Từ chuỗi truyền động rô-bốt đến băng chuyền trong hoạt động của chuỗi cung ứng đến sự lắc lư của tháp tua-bin gió, cảm biến vị trí là một chức năng quan trọng trong nhiều ứng dụng. Nó có thể có nhiều dạng, bao gồm cảm biến tuyến tính, quay, góc, tuyệt đối, gia tăng, tiếp xúc và không tiếp xúc. Các cảm biến chuyên dụng có thể xác định vị trí trong ba chiều. Công nghệ cảm biến vị trí bao gồm đo điện thế, điện cảm, dòng xoáy, điện dung, từ giảo, hiệu ứng Hall, sợi quang, quang học và siêu âm.
Câu hỏi thường gặp này cung cấp phần giới thiệu ngắn gọn về các hình thức cảm biến vị trí khác nhau, sau đó xem xét một loạt công nghệ mà các nhà thiết kế có thể chọn khi triển khai giải pháp cảm biến vị trí.
Cảm biến vị trí điện thế là thiết bị dựa trên điện trở kết hợp một đường điện trở cố định với cần gạt được gắn vào đối tượng có vị trí cần được cảm nhận. Chuyển động của vật thể sẽ di chuyển cần gạt dọc theo đường. Vị trí của đối tượng được đo bằng cách sử dụng mạng phân chia điện áp được hình thành bởi đường ray và cần gạt để đo chuyển động tuyến tính hoặc quay với điện áp DC cố định (Hình 1). Cảm biến điện thế có chi phí thấp nhưng thường có độ chính xác và độ lặp lại thấp.
Các cảm biến vị trí điện cảm sử dụng các thay đổi về đặc tính của từ trường gây ra trong cuộn dây cảm biến. Tùy thuộc vào cấu trúc của chúng, chúng có thể đo các vị trí tuyến tính hoặc quay. Cảm biến vị trí Máy biến áp vi sai tuyến tính (LVDT) sử dụng ba cuộn dây quấn quanh một ống rỗng;một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. Các cuộn dây được mắc nối tiếp và mối quan hệ pha của cuộn thứ cấp lệch pha 180° so với cuộn sơ cấp. Một lõi sắt từ gọi là phần ứng được đặt bên trong ống và được nối với vật tại vị trí được đo. Một điện áp kích thích được đặt vào cuộn sơ cấp và một lực điện từ (EMF) được tạo ra trong cuộn thứ cấp. Bằng cách đo hiệu điện thế giữa các cuộn thứ cấp, có thể xác định được vị trí tương đối của phần ứng và phần mà nó được gắn vào.A máy biến áp chênh lệch điện áp quay (RVDT) sử dụng kỹ thuật tương tự để theo dõi vị trí quay. Cảm biến LVDT và RVDT mang lại độ chính xác, tuyến tính, độ phân giải và độ nhạy cao. Chúng không ma sát và có thể được bịt kín để sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Cảm biến vị trí dòng điện xoáy hoạt động với các vật thể dẫn điện. Dòng điện xoáy là dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vật liệu dẫn điện khi có từ trường thay đổi. Dòng điện này chạy trong một vòng kín và tạo ra từ trường thứ cấp. Cảm biến dòng điện xoáy bao gồm các cuộn dây và mạch tuyến tính hóa. Dòng điện xoay chiều cung cấp năng lượng cho cuộn dây để tạo ra từ trường chính. Khi một vật thể đến gần hoặc di chuyển ra khỏi cuộn dây, vị trí của nó có thể được cảm nhận bằng cách sử dụng sự tương tác của trường thứ cấp do dòng điện xoáy tạo ra, ảnh hưởng đến trở kháng của cuộn dây. đối với cuộn dây, tổn thất dòng điện xoáy tăng lên và điện áp dao động trở nên nhỏ hơn (Hình 2). Điện áp dao động được chỉnh lưu và xử lý bằng mạch tuyến tính hóa để tạo ra đầu ra DC tuyến tính tỷ lệ với khoảng cách của vật thể.
Thiết bị dòng điện xoáy là thiết bị chắc chắn, không tiếp xúc thường được sử dụng làm cảm biến tiệm cận. Chúng đa hướng và có thể xác định khoảng cách tương đối đến đối tượng, nhưng không xác định được hướng hoặc khoảng cách tuyệt đối đến đối tượng.
