Od robotskih pogonskih lanaca do transportnih traka u operacijama lanca snabdijevanja, pa sve do njihanja tornjeva vjetroturbina, detekcija položaja je ključna funkcija u širokom rasponu primjena. Može imati mnogo oblika, uključujući linearne, rotacijske, kutne, apsolutne, inkrementalne, kontaktne i beskontaktne senzore. Razvijeni su specijalizirani senzori koji mogu odrediti položaj u tri dimenzije. Tehnologije detekcije položaja uključuju potenciometrijske, induktivne, vrtložne struje, kapacitivne, magnetostriktivne, Hall efekt, optičke vlakna, optičke i ultrazvučne senzore.
Ova često postavljana pitanja pružaju kratak uvod u različite oblike detekcije položaja, a zatim pregledavaju niz tehnologija koje dizajneri mogu odabrati prilikom implementacije rješenja za detekciju položaja.
Potenciometrijski senzori položaja su uređaji zasnovani na otporu koji kombinuju fiksnu otpornu stazu sa brisačem pričvršćenim na objekat čiji položaj treba detektovati. Kretanje objekta pomiče brisače duž staze. Položaj objekta se mjeri pomoću mreže djelila napona koju formiraju šine i brisači za mjerenje linearnog ili rotacionog kretanja sa fiksnim jednosmjernim naponom (Slika 1). Potenciometrijski senzori su jeftini, ali uglavnom imaju nisku tačnost i ponovljivost.
Induktivni senzori položaja koriste promjene u svojstvima magnetskog polja indukovanog u zavojnici senzora. Ovisno o njihovoj arhitekturi, mogu mjeriti linearni ili rotacijski položaj. Senzori položaja s linearnim varijabilnim diferencijalnim transformatorom (LVDT) koriste tri zavojnice omotane oko šuplje cijevi; primarnu zavojnicu i dvije sekundarne zavojnice. Zavojnice su spojene serijski, a fazni odnos sekundarne zavojnice je 180° izvan faze u odnosu na primarnu zavojnicu. Feromagnetska jezgra, nazvana armatura, smještena je unutar cijevi i spojena na objekt na lokaciji koja se mjeri. Na primarnu zavojnicu primjenjuje se napon pobude, a u sekundarnoj zavojnici inducira se elektromagnetska sila (EMF). Mjerenjem razlike napona između sekundarnih zavojnica može se odrediti relativni položaj armature i ono na što je pričvršćena. Rotirajući diferencijalni transformator napona (RVDT) koristi istu tehniku ​​za praćenje rotirajućeg položaja. LVDT i RVDT senzori nude dobru tačnost, linearnost, rezoluciju i visoku osjetljivost. Nemaju trenje i mogu se zatvoriti za upotrebu u teškim okruženjima.
Senzori položaja vrtložnih struja rade s provodljivim objektima. Vrtložne struje su inducirane struje koje se javljaju u provodljivim materijalima u prisustvu promjenjivog magnetskog polja. Ove struje teku u zatvorenoj petlji i generiraju sekundarno magnetsko polje. Senzori vrtložnih struja sastoje se od zavojnica i linearizacijskih krugova. Naizmjenična struja napaja zavojnicu kako bi stvorila primarno magnetsko polje. Kada se objekt približava ili udaljava od zavojnice, njegov položaj se može detektirati korištenjem interakcije sekundarnog polja proizvedenog vrtložnim strujama, što utječe na impedansu zavojnice. Kako se objekt približava zavojnici, gubici vrtložnih struja se povećavaju, a oscilacijski napon postaje manji (Slika 2). Oscilacijski napon se ispravlja i obrađuje linearizirajućim krugom kako bi se proizveo linearni DC izlaz proporcionalan udaljenosti objekta.
Uređaji sa vrtložnim strujama su robusni, beskontaktni uređaji koji se obično koriste kao senzori blizine. Oni su višesmjerni i mogu odrediti relativnu udaljenost do objekta, ali ne smjer ili apsolutnu udaljenost do objekta.
