من سلاسل القيادة الروبوتية إلى أحزمة النقل في عمليات سلسلة التوريد إلى تأرجح أبراج توربينات الرياح، يعد استشعار الموضع وظيفة بالغة الأهمية في مجموعة واسعة من التطبيقات. ويمكن أن يتخذ أشكالاً عديدة، بما في ذلك أجهزة الاستشعار الخطية والدوارة والزاوية والمطلقة والتزايدية والتلامسية وغير التلامسية. وقد تم تطوير أجهزة استشعار متخصصة يمكنها تحديد الموضع في ثلاثة أبعاد. وتشمل تقنيات استشعار الموضع الاستشعار الجهدي والحثّي والتيار الدوامي والسعوي والمغناطيسي وتأثير هول والألياف البصرية والبصرية والموجات فوق الصوتية.
يوفر هذا القسم من الأسئلة الشائعة مقدمة موجزة عن الأشكال المختلفة لاستشعار الموضع، ثم يستعرض مجموعة من التقنيات التي يمكن للمصممين الاختيار من بينها عند تنفيذ حل استشعار الموضع.
أجهزة استشعار الموضع الجهدية هي أجهزة تعتمد على المقاومة تجمع بين مسار مقاوم ثابت مع ممسحة متصلة بالكائن الذي يحتاج إلى استشعار موضعه. تعمل حركة الكائن على تحريك المساحات على طول المسار. يتم قياس موضع الكائن باستخدام شبكة مقسم الجهد المكونة من قضبان ومساحات لقياس الحركة الخطية أو الدورانية بجهد تيار مستمر ثابت (الشكل 1). أجهزة استشعار الموضع الجهدية منخفضة التكلفة، ولكنها عمومًا تتمتع بدقة منخفضة وقابلية للتكرار.
تستخدم أجهزة استشعار الموضع الاستقرائي التغييرات في خصائص المجال المغناطيسي المستحث في ملف المستشعر. واعتمادًا على بنيتها، يمكنها قياس الموضع الخطي أو الدوراني. تستخدم أجهزة استشعار موضع المحول التفاضلي المتغير الخطي (LVDT) ثلاث ملفات ملفوفة حول أنبوب مجوف؛ ملف أساسي وملفان ثانويان. يتم توصيل الملفات على التوالي، وتكون علاقة الطور للملف الثانوي خارج الطور بمقدار 180 درجة بالنسبة للملف الأساسي. يتم وضع قلب مغناطيسي حديدي يسمى المحرك داخل الأنبوب وتوصيله بالكائن في الموقع الذي يتم قياسه. يتم تطبيق جهد إثارة على الملف الأساسي ويتم تحريض قوة كهرومغناطيسية (EMF) في الملف الثانوي. من خلال قياس فرق الجهد بين الملفات الثانوية، يمكن تحديد الموضع النسبي للمحرك وما يرتبط به. يستخدم محول الجهد التفاضلي الدوار (RVDT) نفس التقنية لتتبع الموضع الدوراني. توفر مستشعرات LVDT وRVDT دقة جيدة وخطية ودقة وحساسية عالية. إنها خالية من الاحتكاك ويمكن إغلاقها للاستخدام في البيئات القاسية.
تعمل مستشعرات موضع التيار الدوامي مع الأجسام الموصلة. التيارات الدوامية هي تيارات مستحثة تحدث في المواد الموصلة في وجود مجال مغناطيسي متغير. تتدفق هذه التيارات في حلقة مغلقة وتولد مجالًا مغناطيسيًا ثانويًا. تتكون مستشعرات التيار الدوامي من ملفات ودوائر خطية. ينشط التيار المتناوب الملف لإنشاء المجال المغناطيسي الأساسي. عندما يقترب جسم ما أو يبتعد عن الملف، يمكن استشعار موقعه باستخدام تفاعل المجال الثانوي الناتج عن التيارات الدوامية، مما يؤثر على معاوقة الملف. كلما اقترب الجسم من الملف، تزداد خسائر التيار الدوامي ويصبح الجهد المتذبذب أصغر (الشكل 2). يتم تصحيح الجهد المتذبذب ومعالجته بواسطة دائرة خطية لإنتاج خرج تيار مستمر خطي يتناسب مع مسافة الجسم.
أجهزة التيار الدوامي هي أجهزة متينة وغير تلامسية تستخدم عادةً كأجهزة استشعار للقرب. وهي متعددة الاتجاهات ويمكنها تحديد المسافة النسبية إلى الكائن، ولكن ليس الاتجاه أو المسافة المطلقة إلى الكائن.
