Від роботизованих приводних ланцюгів до конвеєрних стрічок у ланцюгах постачання до коливання опор вітряних турбін, визначення положення є критично важливою функцією в широкому діапазоні застосувань. Воно може приймати різні форми, включаючи лінійні, поворотні, кутові, абсолютні, інкрементні, контактні та безконтактні датчики. Було розроблено спеціальні датчики, які можуть визначати положення в трьох вимірах. Технології визначення положення включають потенціометричні, індуктивні, ед. струмовий, ємнісний, магнітострикційний, ефект Холла, волоконно-оптичний, оптичний та ультразвуковий.
У цьому розділі поширених запитань міститься короткий вступ до різних форм вимірювання положення, а потім розглядається низка технологій, з яких дизайнери можуть вибрати під час впровадження рішення визначення положення.
Потенціометричні датчики положення – це пристрої на основі опору, які поєднують фіксовану резистивну доріжку з склоочисником, прикріпленим до об’єкта, положення якого потрібно визначити. Рух об’єкта переміщує склоочисники вздовж доріжки. Положення об’єкта вимірюється за допомогою мережі дільника напруги, утвореної рейками та склоочисниками, для вимірювання лінійного або обертального руху з фіксованою напругою постійного струму (Малюнок 1). Потенціометричні датчики є дешевими, але, як правило, мають низьку точність. кратність і повторюваність.
Індуктивні датчики положення використовують зміни у властивостях магнітного поля, індукованого в котушці датчика. Залежно від своєї архітектури вони можуть вимірювати лінійне або обертальне положення. Датчики положення з лінійним змінним диференціальним трансформатором (LVDT) використовують три котушки, обгорнуті навколо порожнистої труби;первинна котушка та дві вторинні котушки. Котушки з’єднані послідовно, а співвідношення фаз вторинної котушки зміщено по фазі на 180° відносно первинної котушки. Феромагнітний сердечник, який називається якорем, поміщається всередину трубки та з’єднується з об’єктом у місці вимірювання. До первинної котушки прикладається напруга збудження, а у вторинній котушці індукується електромагнітна сила (ЕМС). Вимірюючи різницю напруг між вторинних котушок, можна визначити відносне положення якоря та те, до чого він прикріплений. Обертовий диференціальний трансформатор напруги (RVDT) використовує ту саму техніку для відстеження положення обертання. Датчики LVDT і RVDT пропонують хорошу точність, лінійність, роздільну здатність і високу чутливість. Вони не мають тертя і можуть бути герметизовані для використання в суворих умовах.
Датчики положення вихрових струмів працюють із провідними об’єктами. Вихрові струми – це індуковані струми, які виникають у провідних матеріалах у присутності змінного магнітного поля. Ці струми протікають у замкнутому контурі та створюють вторинне магнітне поле. Датчики вихрових струмів складаються з котушок і ланцюгів лінеаризації. Змінний струм живить котушку, створюючи первинне магнітне поле. Коли об’єкт наближається до котушки або віддаляється від неї, його положення можна визначити за допомогою взаємодії вторинне поле, яке створюється вихровими струмами, що впливає на опір котушки. Коли об’єкт наближається до котушки, втрати на вихровий струм збільшуються, а коливальна напруга стає меншою (рис. 2). Коливальна напруга випрямляється та обробляється ланцюгом лінеалізатора, щоб отримати лінійний вихід постійного струму, пропорційний відстані до об’єкта.
Вихрострумові пристрої – це міцні безконтактні пристрої, які зазвичай використовуються як датчики наближення. Вони всенаправлені й можуть визначати відносну відстань до об’єкта, але не напрямок чи абсолютну відстань до об’єкта.
