من سلاسل القيادة الروبوتية إلى سيور النقل في عمليات سلسلة التوريد، وصولاً إلى تأرجح أبراج توربينات الرياح، يُعدّ استشعار الموقع وظيفةً بالغة الأهمية في نطاق واسع من التطبيقات. ويتخذ هذا الاستشعار أشكالاً عديدة، منها الاستشعار الخطي، والدوراني، والزاوي، والمطلق، والتزايدي، والتلامسي، وغير التلامسي. وقد طُوّرت مستشعرات متخصصة قادرة على تحديد الموقع في ثلاثة أبعاد. وتشمل تقنيات استشعار الموقع: قياس الجهد، والحث، والتيارات الدوامية، والسعوية، والمغناطيسية الانفعالية، وتأثير هول، والألياف البصرية، والبصرية، والموجات فوق الصوتية.
تقدم هذه الأسئلة الشائعة مقدمة موجزة عن الأشكال المختلفة لاستشعار الموقع، ثم تستعرض مجموعة من التقنيات التي يمكن للمصممين الاختيار من بينها عند تنفيذ حل استشعار الموقع.
أجهزة استشعار الموضع الكهروإجهادية هي أجهزة تعتمد على المقاومة، وتجمع بين مسار مقاوم ثابت ومنزلق متصل بالجسم المراد قياس موضعه. تتحرك المنزلقة على طول المسار مع حركة الجسم. يُقاس موضع الجسم باستخدام شبكة مقسم جهد تتكون من قضبان ومنزلقات لقياس الحركة الخطية أو الدورانية بجهد مستمر ثابت (الشكل 1). تتميز أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية بانخفاض تكلفتها، ولكنها عمومًا ذات دقة وقابلية تكرار منخفضة.
تستخدم مستشعرات الموضع الاستقرائية التغيرات في خصائص المجال المغناطيسي المستحث في ملف المستشعر. اعتمادًا على بنيتها، يمكنها قياس المواضع الخطية أو الدورانية. تستخدم مستشعرات الموضع ذات المحول التفاضلي المتغير الخطي (LVDT) ثلاثة ملفات ملفوفة حول أنبوب مجوف؛ يتكون الجهاز من ملف ابتدائي وملفين ثانويين. تُوصل الملفات على التوالي، ويكون فرق الطور بين الملف الثانوي والملف الابتدائي 180 درجة. يوضع قلب مغناطيسي حديدي يُسمى العضو الدوار داخل الأنبوب ويُوصل بالجسم المراد قياسه. يُطبق جهد إثارة على الملف الابتدائي، مما يُولد قوة كهرومغناطيسية في الملف الثانوي. بقياس فرق الجهد بين الملفين الثانويين، يُمكن تحديد الموضع النسبي للعضو الدوار والجسم المتصل به. يستخدم محول الجهد التفاضلي الدوار (RVDT) نفس التقنية لتتبع الموضع الدوار. تتميز مستشعرات LVDT وRVDT بدقة عالية، وخطية جيدة، ووضوح عالٍ، وحساسية فائقة. وهي عديمة الاحتكاك، ويمكن إحكام غلقها للاستخدام في البيئات القاسية.
تعمل مستشعرات تحديد الموضع بالتيارات الدوامية مع الأجسام الموصلة. التيارات الدوامية هي تيارات مستحثة تحدث في المواد الموصلة عند وجود مجال مغناطيسي متغير. تتدفق هذه التيارات في حلقة مغلقة وتولد مجالًا مغناطيسيًا ثانويًا. تتكون مستشعرات التيارات الدوامية من ملفات ودوائر خطية. يُنشط التيار المتردد الملف لتوليد المجال المغناطيسي الأساسي. عندما يقترب جسم ما من الملف أو يبتعد عنه، يمكن استشعار موضعه باستخدام تفاعل المجال الثانوي الناتج عن التيارات الدوامية، والذي يؤثر على مقاومة الملف. مع اقتراب الجسم من الملف، تزداد خسائر التيارات الدوامية ويقل الجهد المتذبذب (الشكل 2). يُقوّم الجهد المتذبذب ويُعالج بواسطة دائرة خطية لإنتاج خرج تيار مستمر خطي يتناسب مع بُعد الجسم.
أجهزة التيار الدوامي هي أجهزة متينة لا تتطلب التلامس وتستخدم عادة كمستشعرات تقارب. وهي متعددة الاتجاهات ويمكنها تحديد المسافة النسبية إلى الجسم، ولكن ليس الاتجاه أو المسافة المطلقة إلى الجسم.
