От роботизирани задвижващи вериги до конвейерни ленти във веригата за доставки и до люлеенето на кулите на вятърните турбини, отчитането на позицията е критична функция в широк спектър от приложения. То може да приема много форми, включително линейни, ротационни, ъглови, абсолютни, инкрементални, контактни и безконтактни сензори. Разработени са специализирани сензори, които могат да определят позицията в три измерения. Технологиите за отчитане на позицията включват потенциометрични, индуктивни, вихровотокови, капацитивни, магнитостриктивни, ефект на Хол, оптични, оптични и ултразвукови.
Този ЧЗВ предоставя кратко въведение в различните форми на отчитане на позицията, след което разглежда набор от технологии, от които дизайнерите могат да избират при внедряването на решение за отчитане на позицията.
Потенциометричните сензори за положение са устройства, базирани на съпротивление, които комбинират фиксирана резистивна писта с чистачка, прикрепена към обекта, чието положение трябва да се усети. Движението на обекта движи чистачките по релсата. Позицията на обекта се измерва с помощта на мрежа от делители на напрежение, образувана от релси и чистачки, за измерване на линейно или въртеливо движение с фиксирано постоянно напрежение (Фигура 1). Потенциометричните сензори са с ниска цена, но обикновено имат ниска точност и повторяемост.
Индуктивните сензори за положение използват промени в свойствата на магнитното поле, индуцирано в сензорната бобина. В зависимост от тяхната архитектура, те могат да измерват линейно или ротационно положение. Сензорите за положение с линейни променливи диференциални трансформатори (LVDT) използват три намотки, увити около куха тръба; първична намотка и две вторични намотки. Намотките са свързани последователно, а фазовото съотношение на вторичната намотка е на 180° извън фаза спрямо първичната намотка. Феромагнитно ядро, наречено котва, се поставя вътре в тръбата и е свързано с обекта на измерваното място. Към първичната намотка се прилага възбуждащо напрежение и във вторичната намотка се индуцира електромагнитна сила (ЕМС). Чрез измерване на разликата в напрежението между вторичните намотки може да се определи относителното положение на котвата и към какво е прикрепена. Ротационен диференциален трансформатор на напрежение (RVDT) използва същата техника за проследяване на ротационното положение. LVDT и RVDT сензорите предлагат добра точност, линейност, разделителна способност и висока чувствителност. Те са без триене и могат да бъдат запечатани за употреба в тежки условия.
Сензорите за позиция на вихрови токове работят с проводими обекти. Вихровите токове са индуцирани токове, които възникват в проводими материали при наличие на променящо се магнитно поле. Тези токове протичат в затворен контур и генерират вторично магнитно поле. Сензорите за вихрови токове се състоят от бобини и линеаризационни вериги. Променливият ток захранва бобината, за да създаде първично магнитно поле. Когато обект се приближи или отдалечи от бобината, неговата позиция може да бъде измерена чрез взаимодействието на вторичното поле, създадено от вихрови токове, което влияе на импеданса на бобината. С приближаването на обекта до бобината, загубите от вихрови токове се увеличават и осцилиращото напрежение намалява (Фигура 2). Осцилиращото напрежение се коригира и обработва от линеаризаторна верига, за да се получи линеен постоянен ток, пропорционален на разстоянието до обекта.
Устройствата с вихрови токове са здрави, безконтактни устройства, обикновено използвани като сензори за близост. Те са всепосочни и могат да определят относителното разстояние до обекта, но не посоката или абсолютното разстояние до обекта.
Както подсказва името, капацитивните сензори за позиция измерват промените в капацитета, за да определят позицията на обекта, който се усеща. Тези безконтактни сензори могат да се използват за измерване на линейна или ротационна позиция. Те се състоят от две пластини, разделени от диелектричен материал, и използват един от два метода за откриване на позицията на обект:
За да се предизвика промяна в диелектричната константа, обектът, чието положение трябва да се определи, се прикрепя към диелектричния материал. С движението на диелектричния материал ефективната диелектрична константа на кондензатора се променя поради комбинацията от площта на диелектричния материал и диелектричната константа на въздуха. Алтернативно, обектът може да бъде свързан към една от кондензаторните плочи. С движението на обекта плочите се приближават или отдалечават и промяната в капацитета се използва за определяне на относителното положение.
Капацитивните сензори могат да измерват преместване, разстояние, позиция и дебелина на обекти. Поради високата си стабилност и разделителна способност на сигнала, капацитивните сензори за преместване се използват в лабораторни и промишлени среди. Например, капацитивните сензори се използват за измерване на дебелината на филма и приложенията на лепилата в автоматизирани процеси. В промишлените машини те се използват за наблюдение на преместването и позицията на инструмента.
Магнитострикцията е свойство на феромагнитните материали, което кара материала да променя размера или формата си, когато се прилага магнитно поле. В магнитостриктивния сензор за положение, подвижен магнит за положение е прикрепен към измервания обект. Той се състои от вълновод, състоящ се от проводници, които пренасят токови импулси, свързани към сензор, разположен в края на вълновода (Фигура 3). Когато токов импулс се изпрати по вълновода, в проводника се създава магнитно поле, което взаимодейства с аксиалното магнитно поле на постоянния магнит (магнитът в буталото на цилиндъра, Фигура 3а). Взаимодействието на полето се причинява от усукване (ефектът на Видеман), което опъва проводника, произвеждайки акустичен импулс, който се разпространява по вълновода и се открива от сензор в края на вълновода (Фиг. 3б). Чрез измерване на изминалото време между започването на токовия импулс и откриването на акустичния импулс може да се измери относителното положение на магнита за положение и следователно на обекта (Фиг. 3в).