Як випливає з назви, ємнісні датчики положення вимірюють зміни ємності для визначення положення об’єкта, що визначається. Ці безконтактні датчики можна використовувати для вимірювання лінійного або обертального положення. Вони складаються з двох пластин, розділених діелектричним матеріалом, і використовують один із двох методів визначення положення об’єкта:
Щоб викликати зміну діелектричної проникності, об’єкт, положення якого необхідно визначити, прикріплюється до діелектричного матеріалу. Під час руху діелектричного матеріалу ефективна діелектрична проникність конденсатора змінюється через поєднання площі діелектричного матеріалу та діелектричної проникності повітря. Крім того, об’єкт можна під’єднати до однієї з пластин конденсатора. Під час руху об’єкта пластини наближаються або віддаляються, а зміна ємності використовується для визначення відносного положення.
Ємнісні датчики можуть вимірювати переміщення, відстань, положення та товщину об’єктів. Завдяки високій стабільності сигналу та роздільній здатності ємнісні датчики переміщення використовуються в лабораторних і промислових середовищах. Наприклад, ємнісні датчики використовуються для вимірювання товщини плівки та застосування клею в автоматизованих процесах. У промислових машинах вони використовуються для моніторингу переміщення та положення інструменту.
Магнітострикція — це властивість феромагнітних матеріалів, яка змушує матеріал змінювати свій розмір або форму під час застосування магнітного поля. У магнітострикційному датчику положення рухомий позиційний магніт прикріплений до об’єкта, що вимірюється. Він складається з хвилеводу, що складається з дротів, які передають імпульси струму, з’єднаних із датчиком, розташованим на кінці хвилеводу (рис. 3). Коли імпульс струму надсилається вниз по хвилеводу, у дроті створюється магнітне поле. який взаємодіє з аксіальним магнітним полем постійного магніту (магніт у поршні циліндра, рис. 3а). Взаємодія поля спричинена скручуванням (ефект Відемана), яке натягує дріт, утворюючи акустичний імпульс, який поширюється вздовж хвилеводу та виявляється датчиком на кінці хвилеводу (рис. 3b). Вимірюючи час, що минув між початком імпульсу струму та Виявлення акустичного імпульсу, відносне положення позиційного магніту і, отже, об’єкта можна виміряти (рис.3c).
Магнітострикційні датчики положення – це безконтактні датчики, які використовуються для визначення лінійного положення. Хвилеводи часто містяться в трубах з нержавіючої сталі або алюмінію, що дозволяє використовувати ці датчики в брудних або вологих середовищах.
Коли тонкий плоский провідник поміщається в магнітне поле, будь-який струм, що протікає, має тенденцію накопичуватися з одного боку провідника, створюючи різницю потенціалів, яка називається напругою Холла. Якщо струм у провіднику постійний, величина напруги Холла відображатиме силу магнітного поля. У датчику положення на ефекті Холла об’єкт з’єднується з магнітом, розміщеним у валу датчика. Коли об’єкт рухається, положення магніту змінюється відносно елемента Холла, що призводить до зміни напруги Холла.B Вимірюючи напругу Холла, можна визначити положення об’єкта. Існують спеціальні датчики положення на ефекті Холла, які можуть визначати положення в трьох вимірах (Малюнок 4). Датчики положення на ефекті Холла – це безконтактні пристрої, які забезпечують високу надійність і швидке визначення та працюють у широкому діапазоні температур. Вони використовуються в ряді побутових, промислових, автомобільних і медичних застосувань.
Існує два основних типи волоконно-оптичних датчиків. У внутрішніх волоконно-оптичних датчиках волокно використовується як чутливий елемент. У зовнішніх волоконно-оптичних датчиках волоконна оптика поєднується з іншою сенсорною технологією для передачі сигналу на віддалену електроніку для обробки. У разі вимірювання положення внутрішнього волокна для визначення часової затримки можна використовувати такий пристрій, як оптичний рефлектометр у часовій області. Зміщення довжини хвилі можна обчислити за допомогою приладу, який реалізує оптику. Волоконно-оптичні датчики стійкі до електромагнітних перешкод, можуть працювати при високих температурах і є непровідними, тому їх можна використовувати поблизу високого тиску або легкозаймистих матеріалів.
