از زنجیرههای محرک رباتیک گرفته تا تسمههای نقاله در عملیات زنجیره تأمین و نوسان برجهای توربین بادی، حسگر موقعیت یک عملکرد حیاتی در طیف وسیعی از کاربردها است. این حسگر میتواند اشکال مختلفی از جمله حسگرهای خطی، چرخشی، زاویهای، مطلق، افزایشی، تماسی و غیرتماسی داشته باشد. حسگرهای تخصصی توسعه یافتهاند که میتوانند موقعیت را در سه بعد تعیین کنند. فناوریهای حسگر موقعیت شامل پتانسیومتری، القایی، جریان گردابی، خازنی، مغناطوتنگش، اثر هال، فیبر نوری، نوری و اولتراسونیک هستند.
این پرسشهای متداول مقدمهای مختصر بر اشکال مختلف حسگر موقعیت ارائه میدهد، سپس طیف وسیعی از فناوریهایی را که طراحان میتوانند هنگام پیادهسازی یک راهحل حسگر موقعیت از بین آنها انتخاب کنند، بررسی میکند.
حسگرهای موقعیت پتانسیومتری دستگاههایی مبتنی بر مقاومت هستند که یک مسیر مقاومتی ثابت را با یک پاککننده متصل به جسمی که موقعیت آن باید حس شود، ترکیب میکنند. حرکت جسم، پاککنندهها را در امتداد مسیر حرکت میدهد. موقعیت جسم با استفاده از یک شبکه تقسیم ولتاژ تشکیل شده توسط ریلها و پاککنندهها برای اندازهگیری حرکت خطی یا چرخشی با یک ولتاژ DC ثابت اندازهگیری میشود (شکل 1). حسگرهای پتانسیومتری کمهزینه هستند، اما عموماً دقت و تکرارپذیری کمی دارند.
سنسورهای موقعیت القایی از تغییرات در خواص میدان مغناطیسی القا شده در سیمپیچ سنسور استفاده میکنند. بسته به معماری آنها، میتوانند موقعیت خطی یا چرخشی را اندازهگیری کنند. سنسورهای موقعیت ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) از سه سیمپیچ پیچیده شده در اطراف یک لوله توخالی استفاده میکنند؛ یک سیمپیچ اولیه و دو سیمپیچ ثانویه. سیمپیچها به صورت سری متصل شدهاند و رابطه فاز سیمپیچ ثانویه نسبت به سیمپیچ اولیه ۱۸۰ درجه اختلاف فاز دارد. یک هسته فرومغناطیسی به نام آرمیچر در داخل لوله قرار میگیرد و به جسم در محل اندازهگیری متصل میشود. یک ولتاژ تحریک به سیمپیچ اولیه اعمال میشود و یک نیروی الکترومغناطیسی (EMF) در سیمپیچ ثانویه القا میشود. با اندازهگیری اختلاف ولتاژ بین سیمپیچهای ثانویه، میتوان موقعیت نسبی آرمیچر و آنچه به آن متصل است را تعیین کرد. یک ترانسفورماتور تفاضلی ولتاژ دوار (RVDT) از همین تکنیک برای ردیابی موقعیت چرخشی استفاده میکند. سنسورهای LVDT و RVDT دقت، خطی بودن، وضوح و حساسیت بالایی را ارائه میدهند. آنها بدون اصطکاک هستند و میتوانند برای استفاده در محیطهای سخت آببندی شوند.