Магнитостриктивните сензори за положение са безконтактни сензори, използвани за откриване на линейно положение. Вълноводите често се помещават в тръби от неръждаема стомана или алуминий, което позволява използването на тези сензори в замърсена или влажна среда.
Когато тънък, плосък проводник се постави в магнитно поле, всеки протичащ ток има тенденция да се натрупва от едната страна на проводника, създавайки потенциална разлика, наречена напрежение на Хол. Ако токът в проводника е постоянен, величината на напрежението на Хол ще отразява силата на магнитното поле. В сензор за положение, базиран на ефекта на Хол, обектът е свързан с магнит, разположен в оста на сензора. Докато обектът се движи, позицията на магнита се променя спрямо елемента на Хол, което води до променящо се напрежение на Хол. Чрез измерване на напрежението на Хол може да се определи позицията на обект. Съществуват специализирани сензори за положение, базирани на ефекта на Хол, които могат да определят позицията в три измерения (Фигура 4). Сензорите за положение, базирани на ефекта на Хол, са безконтактни устройства, които осигуряват висока надеждност и бързо отчитане и работят в широк температурен диапазон. Те се използват в редица потребителски, промишлени, автомобилни и медицински приложения.
Съществуват два основни вида оптични сензори. При вътрешните оптични сензори, оптичното влакно се използва като сензорен елемент. При външните оптични сензори, оптичните влакна се комбинират с друга сензорна технология за предаване на сигнала към отдалечена електроника за обработка. В случай на измерване на позицията на вътрешно влакно, може да се използва устройство като оптичен рефлектометър във времева област, за да се определи времевото закъснение. Изместването на дължината на вълната може да се изчисли с помощта на инструмент, който използва оптичен рефлектометър в честотна област. Оптичните сензори са имунизирани срещу електромагнитни смущения, могат да бъдат проектирани да работят при високи температури и са непроводими, така че могат да се използват в близост до високо налягане или запалими материали.
Друг оптичен сензор, базиран на технологията на фиброоптична решетка на Браг (FBG), също може да се използва за измерване на позицията. FBG действа като прорезен филтър, отразяващ малка част от светлината, центрирана върху дължината на вълната на Браг (λB), когато е осветена от широкоспектърна светлина. Той е изработен с микроструктури, гравирани в сърцевината на влакното. FBG могат да се използват за измерване на различни параметри като температура, деформация, налягане, наклон, изместване, ускорение и натоварване.
Съществуват два вида оптични сензори за позиция, известни още като оптични енкодери. В единия случай светлината се изпраща към приемник в другия край на сензора. Във втория тип излъченият светлинен сигнал се отразява от наблюдавания обект и се връща към източника на светлина. В зависимост от дизайна на сензора, промените в свойствата на светлината, като дължина на вълната, интензитет, фаза или поляризация, се използват за определяне на позицията на обекта. Оптичните сензори за позиция, базирани на енкодер, се предлагат за линейно и ротационно движение. Тези сензори се разделят на три основни категории: трансмисивни оптични енкодери, рефлективни оптични енкодери и интерферометрични оптични енкодери.
Ултразвуковите сензори за позиция използват пиезоелектрични кристални преобразуватели, за да излъчват високочестотни ултразвукови вълни. Сензорът измерва отразения звук. Ултразвуковите сензори могат да се използват като прости сензори за близост или по-сложни конструкции могат да предоставят информация за разстояние. Ултразвуковите сензори за позиция работят с целеви обекти от различни материали и повърхностни характеристики и могат да откриват малки обекти на по-големи разстояния от много други видове сензори за позиция. Те са устойчиви на вибрации, околен шум, инфрачервено лъчение и електромагнитни смущения. Примери за приложения, използващи ултразвукови сензори за позиция, включват откриване на ниво на течности, високоскоростно броене на обекти, роботизирани навигационни системи и автомобилни сензори. Типичен автомобилен ултразвуков сензор се състои от пластмасов корпус, пиезоелектричен преобразувател с допълнителна мембрана и печатна платка с електронни схеми и микроконтролери за предаване, приемане и обработка на сигнали (Фигура 5).
Сензорите за позиция могат да измерват абсолютно или относително линейно, ротационно и ъглово движение на обекти. Сензорите за позиция могат да измерват движението на устройства като задвижващи механизми или двигатели. Те се използват и в мобилни платформи като роботи и автомобили. В сензорите за позиция се използват различни технологии с различни комбинации от екологична издръжливост, цена, точност, повторяемост и други атрибути.
3D магнитни сензори за позиция, Allegro Microsystems Анализ и подобряване на сигурността на ултразвукови сензори за автономни превозни средства, IEEE Internet of Things Journal Как да изберете сензор за позиция, Cambridge Integrated Circuits Видове сензори за позиция, Ixthus Instrumentation Какво е индуктивен сензор за позиция?, Keyence Какво е магнитостриктивно отчитане на позицията?, AMETEK
Разгледайте най-новите броеве на Design World и предишни броеве в лесен за използване, висококачествен формат. Редактирайте, споделяйте и изтегляйте още днес с водещото списание за инженерно проектиране.
Водещият световен форум за решаване на проблеми в областта на електротехниката, обхващащ микроконтролери, DSP, мрежи, аналогов и дигитален дизайн, радиочестотна антена, силова електроника, трасиране на печатни платки и други.
Авторско право © 2022 WTWH Media LLC. Всички права запазени. Материалите на този сайт не могат да бъдат възпроизвеждани, разпространявани, предавани, кеширани или използвани по друг начин без предварителното писмено разрешение на WTWH Media. Политика за поверителност | Реклама | За нас