni senzorji se lahko uporabljajo za merjenje linearnega ali rotacijskega položaja. Sestavljeni so iz dveh plošč, ločenih z dielektričnim materialom, in uporabljajo eno od dveh metod za zaznavanje položaja predmeta:
Da bi povzročili spremembo dielektrične konstante, je predmet, katerega položaj je treba zaznati, pritrjen na dielektrični material. Ko se dielektrični material premika, se efektivna dielektrična konstanta kondenzatorja spreminja zaradi kombinacije površine dielektričnega materiala in dielektrične konstante zraka. Druga možnost je, da se predmet poveže z eno od plošč kondenzatorja. Ko se predmet premika, se plošče premikajo bližje ali dlje, in sprememba kapacitivnosti se uporablja za določitev relativnega položaja.
Kapacitivni senzorji lahko merijo premik, razdaljo, položaj in debelino predmetov. Zaradi visoke stabilnosti signala in ločljivosti se kapacitivni senzorji odmika uporabljajo v laboratorijskih in industrijskih okoljih. Kapacitivni senzorji se na primer uporabljajo za merjenje debeline filma in nanosov lepila v avtomatiziranih procesih. V industrijskih strojih se uporabljajo za spremljanje odmika in položaja orodja.
Magnetostrikcija je lastnost feromagnetnih materialov, ki povzroči, da material spremeni svojo velikost ali obliko, ko je uporabljeno magnetno polje. Pri magnetostrikcijskem senzorju položaja je premični magnet za položaj pritrjen na predmet, ki se meri. Sestavljen je iz valovoda, sestavljenega iz žic, ki prenašajo tokovne impulze, povezanih s senzorjem, ki se nahaja na koncu valovoda (slika 3). Ko se tokovni impulz pošlje po valovodu, se v žici ustvari magnetno polje ki je v interakciji z aksialnim magnetnim poljem trajnega magneta (magnet v cilindričnem batu, slika 3a). Interakcija polja nastane zaradi zvijanja (Wiedemannov učinek), ki napne žico, pri čemer nastane akustični impulz, ki se širi vzdolž valovoda in ga zazna senzor na koncu valovoda (slika 3b). Z merjenjem pretečenega časa med začetkom tokovnega impulza in zaznavanje akustičnega impulza, relativni položaj pozicijskega magneta in s tem objekta je mogoče izmeriti (sl.3c).
Magnetostrikcijski senzorji položaja so brezkontaktni senzorji, ki se uporabljajo za zaznavanje linearnega položaja. Valovodi so pogosto nameščeni v cevi iz nerjavečega jekla ali aluminija, kar omogoča uporabo teh senzorjev v umazanih ali mokrih okoljih.
Ko je tanek, ploščat prevodnik postavljen v magnetno polje, se morebitni tok, ki teče, nabere na eni strani prevodnika, kar ustvarja potencialno razliko, imenovano Hallova napetost. Če je tok v prevodniku konstanten, bo velikost Hallove napetosti odražala jakost magnetnega polja. Pri senzorju položaja na Hallov učinek je predmet povezan z magnetom, nameščenim v osi senzorja. Ko se predmet premika, se položaj magneta spreminja glede na Hallov element, kar povzroči spreminjanje Hallove napetosti.B z merjenjem Hallove napetosti je mogoče določiti položaj predmeta. Obstajajo specializirani senzorji položaja Hall-effect, ki lahko določijo položaj v treh dimenzijah (slika 4). Senzorji položaja Hall-effect so brezkontaktne naprave, ki zagotavljajo visoko zanesljivost in hitro zaznavanje ter delujejo v širokem temperaturnem območju. Uporabljajo se v številnih potrošniških, industrijskih, avtomobilskih in medicinskih aplikacijah.
Obstajata dve osnovni vrsti senzorjev z optičnimi vlakni. V notranjih senzorjih z optičnimi vlakni se vlakno uporablja kot zaznavni element. V zunanjih senzorjih z optičnimi vlakni so optična vlakna kombinirana z drugo senzorsko tehnologijo za posredovanje signala oddaljeni elektroniki za obdelavo. V primeru meritev položaja notranjih vlaken se lahko za določitev časovne zakasnitve uporabi naprava, kot je optični reflektometer v časovni domeni. Premik valovne dolžine je mogoče izračunati z instrumentom, ki izvaja optično tical frekvenčni reflektometer. Senzorji z optičnimi vlakni so odporni na elektromagnetne motnje, zasnovani so za delovanje pri visokih temperaturah in so neprevodni, zato jih je mogoče uporabljati v bližini visokega tlaka ali vnetljivih materialov.
