Od robotických hnacích řetězů přes dopravníkové pásy v dodavatelských řetězcích až po kyvné pohyby věží větrných turbín je snímání polohy klíčovou funkcí v široké škále aplikací. Může mít mnoho podob, včetně lineárních, rotačních, úhlových, absolutních, inkrementálních, kontaktních a bezkontaktních senzorů. Byly vyvinuty specializované senzory, které dokáží určovat polohu ve třech rozměrech. Technologie snímání polohy zahrnují potenciometrické, indukční, vířivé proudy, kapacitní, magnetostrikční, Hallův jev, optické vláknové, optické a ultrazvukové senzory.
Tato nejčastější otázka poskytuje stručný úvod do různých forem snímání polohy a poté shrnuje řadu technologií, ze kterých si konstruktéři mohou vybrat při implementaci řešení pro snímání polohy.
Potenciometrické snímače polohy jsou zařízení založená na odporu, která kombinují pevnou odporovou dráhu se stěračem připojeným k objektu, jehož polohu je třeba snímat. Pohyb objektu pohybuje stěrači podél dráhy. Poloha objektu se měří pomocí sítě děliče napětí tvořené kolejnicemi a stěrači pro měření lineárního nebo rotačního pohybu s pevným stejnosměrným napětím (obrázek 1). Potenciometrické snímače jsou levné, ale obecně mají nízkou přesnost a opakovatelnost.
Indukční snímače polohy využívají změny vlastností magnetického pole indukovaného v cívce snímače. V závislosti na jejich architektuře mohou měřit lineární nebo rotační polohu. Snímače polohy s lineárním proměnným diferenciálním transformátorem (LVDT) používají tři cívky omotané kolem duté trubice; primární cívku a dvě sekundární cívky. Cívky jsou zapojeny sériově a fázový vztah sekundární cívky je o 180° mimo fázi vzhledem k primární cívce. Uvnitř trubice je umístěno feromagnetické jádro nazývané kotva a připojeno k objektu v měřeném místě. Na primární cívku je přivedeno budicí napětí a v sekundární cívce je indukována elektromagnetická síla (EMF). Měřením rozdílu napětí mezi sekundárními cívkami lze určit relativní polohu kotvy a to, k čemu je připojena. Rotační diferenciální transformátor napětí (RVDT) používá stejnou techniku ​​ke sledování rotační polohy. Snímače LVDT a RVDT nabízejí dobrou přesnost, linearitu, rozlišení a vysokou citlivost. Jsou bez tření a lze je utěsnit pro použití v náročných podmínkách.
Senzory polohy vířivými proudy pracují s vodivými objekty. Vířivé proudy jsou indukované proudy, které se vyskytují ve vodivých materiálech za přítomnosti měnícího se magnetického pole. Tyto proudy protékají v uzavřené smyčce a generují sekundární magnetické pole. Senzory vířivých proudů se skládají z cívek a linearizačních obvodů. Střídavý proud napájí cívku a vytváří primární magnetické pole. Když se objekt přibližuje k cívce nebo se od ní vzdaluje, lze jeho polohu snímat pomocí interakce sekundárního pole vytvářeného vířivými proudy, které ovlivňuje impedanci cívky. Jak se objekt přibližuje k cívce, ztráty vířivými proudy se zvyšují a oscilační napětí se zmenšuje (obrázek 2). Oscilační napětí je usměrněno a zpracováno linearizačním obvodem za účelem vytvoření lineárního stejnosměrného výstupu úměrného vzdálenosti objektu.
Zařízení s vířivými proudy jsou robustní, bezkontaktní zařízení, která se obvykle používají jako senzory přiblížení. Jsou všesměrová a dokáží určit relativní vzdálenost k objektu, ale ne směr nebo absolutní vzdálenost k objektu.