حسگرهای موقعیت جریان گردابی با اجسام رسانا کار میکنند. جریانهای گردابی، جریانهای القایی هستند که در مواد رسانا در حضور میدان مغناطیسی متغیر رخ میدهند. این جریانها در یک حلقه بسته جریان مییابند و یک میدان مغناطیسی ثانویه تولید میکنند. حسگرهای جریان گردابی از سیمپیچها و مدارهای خطیسازی تشکیل شدهاند. جریان متناوب، سیمپیچ را برای ایجاد میدان مغناطیسی اولیه تحریک میکند. هنگامی که یک جسم به سیمپیچ نزدیک یا از آن دور میشود، میتوان موقعیت آن را با استفاده از برهمکنش میدان ثانویه تولید شده توسط جریانهای گردابی، که بر امپدانس سیمپیچ تأثیر میگذارد، حس کرد. با نزدیک شدن جسم به سیمپیچ، تلفات جریان گردابی افزایش مییابد و ولتاژ نوسانی کوچکتر میشود (شکل 2). ولتاژ نوسانی توسط یک مدار خطیساز یکسو و پردازش میشود تا یک خروجی DC خطی متناسب با فاصله جسم تولید کند.
دستگاههای جریان گردابی، دستگاههای مقاوم و غیرتماسی هستند که معمولاً به عنوان حسگرهای مجاورتی استفاده میشوند. آنها همه جهته هستند و میتوانند فاصله نسبی تا جسم را تعیین کنند، اما نمیتوانند جهت یا فاصله مطلق تا جسم را تعیین کنند.
همانطور که از نامشان پیداست، حسگرهای موقعیت خازنی تغییرات ظرفیت خازنی را برای تعیین موقعیت جسم مورد سنجش اندازهگیری میکنند. این حسگرهای غیرتماسی میتوانند برای اندازهگیری موقعیت خطی یا چرخشی استفاده شوند. آنها از دو صفحه تشکیل شدهاند که توسط یک ماده دیالکتریک از هم جدا شدهاند و از یکی از دو روش زیر برای تشخیص موقعیت جسم استفاده میکنند:
برای ایجاد تغییر در ثابت دیالکتریک، جسمی که موقعیت آن باید تشخیص داده شود به ماده دیالکتریک متصل میشود. با حرکت ماده دیالکتریک، ثابت دیالکتریک مؤثر خازن به دلیل ترکیب مساحت ماده دیالکتریک و ثابت دیالکتریک هوا تغییر میکند. همچنین، میتوان جسم را به یکی از صفحات خازن متصل کرد. با حرکت جسم، صفحات به هم نزدیکتر یا دورتر میشوند و تغییر در ظرفیت خازنی برای تعیین موقعیت نسبی استفاده میشود.
سنسورهای خازنی میتوانند جابجایی، فاصله، موقعیت و ضخامت اجسام را اندازهگیری کنند. به دلیل پایداری و وضوح بالای سیگنال، سنسورهای جابجایی خازنی در محیطهای آزمایشگاهی و صنعتی استفاده میشوند. به عنوان مثال، سنسورهای خازنی برای اندازهگیری ضخامت فیلم و کاربردهای چسب در فرآیندهای خودکار استفاده میشوند. در ماشینهای صنعتی، از آنها برای نظارت بر جابجایی و موقعیت ابزار استفاده میشود.
مگنتواستریکشن خاصیتی از مواد فرومغناطیسی است که باعث میشود هنگام اعمال میدان مغناطیسی، اندازه یا شکل ماده تغییر کند. در یک حسگر موقعیت مگنتواستریکتیو، یک آهنربای موقعیت متحرک به جسم مورد اندازهگیری متصل میشود. این حسگر شامل یک موجبر متشکل از سیمهایی است که پالسهای جریان را حمل میکنند و به یک حسگر واقع در انتهای موجبر متصل هستند (شکل 3). هنگامی که یک پالس جریان از موجبر عبور میکند، یک میدان مغناطیسی در سیم ایجاد میشود که با میدان مغناطیسی محوری آهنربای دائمی (آهنربا در پیستون سیلندر، شکل 3a) تعامل دارد. برهمکنش میدان توسط پیچش (اثر ویدمن) ایجاد میشود که سیم را تحت فشار قرار میدهد و یک پالس صوتی تولید میکند که در امتداد موجبر منتشر میشود و توسط یک حسگر در انتهای موجبر شناسایی میشود (شکل 3b). با اندازهگیری زمان سپری شده بین شروع پالس جریان و تشخیص پالس صوتی، میتوان موقعیت نسبی آهنربای موقعیت و در نتیجه جسم را اندازهگیری کرد (شکل 3c).
