Von Roboterantriebsketten über Förderbänder in Lieferkettenabläufen bis hin zum Schwanken von Windkrafttürmen ist die Positionserfassung eine entscheidende Funktion in einem breiten Anwendungsbereich. Sie kann viele Formen annehmen, darunter lineare, rotierende, Winkel-, absolute, inkrementelle, berührende und berührungslose Sensoren. Es wurden spezielle Sensoren entwickelt, die die Position in drei Dimensionen bestimmen können. Zu den Positionserfassungstechnologien gehören potentiometrische, induktive, Wirbelstrom-, kapazitive, magnetostriktive, Hall-Effekt-, faseroptische, optische und Ultraschall-Sensoren.
Diese FAQ bieten eine kurze Einführung in die verschiedenen Formen der Positionserfassung und geben anschließend einen Überblick über eine Reihe von Technologien, aus denen Designer bei der Implementierung einer Positionserfassungslösung wählen können.
Potentiometrische Positionssensoren sind widerstandsbasierte Geräte, die eine feste Widerstandsbahn mit einem Schleifer kombinieren, der an dem Objekt befestigt ist, dessen Position erfasst werden soll. Die Bewegung des Objekts bewegt die Schleifer entlang der Bahn. Die Position des Objekts wird mithilfe eines Spannungsteilernetzwerks gemessen, das aus Schienen und Schleifern besteht, um lineare oder rotierende Bewegungen mit einer festen Gleichspannung zu messen (Abbildung 1). Potentiometrische Sensoren sind kostengünstig, weisen aber im Allgemeinen eine geringe Genauigkeit und Wiederholbarkeit auf.
Induktive Positionssensoren nutzen Änderungen der Eigenschaften des in der Sensorspule induzierten Magnetfelds. Je nach Aufbau können sie lineare oder rotatorische Positionen messen. Lineare variable Differentialtransformator-Positionssensoren (LVDT) verwenden drei um ein hohles Rohr gewickelte Spulen: eine Primärspule und zwei Sekundärspulen. Die Spulen sind in Reihe geschaltet, wobei die Phasenlage der Sekundärspule um 180° zur Primärspule verschoben ist. Ein ferromagnetischer Kern, der sogenannte Anker, befindet sich im Rohr und ist an der Messstelle mit dem Objekt verbunden. An die Primärspule wird eine Erregerspannung angelegt, wodurch in der Sekundärspule eine elektromagnetische Kraft (EMK) induziert wird. Durch Messung der Spannungsdifferenz zwischen den Sekundärspulen lässt sich die relative Position des Ankers und seiner Befestigung bestimmen. Ein rotierender Spannungsdifferenztransformator (RVDT) nutzt dieselbe Technik zur Erfassung rotatorischer Positionen. LVDT- und RVDT-Sensoren bieten hohe Genauigkeit, Linearität, Auflösung und Empfindlichkeit. Sie sind reibungslos und können für den Einsatz in rauen Umgebungen abgedichtet werden.
Wirbelstrom-Positionssensoren arbeiten mit leitfähigen Objekten. Wirbelströme sind induzierte Ströme, die in leitfähigen Materialien in Gegenwart eines sich ändernden Magnetfelds auftreten. Diese Ströme fließen in einem geschlossenen Kreislauf und erzeugen ein sekundäres Magnetfeld. Wirbelstromsensoren bestehen aus Spulen und Linearisierungsschaltungen. Der Wechselstrom erregt die Spule und erzeugt das primäre Magnetfeld. Wenn sich ein Objekt der Spule nähert oder sich von ihr entfernt, kann seine Position durch die Wechselwirkung des durch die Wirbelströme erzeugten Sekundärfelds erfasst werden, das die Impedanz der Spule beeinflusst. Wenn sich das Objekt der Spule nähert, steigen die Wirbelstromverluste und die oszillierende Spannung wird kleiner (Abbildung 2). Die oszillierende Spannung wird gleichgerichtet und von einer Linearisierungsschaltung verarbeitet, um einen linearen Gleichstromausgang zu erzeugen, der proportional zur Entfernung des Objekts ist.
Wirbelstromgeräte sind robuste, berührungslose Geräte, die typischerweise als Näherungssensoren verwendet werden. Sie sind omnidirektional und können die relative Entfernung zum Objekt bestimmen, jedoch nicht die Richtung oder absolute Entfernung zum Objekt.
