Fra robotdrevkæder til transportbånd i forsyningskædeoperationer til svajningen af ​​vindmølletårne ​​er positionsregistrering en kritisk funktion i en bred vifte af applikationer. Det kan antage mange former, herunder lineære, roterende, vinkel-, absolutte, inkrementelle, kontakt- og ikke-kontaktsensorer. Specialiserede sensorer er blevet udviklet, der kan bestemme position i tre dimensioner. Positionsregistreringsteknologier omfatter potentiometrisk, induktiv, hvirvelstrøm, kapacitiv, magnetostriktiv, Hall-effekt, fiberoptisk, optisk og ultralyd.
Denne ofte stillede spørgsmål giver en kort introduktion til de forskellige former for positionsregistrering og gennemgår derefter en række teknologier, som designere kan vælge imellem, når de implementerer en positionsregistreringsløsning.
Potentiometriske positionssensorer er modstandsbaserede enheder, der kombinerer et fast resistivt spor med en visker, der er fastgjort til det objekt, hvis position skal registreres. Objektets bevægelse bevæger viskerne langs sporet. Objektets position måles ved hjælp af et spændingsdelernetværk dannet af skinner og viskere til at måle lineær eller roterende bevægelse med en fast jævnspænding (figur 1). Potentiometriske sensorer er billige, men har generelt lav nøjagtighed og repeterbarhed.
Induktive positionssensorer udnytter ændringer i egenskaberne af det magnetfelt, der induceres i sensorspolen. Afhængigt af deres arkitektur kan de måle lineær eller roterende position. Lineære variabel differentialtransformator (LVDT) positionssensorer bruger tre spoler viklet omkring et hult rør; en primær spole og to sekundære spoler. Spolerne er forbundet i serie, og faseforholdet mellem sekundærspolen er 180° ude af fase i forhold til primærspolen. En ferromagnetisk kerne kaldet ankeret placeres inde i røret og forbindes til objektet på det sted, der måles. En excitationsspænding påføres primærspolen, og en elektromagnetisk kraft (EMF) induceres i sekundærspolen. Ved at måle spændingsforskellen mellem sekundærspolerne kan ankerets relative position og det, det er fastgjort til, bestemmes. En roterende spændingsdifferentialtransformator (RVDT) bruger den samme teknik til at spore roterende position. LVDT- og RVDT-sensorer tilbyder god nøjagtighed, linearitet, opløsning og høj følsomhed. De er friktionsfri og kan forsegles til brug i barske miljøer.
Hvirvelstrømspositionssensorer fungerer med ledende objekter. Hvirvelstrømme er inducerede strømme, der opstår i ledende materialer i nærvær af et skiftende magnetfelt. Disse strømme flyder i en lukket sløjfe og genererer et sekundært magnetfelt. Hvirvelstrømssensorer består af spoler og lineariseringskredsløb. Vekselstrømmen aktiverer spolen for at skabe det primære magnetfelt. Når et objekt nærmer sig eller bevæger sig væk fra spolen, kan dets position registreres ved hjælp af interaktionen af ​​det sekundære felt produceret af hvirvelstrømme, hvilket påvirker spolens impedans. Når objektet kommer tættere på spolen, øges hvirvelstrømstabene, og oscillationsspændingen bliver mindre (figur 2). Oscillationsspændingen ensrettes og behandles af et lineariseringskredsløb for at producere en lineær DC-udgang proportional med objektets afstand.
Hvirvelstrømssensorer er robuste, berøringsfri enheder, der typisk bruges som nærhedssensorer. De er rundstrålende og kan bestemme den relative afstand til objektet, men ikke retningen eller den absolutte afstand til objektet.