حسگرهای موقعیت مغناطیسی-انقباضی، حسگرهای غیرتماسی هستند که برای تشخیص موقعیت خطی استفاده میشوند. موجبرها اغلب در لولههای فولادی ضد زنگ یا آلومینیومی قرار میگیرند و این امر امکان استفاده از این حسگرها را در محیطهای کثیف یا مرطوب فراهم میکند.
وقتی یک رسانای نازک و تخت در یک میدان مغناطیسی قرار میگیرد، هر جریانی که از آن عبور میکند، تمایل دارد در یک طرف رسانا جمع شود و اختلاف پتانسیلی به نام ولتاژ هال ایجاد کند. اگر جریان در رسانا ثابت باشد، بزرگی ولتاژ هال، قدرت میدان مغناطیسی را منعکس میکند. در یک حسگر موقعیت اثر هال، جسم به یک آهنربا که در شفت حسگر قرار دارد متصل است. با حرکت جسم، موقعیت آهنربا نسبت به عنصر هال تغییر میکند و در نتیجه ولتاژ هال تغییر میکند. با اندازهگیری ولتاژ هال، میتوان موقعیت یک جسم را تعیین کرد. حسگرهای موقعیت اثر هال تخصصی وجود دارند که میتوانند موقعیت را در سه بعد تعیین کنند (شکل 4). حسگرهای موقعیت اثر هال دستگاههای غیرتماسی هستند که قابلیت اطمینان بالا و حس سریع را ارائه میدهند و در طیف وسیعی از دما کار میکنند. آنها در طیف وسیعی از کاربردهای مصرفی، صنعتی، خودرو و پزشکی استفاده میشوند.
دو نوع اساسی حسگر فیبر نوری وجود دارد. در حسگرهای فیبر نوری ذاتی، فیبر به عنوان عنصر حسگر استفاده میشود. در حسگرهای فیبر نوری خارجی، فیبر نوری با فناوری حسگر دیگری ترکیب میشود تا سیگنال را برای پردازش به دستگاههای الکترونیکی از راه دور منتقل کند. در مورد اندازهگیریهای موقعیت فیبر ذاتی، میتوان از دستگاهی مانند بازتابسنج حوزه زمان نوری برای تعیین تأخیر زمانی استفاده کرد. تغییر طول موج را میتوان با استفاده از ابزاری که بازتابسنج حوزه فرکانس نوری را پیادهسازی میکند، محاسبه کرد. حسگرهای فیبر نوری در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند، میتوانند برای کار در دماهای بالا طراحی شوند و نارسانا هستند، بنابراین میتوانند در نزدیکی مواد با فشار بالا یا قابل اشتعال استفاده شوند.
حسگر فیبر نوری دیگری که بر اساس فناوری توری براگ فیبری (FBG) ساخته شده است، میتواند برای اندازهگیری موقعیت نیز مورد استفاده قرار گیرد. توری براگ فیبری به عنوان یک فیلتر شکافی عمل میکند و هنگامی که توسط نور طیف گسترده روشن میشود، بخش کوچکی از نور متمرکز بر طول موج براگ (λB) را منعکس میکند. این توری با ریزساختارهایی که در هسته فیبر حک شدهاند، ساخته شده است. توریهای براگ فیبری میتوانند برای اندازهگیری پارامترهای مختلفی مانند دما، کرنش، فشار، شیب، جابجایی، شتاب و بار استفاده شوند.
دو نوع حسگر موقعیت نوری وجود دارد که به عنوان رمزگذار نوری نیز شناخته میشوند. در یک مورد، نور به گیرندهای در انتهای دیگر حسگر ارسال میشود. در نوع دوم، سیگنال نور ساطع شده توسط جسم تحت نظارت منعکس شده و به منبع نور بازگردانده میشود. بسته به طراحی حسگر، از تغییرات در خواص نور، مانند طول موج، شدت، فاز یا قطبش، برای تعیین موقعیت یک جسم استفاده میشود. حسگرهای موقعیت نوری مبتنی بر رمزگذار برای حرکت خطی و چرخشی در دسترس هستند. این حسگرها به سه دسته اصلی تقسیم میشوند: رمزگذارهای نوری انتقالی، رمزگذارهای نوری بازتابی و رمزگذارهای نوری تداخلسنجی.