Wie der Name schon sagt, messen kapazitive Positionssensoren Änderungen der Kapazität, um die Position des erfassten Objekts zu bestimmen. Diese berührungslosen Sensoren können zur Messung linearer oder rotatorischer Positionen verwendet werden. Sie bestehen aus zwei Platten, die durch ein dielektrisches Material getrennt sind, und verwenden eine von zwei Methoden, um die Position eines Objekts zu erkennen:
Um eine Änderung der Dielektrizitätskonstante zu bewirken, wird das Objekt, dessen Position erfasst werden soll, an das Dielektrikum gebunden. Wenn sich das Dielektrikum bewegt, ändert sich die effektive Dielektrizitätskonstante des Kondensators aufgrund der Kombination aus der Fläche des Dielektrikums und der Dielektrizitätskonstante der Luft. Alternativ kann das Objekt mit einer der Kondensatorplatten verbunden werden. Wenn sich das Objekt bewegt, nähern sich die Platten an oder entfernen sich voneinander, und die Kapazitätsänderung wird verwendet, um die relative Position zu bestimmen.
Kapazitive Sensoren können Weg, Entfernung, Position und Dicke von Objekten messen. Aufgrund ihrer hohen Signalstabilität und Auflösung werden kapazitive Wegsensoren in Labor- und Industrieumgebungen eingesetzt. Beispielsweise werden kapazitive Sensoren zur Messung von Filmdicken und Klebstoffaufträgen in automatisierten Prozessen verwendet. In Industriemaschinen werden sie zur Überwachung von Weg und Werkzeugposition eingesetzt.
Magnetostriktion ist eine Eigenschaft ferromagnetischer Materialien, die bei Anlegen eines Magnetfelds eine Größen- oder Formänderung des Materials bewirkt. Bei einem magnetostriktiven Positionssensor wird ein beweglicher Positionsmagnet am zu messenden Objekt befestigt. Er besteht aus einem Wellenleiter aus Drähten, die Stromimpulse übertragen und mit einem Sensor am Ende des Wellenleiters verbunden sind (Abbildung 3). Wird ein Stromimpuls durch den Wellenleiter gesendet, entsteht im Draht ein Magnetfeld, das mit dem axialen Magnetfeld des Permanentmagneten (dem Magneten im Zylinderkolben, Abbildung 3a) interagiert. Die Feldinteraktion entsteht durch die Verdrehung (Wiedemann-Effekt), die den Draht spannt und einen akustischen Impuls erzeugt, der sich entlang des Wellenleiters ausbreitet und von einem Sensor am Ende des Wellenleiters erfasst wird (Abbildung 3b). Durch Messung der verstrichenen Zeit zwischen dem Auslösen des Stromimpulses und dem Erkennen des akustischen Impulses kann die relative Position des Positionsmagneten und damit des Objekts gemessen werden (Abbildung 3c).
Magnetostriktive Positionssensoren sind berührungslose Sensoren zur Erkennung linearer Positionen. Wellenleiter sind häufig in Edelstahl- oder Aluminiumrohren untergebracht, sodass diese Sensoren auch in schmutzigen oder nassen Umgebungen eingesetzt werden können.
Wenn ein dünner, flacher Leiter in ein Magnetfeld gebracht wird, sammelt sich der fließende Strom tendenziell auf einer Seite des Leiters an, wodurch eine Potenzialdifferenz entsteht, die als Hall-Spannung bezeichnet wird. Bei konstanter Stromstärke im Leiter spiegelt die Größe der Hall-Spannung die Stärke des Magnetfelds wider. Bei einem Hall-Effekt-Positionssensor ist das Objekt mit einem Magneten im Sensorschaft verbunden. Bewegt sich das Objekt, ändert sich die Position des Magneten relativ zum Hall-Element, was zu einer Änderung der Hall-Spannung führt. Durch Messung der Hall-Spannung lässt sich die Position eines Objekts bestimmen. Es gibt spezielle Hall-Effekt-Positionssensoren, die die Position dreidimensionaler bestimmen können (Abbildung 4). Hall-Effekt-Positionssensoren sind berührungslose Geräte, die eine hohe Zuverlässigkeit und schnelle Erfassung bieten und über einen weiten Temperaturbereich funktionieren. Sie werden in zahlreichen Anwendungen in den Bereichen Verbraucherelektronik, Industrie, Automobil und Medizin eingesetzt.
Es gibt zwei grundlegende Arten von Glasfasersensoren. Bei intrinsischen Glasfasersensoren dient die Glasfaser als Sensorelement. Bei externen Glasfasersensoren wird die Glasfaser mit einer anderen Sensortechnologie kombiniert, um das Signal zur Verarbeitung an entfernte Elektronik weiterzuleiten. Bei intrinsischen Glasfaserpositionsmessungen kann die Zeitverzögerung mit einem Gerät wie einem optischen Zeitbereichsreflektometer bestimmt werden. Die Wellenlängenverschiebung kann mit einem Instrument berechnet werden, das ein optisches Frequenzbereichsreflektometer implementiert. Glasfasersensoren sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, können für den Betrieb bei hohen Temperaturen ausgelegt werden und sind nichtleitend, sodass sie in der Nähe von Hochdruck- oder brennbaren Materialien eingesetzt werden können.
