Από τις ρομποτικές αλυσίδες κίνησης έως τους ιμάντες μεταφοράς στις λειτουργίες της εφοδιαστικής αλυσίδας και την ταλάντωση των πύργων ανεμογεννητριών, η ανίχνευση θέσης είναι μια κρίσιμη λειτουργία σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Μπορεί να λάβει πολλές μορφές, συμπεριλαμβανομένων γραμμικών, περιστροφικών, γωνιακών, απόλυτων, σταδιακών, αισθητήρων επαφής και μη επαφής. Έχουν αναπτυχθεί εξειδικευμένοι αισθητήρες που μπορούν να προσδιορίσουν τη θέση σε τρεις διαστάσεις. Οι τεχνολογίες ανίχνευσης θέσης περιλαμβάνουν ποτενσιομετρική, επαγωγική, δινορευμάτων, χωρητική, μαγνητοσυσταλτική, φαινομένου Hall, οπτικών ινών, οπτική και υπερηχητική.
Αυτές οι Συχνές Ερωτήσεις παρέχουν μια σύντομη εισαγωγή στις διάφορες μορφές ανίχνευσης θέσης και στη συνέχεια εξετάζουν μια σειρά τεχνολογιών από τις οποίες μπορούν να επιλέξουν οι σχεδιαστές κατά την εφαρμογή μιας λύσης ανίχνευσης θέσης.
Οι ποτενσιομετρικοί αισθητήρες θέσης είναι συσκευές που βασίζονται σε αντίσταση και συνδυάζουν μια σταθερή τροχιά αντίστασης με έναν υαλοκαθαριστήρα που είναι προσαρτημένος στο αντικείμενο του οποίου η θέση πρέπει να ανιχνευθεί. Η κίνηση του αντικειμένου μετακινεί τους υαλοκαθαριστήρες κατά μήκος της τροχιάς. Η θέση του αντικειμένου μετριέται χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο διαιρέτη τάσης που σχηματίζεται από ράγες και υαλοκαθαριστήρες για τη μέτρηση γραμμικής ή περιστροφικής κίνησης με σταθερή τάση DC (Σχήμα 1). Οι ποτενσιομετρικοί αισθητήρες είναι χαμηλού κόστους, αλλά γενικά έχουν χαμηλή ακρίβεια και επαναληψιμότητα.
Οι επαγωγικοί αισθητήρες θέσης χρησιμοποιούν αλλαγές στις ιδιότητες του μαγνητικού πεδίου που επάγεται στο πηνίο του αισθητήρα. Ανάλογα με την αρχιτεκτονική τους, μπορούν να μετρήσουν γραμμική ή περιστροφική θέση. Οι αισθητήρες θέσης γραμμικού μεταβλητού διαφορικού μετασχηματιστή (LVDT) χρησιμοποιούν τρία πηνία τυλιγμένα γύρω από έναν κοίλο σωλήνα: ένα πρωτεύον πηνίο και δύο δευτερεύοντα πηνία. Τα πηνία συνδέονται σε σειρά και η σχέση φάσης του δευτερεύοντος πηνίου είναι 180° εκτός φάσης σε σχέση με το πρωτεύον πηνίο. Ένας σιδηρομαγνητικός πυρήνας που ονομάζεται οπλισμός τοποθετείται μέσα στον σωλήνα και συνδέεται με το αντικείμενο στη θέση που μετράται. Μια τάση διέγερσης εφαρμόζεται στο πρωτεύον πηνίο και μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη (EMF) επάγεται στο δευτερεύον πηνίο. Μετρώντας τη διαφορά τάσης μεταξύ των δευτερευόντων πηνίων, μπορεί να προσδιοριστεί η σχετική θέση του οπλισμού και σε τι είναι συνδεδεμένος. Ένας περιστρεφόμενος διαφορικός μετασχηματιστής τάσης (RVDT) χρησιμοποιεί την ίδια τεχνική για την παρακολούθηση της περιστρεφόμενης θέσης. Οι αισθητήρες LVDT και RVDT προσφέρουν καλή ακρίβεια, γραμμικότητα, ανάλυση και υψηλή ευαισθησία. Είναι χωρίς τριβή και μπορούν να σφραγιστούν για χρήση σε σκληρά περιβάλλοντα.