Kao što i samo ime govori, kapacitivni senzori položaja mjere promjene kapacitivnosti kako bi odredili položaj objekta koji se detektuje. Ovi beskontaktni senzori mogu se koristiti za mjerenje linearnog ili rotacionog položaja. Sastoje se od dvije ploče odvojene dielektričnim materijalom i koriste jednu od dvije metode za detekciju položaja objekta:
Da bi se izazvala promjena dielektrične konstante, objekt čiji položaj treba detektovati pričvršćuje se na dielektrični materijal. Kako se dielektrični materijal kreće, efektivna dielektrična konstanta kondenzatora se mijenja zbog kombinacije površine dielektričnog materijala i dielektrične konstante zraka. Alternativno, objekt se može spojiti na jednu od ploča kondenzatora. Kako se objekt kreće, ploče se približavaju ili udaljavaju, a promjena kapacitivnosti se koristi za određivanje relativnog položaja.
Kapacitivni senzori mogu mjeriti pomak, udaljenost, položaj i debljinu objekata. Zbog visoke stabilnosti i rezolucije signala, kapacitivni senzori pomaka se koriste u laboratorijskim i industrijskim okruženjima. Na primjer, kapacitivni senzori se koriste za mjerenje debljine filma i nanošenja ljepila u automatiziranim procesima. U industrijskim mašinama se koriste za praćenje pomaka i položaja alata.
Magnetostrikcija je svojstvo feromagnetnih materijala koje uzrokuje promjenu veličine ili oblika materijala kada se na njega primijeni magnetsko polje. Kod magnetostriktivnog senzora položaja, pokretni magnet za položaj je pričvršćen za objekt koji se mjeri. Sastoji se od talasovoda koji se sastoji od žica koje prenose strujne impulse, povezanih sa senzorom koji se nalazi na kraju talasovoda (Slika 3). Kada se strujni impuls pošalje niz talasovod, u žici se stvara magnetsko polje koje interaguje sa aksijalnim magnetskim poljem permanentnog magneta (magnet u klipu cilindra, Slika 3a). Interakcija polja je uzrokovana uvijanjem (Wiedemannov efekat), koje napreže žicu, proizvodeći akustični impuls koji se širi duž talasovoda i koji detektuje senzor na kraju talasovoda (Slika 3b). Mjerenjem proteklog vremena između početka strujnog impulsa i detekcije akustičnog impulsa, može se izmjeriti relativni položaj magneta za položaj, a samim tim i objekta (Slika 3c).
Magnetostriktivni senzori položaja su beskontaktni senzori koji se koriste za detekciju linearnog položaja. Valovodi su često smješteni u cijevima od nehrđajućeg čelika ili aluminija, što omogućava upotrebu ovih senzora u prljavim ili vlažnim okruženjima.
Kada se tanki, ravni provodnik postavi u magnetsko polje, svaka struja koja teče ima tendenciju da se nakuplja na jednoj strani provodnika, stvarajući potencijalnu razliku koja se naziva Hallov napon. Ako je struja u provodniku konstantna, magnituda Hallovog napona će odražavati jačinu magnetskog polja. Kod senzora položaja zasnovanog na Hallovom efektu, objekat je povezan sa magnetom smještenim u osovini senzora. Kako se objekat kreće, položaj magneta se mijenja u odnosu na Hallov element, što rezultira promjenom Hallovog napona. Mjerenjem Hallovog napona može se odrediti položaj objekta. Postoje specijalizovani senzori položaja zasnovani na Hallovom efektu koji mogu odrediti položaj u tri dimenzije (Slika 4). Senzori položaja zasnovani na Hallovom efektu su beskontaktni uređaji koji pružaju visoku pouzdanost i brzo detektovanje, te rade u širokom temperaturnom rasponu. Koriste se u nizu potrošačkih, industrijskih, automobilskih i medicinskih primjena.
Postoje dvije osnovne vrste senzora od optičkih vlakana. Kod intrinzičnih senzora od optičkih vlakana, vlakno se koristi kao senzorski element. Kod eksternih senzora od optičkih vlakana, optička vlakna se kombinuju s drugom senzorskom tehnologijom za prenos signala do udaljene elektronike na obradu. U slučaju mjerenja položaja intrinzičnog vlakna, uređaj poput optičkog reflektometra u vremenskom domenu može se koristiti za određivanje vremenskog kašnjenja. Pomak talasne dužine može se izračunati pomoću instrumenta koji implementira optički reflektometar u frekventnom domenu. Senzori od optičkih vlakana su imuni na elektromagnetne smetnje, mogu biti dizajnirani za rad na visokim temperaturama i nisu provodljivi, tako da se mogu koristiti u blizini visokog pritiska ili zapaljivih materijala.