Som navnet antyder, måler kapacitive positionssensorer ændringer i kapacitans for at bestemme positionen af ​​det objekt, der registreres. Disse berøringsfri sensorer kan bruges til at måle lineær eller roterende position. De består af to plader adskilt af et dielektrisk materiale og bruger en af ​​to metoder til at detektere et objekts position:
For at forårsage en ændring i den dielektriske konstant fastgøres det objekt, hvis position skal detekteres, til det dielektriske materiale. Når det dielektriske materiale bevæger sig, ændres kondensatorens effektive dielektriske konstant på grund af kombinationen af ​​arealet af det dielektriske materiale og luftens dielektriske konstant. Alternativt kan objektet forbindes til en af ​​kondensatorpladerne. Når objektet bevæger sig, bevæger pladerne sig tættere på eller længere væk, og ændringen i kapacitans bruges til at bestemme den relative position.
Kapacitive sensorer kan måle forskydning, afstand, position og tykkelse af objekter. På grund af deres høje signalstabilitet og opløsning anvendes kapacitive forskydningssensorer i laboratorie- og industrielle miljøer. For eksempel bruges kapacitive sensorer til at måle filmtykkelse og klæbemiddelapplikationer i automatiserede processer. I industrielle maskiner bruges de til at overvåge forskydning og værktøjsposition.
Magnetostriktion er en egenskab ved ferromagnetiske materialer, der får materialet til at ændre sin størrelse eller form, når et magnetfelt påføres. I en magnetostriktiv positionssensor er en bevægelig positionsmagnet fastgjort til det objekt, der måles. Den består af en bølgeleder bestående af ledninger, der bærer strømpulser, forbundet til en sensor placeret i enden af ​​bølgelederen (figur 3). Når en strømpuls sendes ned langs bølgelederen, skabes et magnetfelt i ledningen, der interagerer med det aksiale magnetfelt fra den permanente magnet (magneten i cylinderstemplet, figur 3a). Feltinteraktionen forårsages af vridning (Wiedemann-effekten), hvilket belaster ledningen og producerer en akustisk puls, der udbreder sig langs bølgelederen og detekteres af en sensor i enden af ​​bølgelederen (figur 3b). Ved at måle den forløbne tid mellem starten af ​​strømpulsen og detektionen af ​​den akustiske puls kan den relative position af positionsmagneten og dermed objektet måles (figur 3c).
Magnetostriktive positionssensorer er berøringsfri sensorer, der bruges til at detektere lineær position. Bølgeledere er ofte anbragt i rør af rustfrit stål eller aluminium, hvilket gør det muligt at bruge disse sensorer i snavsede eller våde miljøer.
Når en tynd, flad leder placeres i et magnetfelt, har enhver strøm, der flyder, en tendens til at opbygges på den ene side af lederen, hvilket skaber en potentiel forskel kaldet Hall-spændingen. Hvis strømmen i lederen er konstant, vil størrelsen af ​​Hall-spændingen afspejle styrken af ​​magnetfeltet. I en Hall-effekt positionssensor er objektet forbundet til en magnet, der er anbragt i sensorskaftet. Når objektet bevæger sig, ændrer magnetens position sig i forhold til Hall-elementet, hvilket resulterer i en skiftende Hall-spænding. Ved at måle Hall-spændingen kan et objekts position bestemmes. Der findes specialiserede Hall-effekt positionssensorer, der kan bestemme position i tre dimensioner (figur 4). Hall-effekt positionssensorer er berøringsfri enheder, der giver høj pålidelighed og hurtig registrering og fungerer over et bredt temperaturområde. De bruges i en række forbruger-, industrielle, bil- og medicinske applikationer.
Der findes to grundlæggende typer fiberoptiske sensorer. I intrinsiske fiberoptiske sensorer bruges fiberen som sensorelement. I eksterne fiberoptiske sensorer kombineres fiberoptik med en anden sensorteknologi for at videresende signalet til fjernelektronik til behandling. I tilfælde af intrinsiske fiberpositionsmålinger kan en enhed såsom et optisk tidsdomænereflektometer bruges til at bestemme tidsforsinkelsen. Bølgelængdeforskydningen kan beregnes ved hjælp af et instrument, der implementerer et optisk frekvensdomænereflektometer. Fiberoptiske sensorer er immune over for elektromagnetisk interferens, kan designes til at fungere ved høje temperaturer og er ikke-ledende, så de kan bruges i nærheden af ​​højtryks- eller brandfarlige materialer.