Za merjenje položaja se lahko uporablja tudi drugo optično zaznavanje, ki temelji na tehnologiji vlaken Braggove rešetke (FBG). FBG deluje kot zarezni filter, ki odseva majhen del svetlobe, osredotočen na Braggovo valovno dolžino (λB), ko je osvetljen s svetlobo širokega spektra. Izdelan je z mikrostrukturami, vgraviranimi v jedro vlakna. FBG se lahko uporabljajo za merjenje različnih parametrov, kot so temperatura, napetost, tlak, nagib, premik, pospešek in obremenitev.
Obstajata dve vrsti optičnih senzorjev položaja, znani tudi kot optični kodirniki. V enem primeru je svetloba poslana v sprejemnik na drugem koncu senzorja. V drugem tipu oddani svetlobni signal odbija opazovani predmet in se vrne k viru svetlobe. Odvisno od zasnove senzorja se za določanje položaja predmeta uporabljajo spremembe svetlobnih lastnosti, kot so valovna dolžina, intenzivnost, faza ali polarizacija. Optični senzorji položaja, ki temeljijo na kodirniku, so na voljo za linearne in rotacijsko gibanje. Ti senzorji spadajo v tri glavne kategorije;transmisivni optični kodirniki, odbojni optični kodirniki in interferometrični optični kodirniki.
Ultrazvočni senzorji položaja uporabljajo piezoelektrične kristalne pretvornike za oddajanje visokofrekvenčnih ultrazvočnih valov. Senzor meri odbit zvok. Ultrazvočni senzorji se lahko uporabljajo kot preprosti senzorji bližine ali bolj zapletene zasnove lahko zagotovijo informacije o razponu. Ultrazvočni senzorji položaja delujejo s ciljnimi predmeti iz različnih materialov in površinskih značilnosti ter lahko zaznajo majhne predmete na večjih razdaljah kot številne druge vrste senzorjev položaja. Odporni so na vibracije, ambi hrup, infrardeče sevanje in elektromagnetne motnje. Primeri aplikacij, ki uporabljajo ultrazvočne senzorje položaja, vključujejo zaznavanje nivoja tekočine, hitro štetje predmetov, robotske navigacijske sisteme in avtomobilsko zaznavanje. Tipičen avtomobilski ultrazvočni senzor je sestavljen iz plastičnega ohišja, piezoelektričnega pretvornika z dodatno membrano in tiskanega vezja z elektronskimi vezji in mikrokontrolerji za oddajanje, sprejemanje in obdelavo signalov (slika 5).
Senzorji položaja lahko merijo absolutno ali relativno linearno, rotacijsko in kotno gibanje predmetov. Senzorji položaja lahko merijo gibanje naprav, kot so aktuatorji ali motorji. Uporabljajo se tudi v mobilnih platformah, kot so roboti in avtomobili. V senzorjih položaja se uporabljajo različne tehnologije z različnimi kombinacijami okoljske trajnosti, stroškov, natančnosti, ponovljivosti in drugih lastnosti.
3D Magnetic Position Sensors, Allegro MicrosystemsAnalyzing and Enhancing the Security of Ultrasonic Sensors for Autonomous Vehicles, IEEE Internet of Things Journal Kako izbrati senzor položaja, Cambridge Integrated CircuitsVrste senzorjev položaja, Ixthus InstrumentationKaj je induktivni senzor položaja?, Keyence Kaj je magnetostriktivno zaznavanje položaja?, AMETEK
Brskajte po najnovejših številkah Design World in prejšnjih številkah v visokokakovostnem formatu, ki je enostaven za uporabo. Uredite, delite in prenesite danes z vodilno revijo za inženiring oblikovanja.
Vrhunski svetovni EE forum za reševanje problemov, ki pokriva mikrokrmilnike, DSP, mreženje, analogno in digitalno oblikovanje, RF, močnostno elektroniko, usmerjanje tiskanih vezij in več
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. vse pravice pridržane. Gradiva na tem mestu ni dovoljeno reproducirati, distribuirati, prenašati, predpomniti ali kako drugače uporabljati brez predhodnega pisnega dovoljenja WTWH Media Politika zasebnosti | Oglaševanje |O nas