Još jedno optičko senzorsko mjerenje zasnovano na tehnologiji Braggove rešetke (FBG) vlakana također se može koristiti za mjerenje položaja. FBG djeluje kao zarezni filter, reflektirajući mali dio svjetlosti centriran na Braggovoj talasnoj dužini (λB) kada je osvijetljen svjetlošću širokog spektra. Izrađen je s mikrostrukturama ugraviranim u jezgro vlakna. FBG-ovi se mogu koristiti za mjerenje različitih parametara kao što su temperatura, naprezanje, pritisak, nagib, pomak, ubrzanje i opterećenje.
Postoje dvije vrste optičkih senzora položaja, poznatih i kao optički enkoderi. U jednom slučaju, svjetlost se šalje prijemniku na drugom kraju senzora. U drugom tipu, emitovani svjetlosni signal se reflektuje od posmatranog objekta i vraća se izvoru svjetlosti. U zavisnosti od dizajna senzora, promjene u svojstvima svjetlosti, kao što su talasna dužina, intenzitet, faza ili polarizacija, koriste se za određivanje položaja objekta. Optički senzori položaja zasnovani na enkoderu dostupni su za linearno i rotacijsko kretanje. Ovi senzori se svrstavaju u tri glavne kategorije: transmisivni optički enkoderi, reflektivni optički enkoderi i interferometrijski optički enkoderi.
Ultrazvučni senzori položaja koriste piezoelektrične kristalne pretvarače za emitovanje ultrazvučnih talasa visoke frekvencije. Senzor mjeri reflektovani zvuk. Ultrazvučni senzori mogu se koristiti kao jednostavni senzori blizine ili složeniji dizajni mogu pružiti informacije o dometu. Ultrazvučni senzori položaja rade sa ciljnim objektima od različitih materijala i površinskih karakteristika i mogu detektovati male objekte na većim udaljenostima od mnogih drugih vrsta senzora položaja. Otporni su na vibracije, ambijentalnu buku, infracrveno zračenje i elektromagnetne smetnje. Primjeri primjena koje koriste ultrazvučne senzore položaja uključuju detekciju nivoa tečnosti, brzo brojanje objekata, robotske navigacijske sisteme i automobilske senzore. Tipičan automobilski ultrazvučni senzor sastoji se od plastičnog kućišta, piezoelektričnog pretvarača sa dodatnom membranom i štampane ploče sa elektronskim kolima i mikrokontrolerima za prenos, prijem i obradu signala (Slika 5).
Senzori položaja mogu mjeriti apsolutno ili relativno linearno, rotacijsko i kutno kretanje objekata. Senzori položaja mogu mjeriti kretanje uređaja kao što su aktuatori ili motori. Također se koriste u mobilnim platformama kao što su roboti i automobili. U senzorima položaja koristi se niz tehnologija s različitim kombinacijama ekološke izdržljivosti, cijene, tačnosti, ponovljivosti i drugih atributa.
3D magnetski senzori položaja, Allegro Microsystems, Analiza i poboljšanje sigurnosti ultrazvučnih senzora za autonomna vozila, IEEE Internet of Things Journal, Kako odabrati senzor položaja, Cambridge Integrated Circuits, Tipovi senzora položaja, Ixthus Instrumentation, Šta je induktivni senzor položaja?, Keyence, Šta je magnetostriktivno mjerenje položaja?, AMETEK
Pregledajte najnovija i prethodna izdanja časopisa Design World u jednostavnom, visokokvalitetnom formatu. Uredite, podijelite i preuzmite već danas uz vodeći časopis za inženjerski dizajn.
Vodeći svjetski forum za rješavanje problema iz oblasti elektronske opreme, koji pokriva mikrokontrolere, DSP, umrežavanje, analogni i digitalni dizajn, RF, energetsku elektroniku, usmjeravanje PCB-a i još mnogo toga.
Autorsko pravo © 2022 WTWH Media LLC. Sva prava pridržana. Materijal na ovoj stranici ne smije se reproducirati, distribuirati, prenositi, pohranjivati ​​u predmemoriju ili na drugi način koristiti bez prethodne pismene dozvole WTWH Media. Politika privatnosti | Oglašavanje | O nama