Jak název napovídá, kapacitní senzory polohy měří změny kapacity, aby určily polohu snímaného objektu. Tyto bezkontaktní senzory lze použít k měření lineární nebo rotační polohy. Skládají se ze dvou desek oddělených dielektrickým materiálem a k detekci polohy objektu používají jednu ze dvou metod:
Aby se vyvolala změna dielektrické konstanty, je objekt, jehož poloha má být detekována, připojen k dielektrickému materiálu. Jak se dielektrický materiál pohybuje, efektivní dielektrická konstanta kondenzátoru se mění v důsledku kombinace plochy dielektrického materiálu a dielektrické konstanty vzduchu. Alternativně může být objekt připojen k jedné z desek kondenzátoru. Jak se objekt pohybuje, desky se přibližují nebo oddalují a změna kapacity se používá k určení relativní polohy.
Kapacitní senzory dokáží měřit posunutí, vzdálenost, polohu a tloušťku objektů. Díky vysoké stabilitě a rozlišení signálu se kapacitní senzory posunutí používají v laboratorním a průmyslovém prostředí. Například kapacitní senzory se používají k měření tloušťky filmu a lepidel v automatizovaných procesech. V průmyslových strojích se používají ke sledování posunutí a polohy nástroje.
Magnetostrikce je vlastnost feromagnetických materiálů, která způsobuje, že materiál mění svou velikost nebo tvar, když je na něj aplikováno magnetické pole. V magnetostrikčním snímači polohy je k měřenému objektu připojen pohyblivý magnet. Skládá se z vlnovodu sestávajícího z drátů, které přenášejí proudové impulsy, připojených k senzoru umístěnému na konci vlnovodu (obrázek 3). Když je vlnovodem vyslán proudový impuls, v drátu se vytvoří magnetické pole, které interaguje s axiálním magnetickým polem permanentního magnetu (magnet v pístu válce, obrázek 3a). Interakce pole je způsobena kroucením (Wiedemannův jev), které napíná drát a vytváří akustický impuls, který se šíří podél vlnovodu a je detekován senzorem na konci vlnovodu (obr. 3b). Měřením doby uplynulé mezi zahájením proudového impulsu a detekcí akustického impulsu lze změřit relativní polohu magnetu a tedy i objektu (obr. 3c).
Magnetostrikční snímače polohy jsou bezkontaktní senzory používané k detekci lineární polohy. Vlnovody jsou často umístěny v nerezových nebo hliníkových trubkách, což umožňuje použití těchto senzorů ve znečištěném nebo mokrém prostředí.
Když je tenký, plochý vodič umístěn v magnetickém poli, jakýkoli protékající proud má tendenci se hromadit na jedné straně vodiče a vytvářet tak potenciálový rozdíl nazývaný Hallovo napětí. Pokud je proud ve vodiči konstantní, velikost Hallova napětí bude odrážet sílu magnetického pole. V Hallově senzoru polohy je objekt připojen k magnetu umístěnému v hřídeli senzoru. Jak se objekt pohybuje, mění se poloha magnetu vzhledem k Hallovu prvku, což má za následek změnu Hallova napětí. Měřením Hallova napětí lze určit polohu objektu. Existují specializované Hallovy senzory polohy, které dokáží určit polohu ve třech rozměrech (obrázek 4). Hallovy senzory polohy jsou bezkontaktní zařízení, která poskytují vysokou spolehlivost a rychlé snímání a pracují v širokém teplotním rozsahu. Používají se v řadě spotřebitelských, průmyslových, automobilových a lékařských aplikací.
Existují dva základní typy senzorů s optickými vlákny. U vnitřních senzorů s optickými vlákny se jako snímací prvek používá vlákno. U externích senzorů s optickými vlákny se optická vlákna kombinují s jinou senzorovou technologií pro přenos signálu do vzdálené elektroniky ke zpracování. V případě měření polohy vnitřních vláken lze k určení časového zpoždění použít zařízení, jako je optický reflektometr v časové doméně. Posun vlnové délky lze vypočítat pomocí přístroje, který implementuje optický reflektometr ve frekvenční doméně. Senzory s optickými vlákny jsou imunní vůči elektromagnetickému rušení, mohou být navrženy pro provoz při vysokých teplotách a jsou nevodivé, takže je lze použít v blízkosti vysokotlakých nebo hořlavých materiálů.