Như tên gợi ý, các cảm biến vị trí điện dung đo các thay đổi về điện dung để xác định vị trí của đối tượng được cảm nhận. Các cảm biến không tiếp xúc này có thể được sử dụng để đo vị trí tuyến tính hoặc quay. Chúng bao gồm hai tấm ngăn cách nhau bằng vật liệu điện môi và sử dụng một trong hai phương pháp để phát hiện vị trí của đối tượng:
Để gây ra sự thay đổi hằng số điện môi, vật thể có vị trí cần phát hiện được gắn vào vật liệu điện môi. Khi vật liệu điện môi di chuyển, hằng số điện môi hiệu dụng của tụ điện thay đổi do sự kết hợp giữa diện tích của vật liệu điện môi và hằng số điện môi của không khí. Ngoài ra, vật thể có thể được nối với một trong các bản tụ điện. Khi vật thể di chuyển, các bản di chuyển đến gần hoặc xa hơn và sự thay đổi điện dung được sử dụng để xác định vị trí tương đối.
Cảm biến điện dung có thể đo độ dịch chuyển, khoảng cách, vị trí và độ dày của vật thể. Do độ ổn định và độ phân giải tín hiệu cao, cảm biến dịch chuyển điện dung được sử dụng trong phòng thí nghiệm và môi trường công nghiệp. Ví dụ: cảm biến điện dung được sử dụng để đo độ dày màng và các ứng dụng kết dính trong các quy trình tự động. Trong máy móc công nghiệp, chúng được sử dụng để theo dõi độ dịch chuyển và vị trí của dụng cụ.
Từ giảo là một tính chất của vật liệu sắt từ làm cho vật liệu thay đổi kích thước hoặc hình dạng khi có từ trường tác dụng. Trong cảm biến vị trí từ giảo, một nam châm định vị có thể di chuyển được gắn vào đối tượng được đo. Nó bao gồm một ống dẫn sóng bao gồm các dây dẫn mang xung dòng điện, được nối với một cảm biến nằm ở cuối ống dẫn sóng (Hình 3). Khi một xung dòng điện được gửi xuống ống dẫn sóng, một từ trường được tạo ra trong dây tương tác với từ trường dọc trục của nam châm vĩnh cửu (nam châm trong pít-tông xi-lanh, Hình 3a). Tương tác trường gây ra bởi sự xoắn (hiệu ứng Wiedemann), làm căng dây, tạo ra một xung âm lan truyền dọc theo ống dẫn sóng và được phát hiện bởi một cảm biến ở cuối ống dẫn sóng (Hình 3b). Bằng cách đo thời gian trôi qua giữa lúc bắt đầu xung dòng điện và khi phát hiện xung âm thanh, vị trí tương đối của nam châm định vị và do đó có thể đo được vật thể (Hình.3c).
Cảm biến vị trí từ giảo là cảm biến không tiếp xúc được sử dụng để phát hiện vị trí tuyến tính. Ống dẫn sóng thường được đặt trong ống thép không gỉ hoặc nhôm, cho phép sử dụng các cảm biến này trong môi trường bẩn hoặc ẩm ướt.
Khi một dây dẫn phẳng, mỏng được đặt trong từ trường, bất kỳ dòng điện nào chạy qua đều có xu hướng tích tụ ở một bên của dây dẫn, tạo ra một hiệu điện thế gọi là điện áp Hall. Nếu dòng điện trong dây dẫn không đổi, độ lớn của điện áp Hall sẽ phản ánh cường độ của từ trường. Trong một cảm biến vị trí hiệu ứng Hall, vật thể được kết nối với một nam châm đặt trong trục cảm biến. Khi vật thể di chuyển, vị trí của nam châm thay đổi so với phần tử Hall, dẫn đến điện áp Hall thay đổi. Bằng cách đo điện áp Hall, vị trí của một vật thể có thể được xác định. là các cảm biến vị trí hiệu ứng Hall chuyên dụng có thể xác định vị trí trong không gian ba chiều (Hình 4). Cảm biến vị trí hiệu ứng Hall là thiết bị không tiếp xúc mang lại độ tin cậy cao và cảm biến nhanh, đồng thời hoạt động trong dải nhiệt độ rộng. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng tiêu dùng, công nghiệp, ô tô và y tế.
Có hai loại cảm biến sợi quang cơ bản. Trong các cảm biến sợi quang bên trong, sợi quang được sử dụng làm thành phần cảm biến. Trong các cảm biến sợi quang bên ngoài, sợi quang được kết hợp với một công nghệ cảm biến khác để chuyển tín hiệu đến thiết bị điện tử từ xa để xử lý. Trong trường hợp đo vị trí sợi bên trong, có thể sử dụng một thiết bị như máy đo độ phản xạ miền thời gian quang học để xác định độ trễ. Có thể tính toán độ lệch bước sóng bằng một công cụ thực hiện máy đo phản xạ miền tần số quang. Cảm biến sợi quang không bị nhiễu điện từ, có thể được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ cao và không dẫn điện , vì vậy chúng có thể được sử dụng gần áp suất cao hoặc vật liệu dễ cháy.