Οι αισθητήρες θέσης δινορρευμάτων λειτουργούν με αγώγιμα αντικείμενα. Τα δινορρεύματα είναι επαγόμενα ρεύματα που εμφανίζονται σε αγώγιμα υλικά παρουσία ενός μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτά τα ρεύματα ρέουν σε κλειστό βρόχο και παράγουν ένα δευτερεύον μαγνητικό πεδίο. Οι αισθητήρες δινορρευμάτων αποτελούνται από πηνία και κυκλώματα γραμμικοποίησης. Το εναλλασσόμενο ρεύμα ενεργοποιεί το πηνίο για να δημιουργήσει το πρωτεύον μαγνητικό πεδίο. Όταν ένα αντικείμενο πλησιάζει ή απομακρύνεται από το πηνίο, η θέση του μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας την αλληλεπίδραση του δευτερεύοντος πεδίου που παράγεται από τα δινορρεύματα, το οποίο επηρεάζει την αντίσταση του πηνίου. Καθώς το αντικείμενο πλησιάζει στο πηνίο, οι απώλειες δινορρευμάτων αυξάνονται και η τάση ταλάντωσης μειώνεται (Σχήμα 2). Η τάση ταλάντωσης ανορθώνεται και υποβάλλεται σε επεξεργασία από ένα κύκλωμα γραμμικοποίησης για να παράγει μια γραμμική έξοδο DC ανάλογη με την απόσταση του αντικειμένου.
Οι συσκευές δινορευμάτων είναι ανθεκτικές, μη επικοινωνούσες συσκευές που χρησιμοποιούνται συνήθως ως αισθητήρες εγγύτητας. Είναι πανκατευθυντικές και μπορούν να προσδιορίσουν τη σχετική απόσταση από το αντικείμενο, αλλά όχι την κατεύθυνση ή την απόλυτη απόσταση από το αντικείμενο.
Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι χωρητικοί αισθητήρες θέσης μετρούν τις αλλαγές στην χωρητικότητα για να προσδιορίσουν τη θέση του αντικειμένου που ανιχνεύεται. Αυτοί οι αισθητήρες χωρίς επαφή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση γραμμικής ή περιστροφικής θέσης. Αποτελούνται από δύο πλάκες που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό υλικό και χρησιμοποιούν μία από τις δύο μεθόδους για την ανίχνευση της θέσης ενός αντικειμένου:
Για να προκληθεί μια αλλαγή στη διηλεκτρική σταθερά, το αντικείμενο του οποίου η θέση πρόκειται να ανιχνευθεί συνδέεται με το διηλεκτρικό υλικό. Καθώς το διηλεκτρικό υλικό κινείται, η ενεργός διηλεκτρική σταθερά του πυκνωτή αλλάζει λόγω του συνδυασμού της επιφάνειας του διηλεκτρικού υλικού και της διηλεκτρικής σταθεράς του αέρα. Εναλλακτικά, το αντικείμενο μπορεί να συνδεθεί σε μία από τις πλάκες του πυκνωτή. Καθώς το αντικείμενο κινείται, οι πλάκες κινούνται πιο κοντά ή πιο μακριά και η αλλαγή στην χωρητικότητα χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της σχετικής θέσης.
Οι χωρητικοί αισθητήρες μπορούν να μετρήσουν τη μετατόπιση, την απόσταση, τη θέση και το πάχος αντικειμένων. Λόγω της υψηλής σταθερότητας και ανάλυσης σήματος, οι χωρητικοί αισθητήρες μετατόπισης χρησιμοποιούνται σε εργαστηριακά και βιομηχανικά περιβάλλοντα. Για παράδειγμα, οι χωρητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του πάχους της μεμβράνης και των εφαρμογών κόλλας σε αυτοματοποιημένες διαδικασίες. Σε βιομηχανικά μηχανήματα, χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της μετατόπισης και της θέσης του εργαλείου.
Η μαγνητοσυστολή είναι μια ιδιότητα των σιδηρομαγνητικών υλικών που προκαλεί την αλλαγή του μεγέθους ή του σχήματος του υλικού όταν εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο. Σε έναν μαγνητοσυστολικό αισθητήρα θέσης, ένας κινητός μαγνήτης θέσης είναι προσαρτημένος στο αντικείμενο που μετράται. Αποτελείται από έναν κυματοδηγό που αποτελείται από σύρματα που φέρουν παλμούς ρεύματος, συνδεδεμένους με έναν αισθητήρα που βρίσκεται στο άκρο του κυματοδηγού (Σχήμα 3). Όταν ένας παλμός ρεύματος αποστέλλεται κατά μήκος του κυματοδηγού, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο στο σύρμα που αλληλεπιδρά με το αξονικό μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη (ο μαγνήτης στο έμβολο του κυλίνδρου, Σχήμα 3α). Η αλληλεπίδραση πεδίου προκαλείται από συστροφή (φαινόμενο Wiedemann), η οποία παραμορφώνει το σύρμα, παράγοντας έναν ακουστικό παλμό που διαδίδεται κατά μήκος του κυματοδηγού και ανιχνεύεται από έναν αισθητήρα στο άκρο του κυματοδηγού (Σχήμα 3β). Μετρώντας τον χρόνο που έχει παρέλθει μεταξύ της έναρξης του παλμού ρεύματος και της ανίχνευσης του ακουστικού παλμού, μπορεί να μετρηθεί η σχετική θέση του μαγνήτη θέσης και επομένως του αντικειμένου (Σχήμα 3γ).
