Des de cadenes d'accionament robòtiques fins a cintes transportadores en operacions de la cadena de subministrament o el balanceig de les torres d'aerogeneradors, la detecció de posició és una funció crítica en una àmplia gamma d'aplicacions. Pot adoptar moltes formes, incloent sensors lineals, rotatius, angulars, absoluts, incrementals, de contacte i sense contacte. S'han desenvolupat sensors especialitzats que poden determinar la posició en tres dimensions. Les tecnologies de detecció de posició inclouen potenciomètrics, inductius, de corrents de Foucault, capacitius, magnetostrictius, d'efecte Hall, de fibra òptica, òptics i ultrasònics.
Aquesta secció de preguntes freqüents ofereix una breu introducció a les diverses formes de detecció de posició i, a continuació, revisa una gamma de tecnologies que els dissenyadors poden triar a l'hora d'implementar una solució de detecció de posició.
Els sensors de posició potenciomètrics són dispositius basats en resistència que combinen una pista resistiva fixa amb un eixugaparabrises unit a l'objecte la posició del qual cal detectar. El moviment de l'objecte mou els eixugaparabrises al llarg de la pista. La posició de l'objecte es mesura mitjançant una xarxa divisora ​​de tensió formada per rails i eixugaparabrises per mesurar el moviment lineal o rotacional amb una tensió de CC fixa (Figura 1). Els sensors potenciomètrics són de baix cost, però generalment tenen una baixa precisió i repetibilitat.
Els sensors de posició inductius utilitzen canvis en les propietats del camp magnètic induït a la bobina del sensor. Segons la seva arquitectura, poden mesurar la posició lineal o rotacional. Els sensors de posició del transformador diferencial variable lineal (LVDT) utilitzen tres bobines enrotllades al voltant d'un tub buit; una bobina primària i dues bobines secundàries. Les bobines estan connectades en sèrie i la relació de fase de la bobina secundària és de 180° desfasada respecte a la bobina primària. Un nucli ferromagnètic anomenat armadura es col·loca dins del tub i es connecta a l'objecte a la ubicació que es mesura. S'aplica una tensió d'excitació a la bobina primària i s'indueix una força electromagnètica (EMF) a la bobina secundària. En mesurar la diferència de tensió entre les bobines secundàries, es pot determinar la posició relativa de l'armadura i a què està connectada. Un transformador diferencial de tensió giratori (RVDT) utilitza la mateixa tècnica per rastrejar la posició giratòria. Els sensors LVDT i RVDT ofereixen bona precisió, linealitat, resolució i alta sensibilitat. No tenen fricció i es poden segellar per al seu ús en entorns durs.
Els sensors de posició de corrents de Foucault funcionen amb objectes conductors. Els corrents de Foucault són corrents induïts que es produeixen en materials conductors en presència d'un camp magnètic canviant. Aquests corrents flueixen en un bucle tancat i generen un camp magnètic secundari. Els sensors de corrents de Foucault consten de bobines i circuits de linealització. El corrent altern energitza la bobina per crear el camp magnètic primari. Quan un objecte s'acosta o s'allunya de la bobina, la seva posició es pot detectar mitjançant la interacció del camp secundari produït pels corrents de Foucault, que afecta la impedància de la bobina. A mesura que l'objecte s'acosta a la bobina, les pèrdues per corrents de Foucault augmenten i la tensió oscil·lant es fa més petita (Figura 2). La tensió oscil·lant es rectifica i es processa mitjançant un circuit linealitzador per produir una sortida de CC lineal proporcional a la distància de l'objecte.
Els dispositius de corrents paràsits són dispositius robustos i sense contacte que s'utilitzen normalment com a sensors de proximitat. Són omnidireccionals i poden determinar la distància relativa a l'objecte, però no la direcció ni la distància absoluta a l'objecte.