كما يوحي الاسم، تقيس مستشعرات الموضع السعوية التغيرات في السعة لتحديد موضع الجسم المراد استشعاره. يمكن استخدام هذه المستشعرات غير التلامسية لقياس الموضع الخطي أو الدوراني. وهي تتكون من لوحين يفصل بينهما مادة عازلة، وتستخدم إحدى طريقتين للكشف عن موضع الجسم:
لإحداث تغيير في ثابت العزل الكهربائي، يُثبَّت الجسم المراد تحديد موقعه على المادة العازلة. ومع حركة المادة العازلة، يتغير ثابت العزل الكهربائي الفعال للمكثف نتيجةً لتأثير مساحة المادة العازلة على ثابت العزل الكهربائي للهواء. وبدلاً من ذلك، يمكن توصيل الجسم بأحد لوحي المكثف. ومع حركة الجسم، يقترب اللوحان أو يبتعدان، ويُستخدم التغير في السعة لتحديد الموقع النسبي.
تستطيع المستشعرات السعوية قياس الإزاحة والمسافة والموقع وسماكة الأجسام. وبفضل استقرار الإشارة العالي ودقتها، تُستخدم مستشعرات الإزاحة السعوية في المختبرات والبيئات الصناعية. على سبيل المثال، تُستخدم هذه المستشعرات لقياس سماكة الأغشية وتطبيقات المواد اللاصقة في العمليات الآلية. وفي الآلات الصناعية، تُستخدم لمراقبة الإزاحة وموضع الأدوات.
الانفعال المغناطيسي هو خاصية للمواد المغناطيسية الحديدية تُسبب تغير حجمها أو شكلها عند تطبيق مجال مغناطيسي. في مستشعر الموضع المغناطيسي الانفعالي، يُثبَّت مغناطيس موضع متحرك على الجسم المراد قياسه. ويتكون من دليل موجي يتألف من أسلاك تحمل نبضات تيار، متصلة بمستشعر موجود في نهاية الدليل الموجي (الشكل 3). عند إرسال نبضة تيار عبر الدليل الموجي، يتولد مجال مغناطيسي في السلك يتفاعل مع المجال المغناطيسي المحوري للمغناطيس الدائم (المغناطيس الموجود في مكبس الأسطوانة، الشكل 3أ). ينتج عن تفاعل المجال التواء (تأثير ويدمان)، مما يُجهد السلك، مُنتجًا نبضة صوتية تنتشر على طول الدليل الموجي ويكشفها مستشعر في نهايته (الشكل 3ب). بقياس الزمن المنقضي بين بدء نبضة التيار وكشف النبضة الصوتية، يُمكن قياس الموضع النسبي لمغناطيس الموضع، وبالتالي موضع الجسم (الشكل 3ج).
مستشعرات الموضع المغناطيسية الانضغاطية هي مستشعرات لا تلامسية تستخدم للكشف عن الموضع الخطي. غالبًا ما يتم وضع الموجهات الموجية في أنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم، مما يتيح استخدام هذه المستشعرات في البيئات المتسخة أو الرطبة.
عند وضع موصل رقيق ومسطح في مجال مغناطيسي، يميل التيار المتدفق إلى التراكم على أحد جانبي الموصل، مما يُحدث فرق جهد يُعرف بجهد هول. إذا كان التيار في الموصل ثابتًا، فإن قيمة جهد هول تعكس قوة المجال المغناطيسي. في مستشعر موضع تأثير هول، يُوصل الجسم بمغناطيس موجود داخل عمود المستشعر. مع حركة الجسم، يتغير موضع المغناطيس بالنسبة لعنصر هول، مما يؤدي إلى تغير جهد هول. بقياس جهد هول، يُمكن تحديد موضع الجسم. توجد مستشعرات موضع متخصصة تعمل بتأثير هول، قادرة على تحديد الموضع في ثلاثة أبعاد (الشكل 4). تُعد مستشعرات موضع تأثير هول أجهزة لا تلامسية، تتميز بموثوقية عالية وسرعة استشعار فائقة، وتعمل ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة. تُستخدم هذه المستشعرات في مجموعة واسعة من التطبيقات الاستهلاكية والصناعية والسيارات والطبية.
يوجد نوعان أساسيان من مستشعرات الألياف الضوئية. في مستشعرات الألياف الضوئية الداخلية، تُستخدم الألياف كعنصر استشعار. أما في مستشعرات الألياف الضوئية الخارجية، فتُدمج الألياف الضوئية مع تقنية استشعار أخرى لنقل الإشارة إلى أجهزة إلكترونية بعيدة للمعالجة. في حالة قياسات موضع الألياف الداخلية، يمكن استخدام جهاز مثل مقياس الانعكاس الزمني البصري لتحديد التأخير الزمني. ويمكن حساب انزياح الطول الموجي باستخدام جهاز يُطبّق مقياس الانعكاس الترددي البصري. تتميز مستشعرات الألياف الضوئية بمناعتها ضد التداخل الكهرومغناطيسي، ويمكن تصميمها للعمل في درجات حرارة عالية، وهي غير موصلة للكهرباء، لذا يمكن استخدامها بالقرب من مواد ذات ضغط عالٍ أو قابلة للاشتعال.