حسگرهای موقعیت اولتراسونیک از مبدلهای کریستالی پیزوالکتریک برای انتشار امواج فراصوت با فرکانس بالا استفاده میکنند. این حسگر، صدای منعکسشده را اندازهگیری میکند. حسگرهای اولتراسونیک میتوانند به عنوان حسگرهای مجاورتی ساده استفاده شوند، یا طرحهای پیچیدهتر میتوانند اطلاعات مسافتیابی را ارائه دهند. حسگرهای موقعیت اولتراسونیک با اشیاء هدف از جنسها و ویژگیهای سطحی متنوع کار میکنند و میتوانند اشیاء کوچک را در فواصل دورتر از بسیاری از انواع دیگر حسگرهای موقعیت تشخیص دهند. آنها در برابر لرزش، نویز محیط، تابش مادون قرمز و تداخل الکترومغناطیسی مقاوم هستند. نمونههایی از کاربردهای استفاده از حسگرهای موقعیت اولتراسونیک شامل تشخیص سطح مایع، شمارش سریع اشیاء، سیستمهای ناوبری رباتیک و حسگرهای خودرو است. یک حسگر اولتراسونیک معمولی خودرو شامل یک محفظه پلاستیکی، یک مبدل پیزوالکتریک با یک غشای اضافی و یک برد مدار چاپی با مدارهای الکترونیکی و میکروکنترلرها برای انتقال، دریافت و پردازش سیگنالها است (شکل 5).
حسگرهای موقعیت میتوانند حرکت مطلق یا نسبی خطی، چرخشی و زاویهای اشیاء را اندازهگیری کنند. حسگرهای موقعیت میتوانند حرکت دستگاههایی مانند محرکها یا موتورها را اندازهگیری کنند. آنها همچنین در پلتفرمهای متحرک مانند رباتها و خودروها استفاده میشوند. فناوریهای متنوعی در حسگرهای موقعیت با ترکیبات مختلف دوام محیطی، هزینه، دقت، تکرارپذیری و سایر ویژگیها استفاده میشوند.
حسگرهای موقعیت مغناطیسی سهبعدی، Allegro Microsystemsتحلیل و افزایش امنیت حسگرهای اولتراسونیک برای وسایل نقلیه خودران، IEEE مجله اینترنت اشیا نحوه انتخاب حسگر موقعیت، مدارهای مجتمع کمبریجانواع حسگر موقعیت، Ixthus Instrumentationسنسور موقعیت القایی چیست؟، Keyenceحسگر موقعیت مغناطیسی-انقباضی چیست؟، AMETEK
جدیدترین شمارههای مجله Design World و شمارههای پیشین آن را در قالبی با کیفیت بالا و کاربری آسان مرور کنید. همین امروز با این مجله پیشرو در مهندسی طراحی، ویرایش، اشتراکگذاری و دانلود کنید.
برترین انجمن حل مسئله مهندسی برق در جهان که شامل میکروکنترلرها، DSP، شبکه، طراحی آنالوگ و دیجیتال، RF، الکترونیک قدرت، مسیریابی PCB و موارد دیگر میشود.
کپیرایت © 2022 WTWH Media LLC. تمامی حقوق محفوظ است. مطالب موجود در این سایت بدون اجازه کتبی قبلی WTWH Media قابل تکثیر، توزیع، انتقال، ذخیرهسازی یا استفاده در حافظه پنهان (cache) نیست. سیاست حفظ حریم خصوصی | تبلیغات | درباره ما
زمان ارسال: ۱۱ ژوئیه ۲۰۲۲