Інший волоконно-оптичний датчик, заснований на технології волоконної решітки Брегга (FBG), також можна використовувати для вимірювання положення. FBG діє як режекторний фільтр, відбиваючи невелику частину світла, зосередженого на довжині хвилі Брегга (λB), коли він освітлюється світлом широкого спектру. Він виготовлений із мікроструктурами, вигравіруваними в серцевині волокна. FBG можна використовувати для вимірювання різних параметрів, таких як температура, деформація, тиск, нахил, переміщення, прискорення і навантаження.
Існує два типи оптичних датчиків положення, також відомих як оптичні кодери. В одному випадку світло надсилається до приймача на іншому кінці датчика. У другому типі випромінюваний світловий сигнал відбивається об’єктом спостереження та повертається до джерела світла. Залежно від конструкції датчика для визначення положення об’єкта використовуються зміни властивостей світла, наприклад довжина хвилі, інтенсивність, фаза або поляризація. Оптичні датчики положення на основі кодувальника доступні для лінійних і обертального руху. Ці датчики діляться на три основні категорії;трансмісійні оптичні кодери, відбивні оптичні кодери та інтерферометричні оптичні кодери.
Ультразвукові датчики положення використовують п’єзоелектричні кристалічні перетворювачі для випромінювання високочастотних ультразвукових хвиль. Датчик вимірює відбитий звук. Ультразвукові датчики можна використовувати як прості датчики наближення або більш складні конструкції можуть надавати інформацію про дальність. Ультразвукові датчики положення працюють з цільовими об’єктами з різноманітних матеріалів і поверхонь і можуть виявляти невеликі об’єкти на більших відстанях, ніж багато інших типів датчиків положення. Вони стійкі до вібрації, амб. шум, інфрачервоне випромінювання та електромагнітні перешкоди. Приклади застосувань із використанням ультразвукових датчиків положення включають визначення рівня рідини, високошвидкісний підрахунок об’єктів, роботизовані навігаційні системи та автомобільні датчики. Типовий автомобільний ультразвуковий датчик складається з пластикового корпусу, п’єзоелектричного перетворювача з додатковою мембраною та друкованої плати з електронними схемами та мікроконтролерами для передачі, прийому та обробки сигналів (рис. 5).
Датчики положення можуть вимірювати абсолютний або відносний лінійний, обертальний і кутовий рух об’єктів. Датчики положення можуть вимірювати рух таких пристроїв, як приводи або двигуни. Вони також використовуються в мобільних платформах, таких як роботи та автомобілі. У датчиках положення використовуються різноманітні технології з різними комбінаціями екологічної довговічності, вартості, точності, повторюваності та інших атрибутів.
3D Magnetic Position Sensors, Allegro MicrosystemsAnalyzing and Enhancing the Security of Ultrasonic Sensors for Autonomous Vehicles, IEEE Internet of Things Journal Як вибрати датчик положення, Cambridge Integrated CircuitsТипи датчиків положення, Ixthus InstrumentationЩо таке індуктивний датчик положення?, Keyence What is Magnetostrictive Position Sensing?, AMETEK
Переглядайте останні випуски журналу Design World і попередні випуски в зручному у користуванні високоякісному форматі. Редагуйте, діліться та завантажуйте сьогодні з провідним дизайнерським журналом.
Найпопулярніший у світі форум EE з вирішення проблем, що охоплює мікроконтролери, DSP, мережі, аналогову та цифрову конструкцію, радіочастоту, силову електроніку, маршрутизацію друкованих плат тощо
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Усі права захищено. Матеріали на цьому сайті не можна відтворювати, розповсюджувати, передавати, кешувати чи іншим чином використовувати без попереднього письмового дозволу WTWH Media. Політика конфіденційності | Реклама |Про нас