Ein weiterer faseroptischer Sensor auf Basis der Faser-Bragg-Gitter-Technologie (FBG) kann ebenfalls zur Positionsmessung eingesetzt werden. Das FBG fungiert als Sperrfilter und reflektiert bei Beleuchtung mit Breitbandlicht einen kleinen Teil des Lichts, das auf die Bragg-Wellenlänge (λB) zentriert ist. Es wird mit in den Faserkern geätzten Mikrostrukturen hergestellt. Mit FBGs können verschiedene Parameter wie Temperatur, Dehnung, Druck, Neigung, Verschiebung, Beschleunigung und Last gemessen werden.
Es gibt zwei Arten von optischen Positionssensoren, auch optische Encoder genannt. Bei einem Typ wird Licht an einen Empfänger am anderen Ende des Sensors gesendet. Beim zweiten Typ wird das ausgesendete Lichtsignal vom überwachten Objekt reflektiert und zur Lichtquelle zurückgeführt. Je nach Sensordesign werden Änderungen der Lichteigenschaften wie Wellenlänge, Intensität, Phase oder Polarisation verwendet, um die Position eines Objekts zu bestimmen. Encoderbasierte optische Positionssensoren sind für lineare und rotierende Bewegungen erhältlich. Diese Sensoren lassen sich in drei Hauptkategorien unterteilen: transmissive optische Encoder, reflektive optische Encoder und interferometrische optische Encoder.
Ultraschall-Positionssensoren verwenden piezoelektrische Kristallwandler, um hochfrequente Ultraschallwellen auszusenden. Der Sensor misst den reflektierten Schall. Ultraschallsensoren können als einfache Näherungssensoren verwendet werden, komplexere Ausführungen können aber auch Entfernungsinformationen liefern. Ultraschall-Positionssensoren arbeiten mit Zielobjekten aus einer Vielzahl von Materialien und mit unterschiedlichen Oberflächenmerkmalen und können kleine Objekte in größerer Entfernung erkennen als viele andere Arten von Positionssensoren. Sie sind resistent gegen Vibrationen, Umgebungsgeräusche, Infrarotstrahlung und elektromagnetische Störungen. Beispiele für Anwendungen von Ultraschall-Positionssensoren sind die Erkennung von Flüssigkeitsständen, das Hochgeschwindigkeitszählen von Objekten, Roboternavigationssysteme und die Fahrzeugsensorik. Ein typischer Ultraschallsensor im Automobil besteht aus einem Kunststoffgehäuse, einem piezoelektrischen Wandler mit zusätzlicher Membran und einer Leiterplatte mit elektronischen Schaltungen und Mikrocontrollern zum Senden, Empfangen und Verarbeiten von Signalen (Abbildung 5).
Positionssensoren können die absolute oder relative lineare, Dreh- und Winkelbewegung von Objekten messen. Positionssensoren können die Bewegung von Geräten wie Aktuatoren oder Motoren messen. Sie werden auch in mobilen Plattformen wie Robotern und Autos verwendet. In Positionssensoren werden verschiedene Technologien mit unterschiedlichen Kombinationen aus Umweltbeständigkeit, Kosten, Genauigkeit, Wiederholbarkeit und anderen Eigenschaften verwendet.
3D-Magnetpositionssensoren, Allegro Microsystems. Analyse und Verbesserung der Sicherheit von Ultraschallsensoren für autonome Fahrzeuge, IEEE Internet of Things Journal. So wählen Sie einen Positionssensor aus, Cambridge Integrated Circuits. Positionssensortypen, Ixthus Instrumentation. Was ist ein induktiver Positionssensor?, Keyence. Was ist magnetostriktive Positionserfassung?, AMETEK.
Durchsuchen Sie die neuesten Ausgaben von Design World und ältere Ausgaben in einem benutzerfreundlichen, hochwertigen Format. Bearbeiten, teilen und laden Sie noch heute mit dem führenden Design-Engineering-Magazin herunter.
Das weltweit führende EE-Forum zur Problemlösung mit den Themen Mikrocontroller, DSP, Netzwerke, analoges und digitales Design, HF, Leistungselektronik, PCB-Routing und mehr
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Alle Rechte vorbehalten. Das Material auf dieser Website darf ohne vorherige schriftliche Genehmigung von WTWH Media nicht reproduziert, verbreitet, übertragen, zwischengespeichert oder anderweitig verwendet werden. Datenschutzrichtlinie | Werbung | Über uns