يمكن استخدام تقنية استشعار الألياف الضوئية القائمة على تقنية محزز براغ الليفي (FBG) لقياس الموضع. يعمل محزز براغ الليفي كمرشح نطاقي، حيث يعكس جزءًا صغيرًا من الضوء المتمركز حول طول موجة براغ (λB) عند إضاءته بضوء واسع الطيف. ويتم تصنيعه باستخدام هياكل دقيقة محفورة في لب الألياف. ويمكن استخدام محززات براغ الليفية لقياس معايير مختلفة مثل درجة الحرارة، والإجهاد، والضغط، والميل، والإزاحة، والتسارع، والحمل.
يوجد نوعان من مستشعرات تحديد المواقع البصرية، والمعروفة أيضًا باسم المشفرات البصرية. في النوع الأول، يُرسل الضوء إلى مستقبل على الطرف الآخر من المستشعر. أما في النوع الثاني، فتنعكس إشارة الضوء المنبعثة عن الجسم المراد رصده وتعود إلى مصدر الضوء. وبحسب تصميم المستشعر، تُستخدم التغيرات في خصائص الضوء، مثل الطول الموجي والشدة والطور والاستقطاب، لتحديد موقع الجسم. تتوفر مستشعرات تحديد المواقع البصرية القائمة على المشفرات للحركة الخطية والدورانية. وتنقسم هذه المستشعرات إلى ثلاث فئات رئيسية: المشفرات البصرية الناقلة، والمشفرات البصرية العاكسة، والمشفرات البصرية التداخلية.
تستخدم مستشعرات تحديد المواقع بالموجات فوق الصوتية محولات طاقة بلورية كهرضغطية لإصدار موجات فوق صوتية عالية التردد. يقيس المستشعر الصوت المنعكس. يمكن استخدام مستشعرات الموجات فوق الصوتية كمستشعرات تقارب بسيطة، أو يمكن لتصميمات أكثر تعقيدًا توفير معلومات عن المسافة. تعمل مستشعرات تحديد المواقع بالموجات فوق الصوتية مع أجسام مستهدفة مصنوعة من مواد متنوعة ولها خصائص سطحية مختلفة، ويمكنها اكتشاف الأجسام الصغيرة على مسافات أكبر من العديد من أنواع مستشعرات تحديد المواقع الأخرى. وهي مقاومة للاهتزازات والضوضاء المحيطة والأشعة تحت الحمراء والتداخل الكهرومغناطيسي. تشمل أمثلة التطبيقات التي تستخدم مستشعرات تحديد المواقع بالموجات فوق الصوتية: الكشف عن مستوى السوائل، والعد عالي السرعة للأجسام، وأنظمة الملاحة الروبوتية، والاستشعار في السيارات. يتكون مستشعر الموجات فوق الصوتية النموذجي للسيارات من غلاف بلاستيكي، ومحول طاقة كهرضغطي مع غشاء إضافي، ولوحة دوائر مطبوعة تحتوي على دوائر إلكترونية ووحدات تحكم دقيقة لإرسال واستقبال ومعالجة الإشارات (الشكل 5).
تستطيع مستشعرات تحديد المواقع قياس الحركة الخطية والدورانية والزاوية للأجسام، سواءً كانت مطلقة أو نسبية. كما يمكنها قياس حركة الأجهزة مثل المحركات والمشغلات. وتُستخدم أيضًا في المنصات المتحركة مثل الروبوتات والسيارات. وتُستخدم تقنيات متنوعة في مستشعرات تحديد المواقع، مع مراعاة خصائص مختلفة من حيث المتانة البيئية والتكلفة والدقة والتكرارية وغيرها.
مستشعرات تحديد المواقع المغناطيسية ثلاثية الأبعاد، شركة أليجرو مايكروسيستمز. تحليل وتعزيز أمان مستشعرات الموجات فوق الصوتية للمركبات ذاتية القيادة، مجلة IEEE لإنترنت الأشياء. كيفية اختيار مستشعر تحديد المواقع، شركة كامبريدج للدوائر المتكاملة. أنواع مستشعرات تحديد المواقع، شركة إكسثوس للأجهزة. ما هو مستشعر تحديد المواقع الاستقرائي؟، شركة كيانس. ما هو استشعار تحديد المواقع المغناطيسي الانفعالي؟، شركة أميتك.
تصفح أحدث أعداد مجلة "عالم التصميم" والأعداد السابقة بتنسيق سهل الاستخدام وعالي الجودة. حرر وشارك وقم بالتنزيل اليوم مع مجلة هندسة التصميم الرائدة.
أفضل منتدى عالمي لحل المشكلات في مجال الهندسة الكهربائية، يغطي المتحكمات الدقيقة، ومعالجة الإشارات الرقمية، والشبكات، والتصميم التناظري والرقمي، والترددات اللاسلكية، وإلكترونيات الطاقة، وتوجيه لوحات الدوائر المطبوعة، وغير ذلك الكثير.
جميع الحقوق محفوظة لشركة WTWH Media LLC © 2022. لا يجوز نسخ أو توزيع أو نقل أو تخزين أو استخدام محتوى هذا الموقع بأي شكل من الأشكال دون الحصول على إذن كتابي مسبق من WTWH Media. سياسة الخصوصية | الإعلان | نبذة عنا