كما يوحي الاسم، تقيس أجهزة استشعار الموضع السعوية التغيرات في السعة لتحديد موضع الجسم الذي يتم استشعاره. يمكن استخدام هذه المستشعرات غير التلامسية لقياس الموضع الخطي أو الدوراني. وهي تتكون من لوحين مفصولين بمادة عازلة وتستخدم إحدى طريقتين لاكتشاف موضع الجسم:
من أجل التسبب في تغيير في ثابت العزل الكهربائي، يتم ربط الجسم الذي سيتم اكتشاف موضعه بالمادة العازلة. عندما تتحرك المادة العازلة، يتغير ثابت العزل الكهربائي الفعال للمكثف بسبب الجمع بين مساحة المادة العازلة وثابت العزل الكهربائي للهواء. بدلاً من ذلك، يمكن توصيل الجسم بواحدة من لوحات المكثف. عندما يتحرك الجسم، تتحرك اللوحات أقرب أو أبعد، ويتم استخدام التغيير في السعة لتحديد الموضع النسبي.
يمكن لأجهزة الاستشعار السعوية قياس الإزاحة والمسافة والموضع وسمك الأشياء. ونظرًا لاستقرار الإشارة العالي ودقتها، تُستخدم أجهزة الاستشعار السعوية في البيئات المختبرية والصناعية. على سبيل المثال، تُستخدم أجهزة الاستشعار السعوية لقياس سماكة الفيلم وتطبيقات المواد اللاصقة في العمليات الآلية. وفي الآلات الصناعية، تُستخدم لمراقبة الإزاحة وموضع الأداة.
الانقباض المغناطيسي هو خاصية للمواد المغناطيسية الحديدية التي تسبب تغيير حجم المادة أو شكلها عند تطبيق مجال مغناطيسي. في مستشعر موضع الانقباض المغناطيسي، يتم توصيل مغناطيس موضع متحرك بالجسم المراد قياسه. يتكون من موجه مكوّن من أسلاك تحمل نبضات تيار، متصلة بمستشعر يقع في نهاية الموجهات (الشكل 3). عندما يتم إرسال نبضة تيار أسفل الموجهات، يتم إنشاء مجال مغناطيسي في السلك يتفاعل مع المجال المغناطيسي المحوري للمغناطيس الدائم (المغناطيس في مكبس الأسطوانة، الشكل 3أ). يحدث تفاعل المجال بسبب الالتواء (تأثير فيدمان)، الذي يجهد السلك، مما ينتج عنه نبضة صوتية تنتشر على طول الموجهات ويكتشفها مستشعر في نهاية الموجهات (الشكل 3ب). من خلال قياس الوقت المنقضي بين بدء نبضة التيار واكتشاف النبضة الصوتية، يمكن قياس الموضع النسبي لمغناطيس الموضع وبالتالي الجسم (الشكل 3ج).
أجهزة استشعار الموضع المغناطيسي هي أجهزة استشعار غير 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 القذرة أو الرطبة.
عندما يوضع موصل رقيق ومسطح في مجال مغناطيسي، يميل أي تيار يتدفق إلى التراكم على أحد جانبي الموصل، مما يخلق فرق جهد يسمى جهد هول. إذا كان التيار في الموصل ثابتًا، فإن مقدار جهد هول سيعكس قوة المجال المغناطيسي. في مستشعر موضع تأثير هول، يتم توصيل الجسم بمغناطيس موجود في عمود المستشعر. عندما يتحرك الجسم، يتغير موضع المغناطيس بالنسبة لعنصر هول، مما يؤدي إلى تغيير جهد هول. من خلال قياس جهد هول، يمكن تحديد موضع الجسم. هناك مستشعرات موضع تأثير هول متخصصة يمكنها تحديد الموضع في ثلاثة أبعاد (الشكل 4). مستشعرات موضع تأثير هول هي أجهزة غير تلامسية توفر موثوقية عالية واستشعارًا سريعًا، وتعمل على نطاق واسع من درجات الحرارة. يتم استخدامها في مجموعة من التطبيقات الاستهلاكية والصناعية والسيارات والطبية.
هناك نوعان أساسيان من أجهزة استشعار الألياف البصرية. في أجهزة استشعار الألياف البصرية الجوهرية، يتم استخدام الألياف كعنصر استشعار. في أجهزة استشعار الألياف البصرية الخارجية، يتم دمج الألياف البصرية مع تقنية استشعار أخرى لنقل الإشارة إلى الإلكترونيات البعيدة للمعالجة. في حالة قياسات موضع الألياف الجوهرية، يمكن استخدام جهاز مثل مقياس انعكاس المجال الزمني البصري لتحديد التأخير الزمني. يمكن حساب تحول الطول الموجي باستخدام أداة تنفذ مقياس انعكاس المجال الترددي البصري. أجهزة استشعار الألياف البصرية محصنة ضد التداخل الكهرومغناطيسي، ويمكن تصميمها للعمل في درجات حرارة عالية، وهي غير موصلة، لذلك يمكن استخدامها بالقرب من الضغط العالي أو المواد القابلة للاشتعال.