Οι μαγνητοσυσταλτικοί αισθητήρες θέσης είναι αισθητήρες χωρίς επαφή που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση γραμμικής θέσης. Οι κυματοδηγοί συχνά στεγάζονται σε σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα ή αλουμίνιο, επιτρέποντας τη χρήση αυτών των αισθητήρων σε βρώμικα ή υγρά περιβάλλοντα.
Όταν ένας λεπτός, επίπεδος αγωγός τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο, οποιοδήποτε ρεύμα ρέει τείνει να συσσωρεύεται στη μία πλευρά του αγωγού, δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού που ονομάζεται τάση Hall. Εάν το ρεύμα στον αγωγό είναι σταθερό, το μέγεθος της τάσης Hall θα αντανακλά την ισχύ του μαγνητικού πεδίου. Σε έναν αισθητήρα θέσης φαινομένου Hall, το αντικείμενο συνδέεται με έναν μαγνήτη που βρίσκεται στον άξονα του αισθητήρα. Καθώς το αντικείμενο κινείται, η θέση του μαγνήτη αλλάζει σε σχέση με το στοιχείο Hall, με αποτέλεσμα μια μεταβαλλόμενη τάση Hall. Μετρώντας την τάση Hall, μπορεί να προσδιοριστεί η θέση ενός αντικειμένου. Υπάρχουν εξειδικευμένοι αισθητήρες θέσης φαινομένου Hall που μπορούν να προσδιορίσουν τη θέση σε τρεις διαστάσεις (Σχήμα 4). Οι αισθητήρες θέσης φαινομένου Hall είναι συσκευές χωρίς επαφή που παρέχουν υψηλή αξιοπιστία και γρήγορη ανίχνευση και λειτουργούν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Χρησιμοποιούνται σε μια σειρά καταναλωτικών, βιομηχανικών, αυτοκινητιστικών και ιατρικών εφαρμογών.
Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι αισθητήρων οπτικών ινών. Στους εγγενείς αισθητήρες οπτικών ινών, η ίνα χρησιμοποιείται ως στοιχείο ανίχνευσης. Στους εξωτερικούς αισθητήρες οπτικών ινών, οι οπτικές ίνες συνδυάζονται με μια άλλη τεχνολογία αισθητήρων για να αναμεταδίδουν το σήμα σε απομακρυσμένα ηλεκτρονικά για επεξεργασία. Στην περίπτωση μετρήσεων εγγενούς θέσης ινών, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια συσκευή όπως ένα οπτικό ανακλασόμετρο χρονικού πεδίου για τον προσδιορισμό της χρονικής καθυστέρησης. Η μετατόπιση μήκους κύματος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας ένα όργανο που εφαρμόζει ένα οπτικό ανακλασόμετρο φασματοσκοπίας. Οι αισθητήρες οπτικών ινών είναι άτρωτοι σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, μπορούν να σχεδιαστούν για να λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες και είναι μη αγώγιμοι, επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν κοντά σε υλικά υψηλής πίεσης ή εύφλεκτα υλικά.
Μια άλλη οπτική ίνα που βασίζεται στην τεχνολογία οπτικού πλέγματος Bragg (FBG) μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση θέσης. Το FBG λειτουργεί ως φίλτρο εγκοπής, αντανακλώντας ένα μικρό κλάσμα του φωτός που επικεντρώνεται στο μήκος κύματος Bragg (λB) όταν φωτίζεται από φως ευρέος φάσματος. Είναι κατασκευασμένο με μικροδομές χαραγμένες στον πυρήνα της ίνας. Τα FBG μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση διαφόρων παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η τάση, η πίεση, η κλίση, η μετατόπιση, η επιτάχυνση και το φορτίο.
Υπάρχουν δύο τύποι οπτικών αισθητήρων θέσης, γνωστοί και ως οπτικοί κωδικοποιητές. Στη μία περίπτωση, το φως αποστέλλεται σε έναν δέκτη στο άλλο άκρο του αισθητήρα. Στον δεύτερο τύπο, το εκπεμπόμενο φωτεινό σήμα ανακλάται από το παρακολουθούμενο αντικείμενο και επιστρέφει στην πηγή φωτός. Ανάλογα με τον σχεδιασμό του αισθητήρα, οι αλλαγές στις ιδιότητες του φωτός, όπως το μήκος κύματος, η ένταση, η φάση ή η πόλωση, χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της θέσης ενός αντικειμένου. Διατίθενται οπτικοί αισθητήρες θέσης που βασίζονται σε κωδικοποιητές για γραμμική και περιστροφική κίνηση. Αυτοί οι αισθητήρες εμπίπτουν σε τρεις κύριες κατηγορίες: μεταδοτικοί οπτικοί κωδικοποιητές, ανακλαστικοί οπτικοί κωδικοποιητές και συμβολομετρικοί οπτικοί κωδικοποιητές.