Com el seu nom indica, els sensors de posició capacitius mesuren els canvis de capacitança per determinar la posició de l'objecte que es detecta. Aquests sensors sense contacte es poden utilitzar per mesurar la posició lineal o rotacional. Consisteixen en dues plaques separades per un material dielèctric i utilitzen un dels dos mètodes següents per detectar la posició d'un objecte:
Per tal de provocar un canvi en la constant dielèctrica, l'objecte la posició del qual es vol detectar s'uneix al material dielèctric. A mesura que el material dielèctric es mou, la constant dielèctrica efectiva del condensador canvia a causa de la combinació de l'àrea del material dielèctric i la constant dielèctrica de l'aire. Alternativament, l'objecte es pot connectar a una de les plaques del condensador. A mesura que l'objecte es mou, les plaques s'acosten o s'allunyen, i el canvi de capacitança s'utilitza per determinar la posició relativa.
Els sensors capacitius poden mesurar el desplaçament, la distància, la posició i el gruix dels objectes. A causa de la seva alta estabilitat de senyal i resolució, els sensors de desplaçament capacitius s'utilitzen en entorns de laboratori i industrials. Per exemple, els sensors capacitius s'utilitzen per mesurar el gruix de la pel·lícula i les aplicacions d'adhesiu en processos automatitzats. En màquines industrials, s'utilitzen per controlar el desplaçament i la posició de l'eina.
La magnetostricció és una propietat dels materials ferromagnètics que fa que el material canviï de mida o forma quan s'aplica un camp magnètic. En un sensor de posició magnetostrictiu, un imant de posició mòbil està unit a l'objecte que es mesura. Consisteix en una guia d'ones formada per cables que transporten polsos de corrent, connectats a un sensor situat a l'extrem de la guia d'ones (Figura 3). Quan s'envia un pols de corrent per la guia d'ones, es crea un camp magnètic al cable que interactua amb el camp magnètic axial de l'imant permanent (l'imant del pistó del cilindre, Figura 3a). La interacció del camp és causada per la torsió (efecte Wiedemann), que tensa el cable, produint un pols acústic que es propaga al llarg de la guia d'ones i és detectat per un sensor a l'extrem de la guia d'ones (Fig. 3b). En mesurar el temps transcorregut entre l'inici del pols de corrent i la detecció del pols acústic, es pot mesurar la posició relativa de l'imant de posició i, per tant, de l'objecte (Fig. 3c).
Els sensors de posició magnetostrictius són sensors sense contacte que s'utilitzen per detectar la posició lineal. Les guies d'ones sovint s'allotgen en tubs d'acer inoxidable o alumini, cosa que permet que aquests sensors s'utilitzin en entorns bruts o humits.
Quan un conductor prim i pla es col·loca en un camp magnètic, qualsevol corrent que flueixi tendeix a acumular-se en un costat del conductor, creant una diferència de potencial anomenada voltatge Hall. Si el corrent al conductor és constant, la magnitud del voltatge Hall reflectirà la força del camp magnètic. En un sensor de posició d'efecte Hall, l'objecte està connectat a un imant allotjat a l'eix del sensor. A mesura que l'objecte es mou, la posició de l'imant canvia respecte a l'element Hall, donant lloc a un voltatge Hall canviant. En mesurar el voltatge Hall, es pot determinar la posició d'un objecte. Hi ha sensors de posició d'efecte Hall especialitzats que poden determinar la posició en tres dimensions (Figura 4). Els sensors de posició d'efecte Hall són dispositius sense contacte que proporcionen una alta fiabilitat i una detecció ràpida, i funcionen en un ampli rang de temperatures. S'utilitzen en una gamma d'aplicacions de consum, industrials, automotrius i mèdiques.
Hi ha dos tipus bàsics de sensors de fibra òptica. En els sensors de fibra òptica intrínsecs, la fibra òptica s'utilitza com a element sensor. En els sensors de fibra òptica externs, la fibra òptica es combina amb una altra tecnologia de sensors per retransmetre el senyal a electrònica remota per al seu processament. En el cas de les mesures de posició intrínseca de la fibra, es pot utilitzar un dispositiu com ara un reflectòmetre de domini temporal òptic per determinar el retard de temps. El canvi de longitud d'ona es pot calcular mitjançant un instrument que implementa un reflectòmetre de domini de freqüència òptica. Els sensors de fibra òptica són immunes a les interferències electromagnètiques, es poden dissenyar per funcionar a altes temperatures i no són conductors, de manera que es poden utilitzar a prop de materials d'alta pressió o inflamables.