يمكن أيضًا استخدام استشعار آخر للألياف الضوئية يعتمد على تقنية شبكة براج للألياف (FBG) لقياس الموضع. تعمل FBG كمرشح شق، يعكس جزءًا صغيرًا من الضوء المتمركز حول طول موجة براج (λB) عند إضاءته بالضوء واسع الطيف. يتم تصنيعها باستخدام هياكل دقيقة محفورة في قلب الألياف. يمكن استخدام FBGs لقياس معلمات مختلفة مثل درجة الحرارة والإجهاد والضغط والميل والإزاحة والتسارع والحمل.
هناك نوعان من أجهزة استشعار الموضع البصري، والمعروفة أيضًا باسم أجهزة التشفير البصرية. في الحالة الأولى، يتم إرسال الضوء إلى جهاز استقبال على الطرف الآخر من المستشعر. في النوع الثاني، تنعكس إشارة الضوء المنبعثة بواسطة الكائن الذي تتم مراقبته وتعود إلى مصدر الضوء. بناءً على تصميم المستشعر، يتم استخدام التغييرات في خصائص الضوء، مثل الطول الموجي أو الشدة أو الطور أو الاستقطاب، لتحديد موضع الكائن. تتوفر أجهزة استشعار الموضع البصري القائمة على جهاز التشفير للحركة الخطية والدورانية. تنقسم هذه المستشعرات إلى ثلاث فئات رئيسية؛ أجهزة التشفير البصرية النفاذة، وأجهزة التشفير البصرية العاكسة، وأجهزة التشفير البصرية التداخلية.
تستخدم أجهزة استشعار الموضع بالموجات فوق الصوتية محولات بلورية كهرضغطية لإصدار موجات فوق صوتية عالية التردد. يقيس المستشعر الصوت المنعكس. يمكن استخدام أجهزة استشعار الموجات فوق الصوتية كأجهزة استشعار قرب بسيطة، أو يمكن للتصاميم الأكثر تعقيدًا توفير معلومات المدى. تعمل أجهزة استشعار الموضع بالموجات فوق الصوتية مع الأهداف المصنوعة من مجموعة متنوعة من المواد وخصائص السطح، ويمكنها اكتشاف الأشياء الصغيرة على مسافات أكبر من العديد من أنواع أجهزة استشعار الموضع الأخرى. إنها مقاومة للاهتزاز والضوضاء المحيطة والأشعة تحت الحمراء والتداخل الكهرومغناطيسي. تشمل أمثلة التطبيقات التي تستخدم أجهزة استشعار الموضع بالموجات فوق الصوتية الكشف عن مستوى السائل، والعد عالي السرعة للأشياء، وأنظمة الملاحة الروبوتية، والاستشعار في السيارات. يتكون مستشعر الموجات فوق الصوتية النموذجي للسيارات من غلاف بلاستيكي، ومحول كهرضغطي مع غشاء إضافي، ولوحة دوائر مطبوعة مع دوائر إلكترونية ووحدات تحكم دقيقة لإرسال واستقبال ومعالجة الإشارات (الشكل 5).
يمكن لأجهزة استشعار الموضع قياس الحركة المطلقة أو النسبية الخطية والدورانية والزاوية للأشياء. يمكن لأجهزة استشعار الموضع قياس حركة الأجهزة مثل المحركات أو المحركات الكهربائية. كما تُستخدم أيضًا في المنصات المتنقلة مثل الروبوتات والسيارات. تُستخدم مجموعة متنوعة من التقنيات في أجهزة استشعار الموضع مع مجموعات مختلفة من المتانة البيئية والتكلفة والدقة والقدرة على التكرار وسمات أخرى.
مستشعرات الموضع المغناطيسية ثلاثية الأبعاد، Allegro Microsystems، تحليل وتعزيز أمان مستشعرات الموجات فوق الصوتية للمركبات ذاتية القيادة، مجلة إنترنت الأشياء IEEE، كيفية اختيار مستشعر الموضع، Cambridge Integrated Circuits، أنواع مستشعرات الموضع، Ixthus Instrumentation، ما هو مستشعر الموضع الحثي؟، Keyence، ما هو استشعار الموضع المغناطيسي؟، AMETEK
تصفح أحدث إصدارات Design World والأعداد السابقة بتنسيق سهل الاستخدام وعالي الجودة. قم بالتحرير والمشاركة والتنزيل اليوم مع مجلة هندسة التصميم الرائدة.
منتدى EE الرائد في العالم لحل المشكلات، والذي يغطي وحدات التحكم الدقيقة، ومعالج الإشارة الرقمية، والشبكات، والتصميم التناظري والرقمي، والترددات الراديوية، والإلكترونيات القوية، وتوجيه لوحات الدوائر المطبوعة، والمزيد
جميع الحقوق محفوظة © 2022 لشركة WTWH Media LLC. لا يجوز إعادة إنتاج المواد الموجودة على هذا الموقع أو توزيعها أو نقلها أو تخزينها مؤقتًا أو استخدامها بأي طريقة أخرى دون الحصول على إذن كتابي مسبق من WTWH Mediaسياسة الخصوصية | الإعلان | نبذة عنا