Οι υπερηχητικοί αισθητήρες θέσης χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικούς κρυσταλλικούς μετατροπείς για την εκπομπή υπερηχητικών κυμάτων υψηλής συχνότητας. Ο αισθητήρας μετρά τον ανακλώμενο ήχο. Οι υπερηχητικοί αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως απλοί αισθητήρες εγγύτητας ή πιο σύνθετα σχέδια μπορούν να παρέχουν πληροφορίες εύρους. Οι υπερηχητικοί αισθητήρες θέσης λειτουργούν με αντικείμενα-στόχους από μια ποικιλία υλικών και επιφανειακών χαρακτηριστικών και μπορούν να ανιχνεύσουν μικρά αντικείμενα σε μεγαλύτερες αποστάσεις από πολλούς άλλους τύπους αισθητήρων θέσης. Είναι ανθεκτικοί σε κραδασμούς, θόρυβο περιβάλλοντος, υπέρυθρη ακτινοβολία και ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Παραδείγματα εφαρμογών που χρησιμοποιούν υπερηχητικούς αισθητήρες θέσης περιλαμβάνουν την ανίχνευση στάθμης υγρού, την καταμέτρηση αντικειμένων υψηλής ταχύτητας, τα ρομποτικά συστήματα πλοήγησης και την ανίχνευση αυτοκινήτων. Ένας τυπικός υπερηχητικός αισθητήρας αυτοκινήτου αποτελείται από ένα πλαστικό περίβλημα, έναν πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα με μια πρόσθετη μεμβράνη και μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος με ηλεκτρονικά κυκλώματα και μικροελεγκτές για τη μετάδοση, λήψη και επεξεργασία σημάτων (Σχήμα 5).
Οι αισθητήρες θέσης μπορούν να μετρήσουν την απόλυτη ή σχετική γραμμική, περιστροφική και γωνιακή κίνηση αντικειμένων. Οι αισθητήρες θέσης μπορούν να μετρήσουν την κίνηση συσκευών όπως ενεργοποιητές ή κινητήρες. Χρησιμοποιούνται επίσης σε κινητές πλατφόρμες όπως ρομπότ και αυτοκίνητα. Μια ποικιλία τεχνολογιών χρησιμοποιείται στους αισθητήρες θέσης με διάφορους συνδυασμούς περιβαλλοντικής ανθεκτικότητας, κόστους, ακρίβειας, επαναληψιμότητας και άλλων χαρακτηριστικών.
Τρισδιάστατοι Μαγνητικοί Αισθητήρες Θέσης, Allegro MicrosystemsΑνάλυση και Βελτίωση της Ασφάλειας Υπερηχητικών Αισθητήρων για Αυτόνομα Οχήματα, IEEE Internet of Things Journal Πώς να επιλέξετε έναν αισθητήρα θέσης, Cambridge Integrated CircuitsΤύποι αισθητήρων θέσης, Ixthus InstrumentationΤι είναι ένας επαγωγικός αισθητήρας θέσης;, KeyenceΤι είναι η Μαγνητοσυσταλτική Ανίχνευση Θέσης;, AMETEK
Περιηγηθείτε στα τελευταία τεύχη του Design World και σε παλαιότερα τεύχη σε εύχρηστη μορφή υψηλής ποιότητας. Επεξεργαστείτε, μοιραστείτε και κατεβάστε τα σήμερα με το κορυφαίο περιοδικό μηχανικής σχεδιασμού.
Το κορυφαίο φόρουμ επίλυσης προβλημάτων EE στον κόσμο που καλύπτει μικροελεγκτές, DSP, δικτύωση, αναλογικό και ψηφιακό σχεδιασμό, RF, ηλεκτρονικά ισχύος, δρομολόγηση PCB και πολλά άλλα.
Πνευματικά δικαιώματα © 2022 WTWH Media LLC. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Απαγορεύεται η αναπαραγωγή, η διανομή, η μετάδοση, η προσωρινή αποθήκευση ή η χρήση του υλικού σε αυτόν τον ιστότοπο χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια της WTWH Media. Πολιτική Απορρήτου | Διαφήμιση | Σχετικά με εμάς