Pro měření polohy lze použít i další vláknově-optické snímání založené na technologii vláknové Braggovy mřížky (FBG). FBG funguje jako zářezový filtr, který odráží malou část světla se středem na Braggově vlnové délce (λB) při osvětlení širokospektrálním světlem. Je vyroben s mikrostrukturami vyleptanými do jádra vlákna. FBG lze použít k měření různých parametrů, jako je teplota, napětí, tlak, náklon, posunutí, zrychlení a zatížení.
Existují dva typy optických snímačů polohy, známých také jako optické enkodéry. V jednom případě je světlo vysíláno do přijímače na druhém konci snímače. U druhého typu je vyzařovaný světelný signál odražen monitorovaným objektem a vrací se zpět do zdroje světla. V závislosti na konstrukci snímače se k určení polohy objektu používají změny vlastností světla, jako je vlnová délka, intenzita, fáze nebo polarizace. Optické snímače polohy založené na enkodérech jsou k dispozici pro lineární a rotační pohyb. Tyto snímače spadají do tří hlavních kategorií: transmisní optické enkodéry, reflexní optické enkodéry a interferometrické optické enkodéry.
Ultrazvukové snímače polohy používají piezoelektrické krystalové měniče k vyzařování vysokofrekvenčních ultrazvukových vln. Snímač měří odražený zvuk. Ultrazvukové senzory lze použít jako jednoduché senzory přiblížení nebo složitější konstrukce mohou poskytovat informace o vzdálenosti. Ultrazvukové snímače polohy pracují s cílovými objekty z různých materiálů a povrchových prvků a dokáží detekovat malé objekty na větší vzdálenosti než mnoho jiných typů snímačů polohy. Jsou odolné vůči vibracím, okolnímu hluku, infračervenému záření a elektromagnetickému rušení. Mezi příklady aplikací využívajících ultrazvukové snímače polohy patří detekce hladiny kapalin, vysokorychlostní počítání objektů, robotické navigační systémy a automobilové snímání. Typický automobilový ultrazvukový senzor se skládá z plastového pouzdra, piezoelektrického měniče s přídavnou membránou a desky plošných spojů s elektronickými obvody a mikrokontroléry pro přenos, příjem a zpracování signálů (obrázek 5).
Snímače polohy mohou měřit absolutní nebo relativní lineární, rotační a úhlový pohyb objektů. Snímače polohy mohou měřit pohyb zařízení, jako jsou akční členy nebo motory. Používají se také v mobilních platformách, jako jsou roboti a automobily. V snímačích polohy se používá řada technologií s různými kombinacemi environmentální odolnosti, nákladů, přesnosti, opakovatelnosti a dalších atributů.
3D magnetické snímače polohy, Allegro Microsystems, Analýza a zvýšení bezpečnosti ultrazvukových snímačů pro autonomní vozidla, IEEE Internet of Things Journal, Jak vybrat snímač polohy, Cambridge Integrated Circuits, Typy snímačů polohy, Ixthus Instrumentation, Co je to indukční snímač polohy?, Keyence, Co je to magnetostrikční snímání polohy?, AMETEK
Prohlédněte si nejnovější a starší čísla časopisu Design World ve snadno použitelném a vysoce kvalitním formátu. Upravujte, sdílejte a stahujte ještě dnes s předním časopisem o konstrukčním inženýrství.
Největší světové fórum pro řešení problémů v oblasti elektronické techniky, které zahrnuje mikrokontroléry, DSP, sítě, analogový a digitální návrh, vysokofrekvenční technologie, výkonovou elektroniku, směrování desek plošných spojů a další.
Autorská práva © 2022 WTWH Media LLC. Všechna práva vyhrazena. Materiál na těchto stránkách nesmí být reprodukován, distribuován, přenášen, ukládán do mezipaměti ani jinak používán bez předchozího písemného souhlasu společnosti WTWH Media. Zásady ochrany osobních údajů | Reklama | O nás