Một cảm biến sợi quang khác dựa trên công nghệ cách tử sợi quang Bragg (FBG) cũng có thể được sử dụng để đo vị trí. FBG hoạt động như một bộ lọc khía, phản xạ một phần nhỏ ánh sáng tập trung vào bước sóng Bragg (λB) khi được chiếu sáng bởi ánh sáng phổ rộng. Nó được chế tạo với các cấu trúc vi mô được khắc vào lõi sợi quang. FBG có thể được sử dụng để đo các thông số khác nhau như nhiệt độ, biến dạng, áp suất, độ nghiêng, độ dịch chuyển, gia tốc và tải trọng.
Có hai loại cảm biến vị trí quang học, còn được gọi là bộ mã hóa quang học. Trong một trường hợp, ánh sáng được gửi đến bộ thu ở đầu bên kia của cảm biến. Trong loại thứ hai, tín hiệu ánh sáng phát ra được đối tượng giám sát phản xạ và quay trở lại nguồn sáng. Tùy thuộc vào thiết kế cảm biến, những thay đổi về đặc tính ánh sáng, chẳng hạn như bước sóng, cường độ, pha hoặc độ phân cực, được sử dụng để xác định vị trí của vật thể. Cảm biến vị trí quang học dựa trên bộ mã hóa có sẵn cho chuyển động tuyến tính và chuyển động quay. Các cảm biến này được chia thành ba loại chính;bộ mã hóa quang truyền qua, bộ mã hóa quang phản xạ và bộ mã hóa quang giao thoa kế.
Cảm biến vị trí siêu âm sử dụng đầu dò tinh thể áp điện để phát ra sóng siêu âm tần số cao. Cảm biến đo âm thanh phản xạ. Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng làm cảm biến tiệm cận đơn giản hoặc các thiết kế phức tạp hơn có thể cung cấp thông tin khác nhau. Cảm biến vị trí siêu âm hoạt động với các đối tượng mục tiêu thuộc nhiều loại vật liệu và đặc điểm bề mặt, đồng thời có thể phát hiện các vật thể nhỏ ở khoảng cách xa hơn nhiều loại cảm biến vị trí khác. Chúng có khả năng chống rung, tiếng ồn xung quanh, bức xạ hồng ngoại và nhiễu điện từ. Ví dụ về các ứng dụng sử dụng cảm biến vị trí siêu âm bao gồm phát hiện mức chất lỏng, đếm vật thể tốc độ cao, hệ thống định vị rô bốt và cảm biến ô tô. Một cảm biến siêu âm ô tô điển hình bao gồm vỏ nhựa, bộ chuyển đổi áp điện có màng bổ sung và bảng mạch in có mạch điện tử và bộ vi điều khiển để truyền, nhận và xử lý tín hiệu (Hình 5).
Cảm biến vị trí có thể đo chuyển động tuyến tính, quay và góc tuyệt đối hoặc tương đối của vật thể. Cảm biến vị trí có thể đo chuyển động của các thiết bị như bộ truyền động hoặc động cơ. Chúng cũng được sử dụng trong các nền tảng di động như rô-bốt và ô tô. Cảm biến vị trí có nhiều công nghệ kết hợp khác nhau giữa độ bền môi trường, chi phí, độ chính xác, độ lặp lại và các thuộc tính khác.
Cảm biến vị trí từ tính 3D, Allegro MicrosystemsPhân tích và nâng cao tính bảo mật của cảm biến siêu âm cho xe tự hành, Tạp chí Internet vạn vật của IEEE Cách chọn cảm biến vị trí, Mạch tích hợp Cambridge Các loại cảm biến vị trí, Ixthus Instrumentation Cảm biến vị trí quy nạp là gì?, Keyence Cảm biến vị trí từ giảo là gì?, AMETEK
Duyệt các số mới nhất của Design World và các số cũ ở định dạng chất lượng cao, dễ sử dụng. Chỉnh sửa, chia sẻ và tải xuống ngay hôm nay với tạp chí kỹ thuật thiết kế hàng đầu.
Diễn đàn EE giải quyết vấn đề hàng đầu thế giới về vi điều khiển, DSP, mạng, thiết kế analog và kỹ thuật số, RF, điện tử công suất, định tuyến PCB, v.v.
Bản quyền © 2022 WTWH Media LLC.mọi quyền được bảo lưu.Không được sao chép, phân phối, truyền, lưu trữ hoặc sử dụng tài liệu trên trang web này nếu không có sự cho phép trước bằng văn bản của WTWH MediaChính sách bảo mật |Quảng cáo |Về chúng tôi