Una altra detecció de fibra òptica basada en la tecnologia de xarxa de Bragg de fibra (FBG) també es pot utilitzar per a la mesura de posició. La FBG actua com un filtre de reixa, reflectint una petita fracció de la llum centrada en la longitud d'ona de Bragg (λB) quan s'il·lumina amb llum d'ampli espectre. Està fabricat amb microestructures gravades al nucli de la fibra. Les FBG es poden utilitzar per mesurar diversos paràmetres com ara la temperatura, la tensió, la pressió, la inclinació, el desplaçament, l'acceleració i la càrrega.
Hi ha dos tipus de sensors de posició òptica, també coneguts com a codificadors òptics. En un cas, la llum s'envia a un receptor a l'altre extrem del sensor. En el segon tipus, el senyal de llum emès és reflectit per l'objecte monitoritzat i retornat a la font de llum. Segons el disseny del sensor, els canvis en les propietats de la llum, com ara la longitud d'ona, la intensitat, la fase o la polarització, s'utilitzen per determinar la posició d'un objecte. Hi ha sensors de posició òptica basats en codificadors disponibles per a moviment lineal i rotatori. Aquests sensors es divideixen en tres categories principals: codificadors òptics transmissius, codificadors òptics reflectants i codificadors òptics interferomètrics.
Els sensors de posició ultrasònics utilitzen transductors de cristall piezoelèctric per emetre ones ultrasòniques d'alta freqüència. El sensor mesura el so reflectit. Els sensors ultrasònics es poden utilitzar com a sensors de proximitat simples, o dissenys més complexos poden proporcionar informació de mesura. Els sensors de posició ultrasònics funcionen amb objectes objectiu de diversos materials i característiques de la superfície, i poden detectar objectes petits a distàncies més grans que molts altres tipus de sensors de posició. Són resistents a les vibracions, el soroll ambiental, la radiació infraroja i la interferència electromagnètica. Exemples d'aplicacions que utilitzen sensors de posició ultrasònics inclouen la detecció del nivell de líquid, el recompte d'objectes a alta velocitat, els sistemes de navegació robòtica i la detecció d'automòbils. Un sensor ultrasònic d'automòbil típic consisteix en una carcassa de plàstic, un transductor piezoelèctric amb una membrana addicional i una placa de circuit imprès amb circuits electrònics i microcontroladors per transmetre, rebre i processar senyals (Figura 5).
Els sensors de posició poden mesurar el moviment lineal, rotacional i angular absolut o relatiu dels objectes. Els sensors de posició poden mesurar el moviment de dispositius com ara actuadors o motors. També s'utilitzen en plataformes mòbils com ara robots i cotxes. En els sensors de posició s'utilitza una varietat de tecnologies amb diverses combinacions de durabilitat ambiental, cost, precisió, repetibilitat i altres atributs.
Sensors de posició magnètics 3D, Allegro Microsystems Anàlisi i millora de la seguretat dels sensors ultrasònics per a vehicles autònoms, IEEE Internet of Things Journal Com seleccionar un sensor de posició, Cambridge Integrated Circuits Tipus de sensors de posició, Ixthus Instrumentation Què és un sensor de posició inductiu?, Keyence Què és la detecció de posició magnetostrictiva?, AMETEK
Navegueu pels darrers números de Design World i els números anteriors en un format fàcil d'utilitzar i d'alta qualitat. Editeu-lo, compartiu-lo i descarregueu-lo avui mateix amb la revista líder en enginyeria de disseny.
El fòrum d'EE més important del món per a la resolució de problemes que cobreix microcontroladors, DSP, xarxes, disseny analògic i digital, RF, electrònica de potència, enrutament de PCB i molt més.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Tots els drets reservats. El material d'aquest lloc no es pot reproduir, distribuir, transmetre, emmagatzemar en memòria cau ni utilitzar de cap altra manera sense el permís previ per escrit de WTWH Media. Política de privacitat | Publicitat | Sobre nosaltres.