En anden fiberoptisk sensor baseret på fiber Bragg-gitterteknologi (FBG) kan også bruges til positionsmåling. FBG'en fungerer som et hakfilter, der reflekterer en lille del af lyset centreret omkring Bragg-bølgelængden (λB), når det belyses af bredspektret lys. Den er fremstillet med mikrostrukturer ætset ind i fiberkernen. FBG'er kan bruges til at måle forskellige parametre såsom temperatur, tøjning, tryk, hældning, forskydning, acceleration og belastning.
Der findes to typer optiske positionssensorer, også kendt som optiske encodere. I det ene tilfælde sendes lys til en modtager i den anden ende af sensoren. I den anden type reflekteres det udsendte lyssignal af det overvågede objekt og returneres til lyskilden. Afhængigt af sensordesignet bruges ændringer i lysegenskaber, såsom bølgelængde, intensitet, fase eller polarisering, til at bestemme et objekts position. Encoderbaserede optiske positionssensorer er tilgængelige til lineær og roterende bevægelse. Disse sensorer falder i tre hovedkategorier; transmissive optiske encodere, reflekterende optiske encodere og interferometriske optiske encodere.
Ultralydspositionssensorer bruger piezoelektriske krystaltransducere til at udsende højfrekvente ultralydsbølger. Sensoren måler den reflekterede lyd. Ultralydssensorer kan bruges som simple nærhedssensorer, eller mere komplekse designs kan give afstandsinformation. Ultralydspositionssensorer arbejder med målobjekter af en række forskellige materialer og overfladeegenskaber og kan detektere små objekter på større afstande end mange andre typer positionssensorer. De er modstandsdygtige over for vibrationer, omgivende støj, infrarød stråling og elektromagnetisk interferens. Eksempler på anvendelser, der bruger ultralydspositionssensorer, omfatter væskeniveaudetektion, højhastighedstælling af objekter, robotnavigationssystemer og bilregistrering. En typisk ultralydssensor til biler består af et plastikhus, en piezoelektrisk transducer med en ekstra membran og et printkort med elektroniske kredsløb og mikrocontrollere til transmission, modtagelse og behandling af signaler (figur 5).
Positionssensorer kan måle absolut eller relativ lineær, roterende og vinkelmæssig bevægelse af objekter. Positionssensorer kan måle bevægelsen af ​​enheder såsom aktuatorer eller motorer. De bruges også i mobile platforme såsom robotter og biler. En række forskellige teknologier bruges i positionssensorer med forskellige kombinationer af miljømæssig holdbarhed, omkostninger, nøjagtighed, repeterbarhed og andre egenskaber.
3D magnetiske positionssensorer, Allegro MicrosystemsAnalyse og forbedring af sikkerheden af ​​ultralydssensorer til selvkørende køretøjer, IEEE Internet of Things Journal Sådan vælger du en positionssensor, Cambridge Integrated CircuitsPositionssensortyper, Ixthus InstrumentationHvad er en induktiv positionssensor?, Keyence Hvad er magnetostriktiv positionsregistrering?, AMETEK
Gennemse de seneste numre af Design World og tidligere numre i et brugervenligt format af høj kvalitet. Rediger, del og download i dag med det førende designingeniørmagasin.
Verdens førende problemløsende EE-forum, der dækker mikrocontrollere, DSP, netværk, analogt og digitalt design, RF, effektelektronik, PCB-routing og mere.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Alle rettigheder forbeholdes. Materialet på dette websted må ikke reproduceres, distribueres, transmitteres, caches eller på anden måde anvendes uden forudgående skriftlig tilladelse fra WTWH Media. Privatlivspolitik | Annoncering | Om os