Desde cadeas de accionamento robóticas ata cintas transportadoras nas operacións da cadea de subministración e o balanceo das torres dos aeroxeradores, a detección de posición é unha función crítica nunha ampla gama de aplicacións. Pode adoptar moitas formas, incluíndo sensores lineais, rotatorios, angulares, absolutos, incrementais, de contacto e sen contacto. Desenvolvéronse sensores especializados que poden determinar a posición en tres dimensións. As tecnoloxías de detección de posición inclúen potenciométricos, indutivos, de correntes de Foucault, capacitivos, magnetoestrictivos, de efecto Hall, de fibra óptica, ópticos e ultrasónicos.
Estas preguntas frecuentes ofrecen unha breve introdución ás distintas formas de detección de posición e, a continuación, revisan unha gama de tecnoloxías que os deseñadores poden escoller ao implementar unha solución de detección de posición.
Os sensores de posición potenciométricos son dispositivos baseados en resistencia que combinan unha pista resistiva fixa cun limpaparabrisas unido ao obxecto cuxa posición se debe detectar. O movemento do obxecto move os limpaparabrisas ao longo da pista. A posición do obxecto mídese mediante unha rede divisora ​​de tensión formada por raís e limpaparabrisas para medir o movemento lineal ou de rotación cunha tensión continua fixa (Figura 1). Os sensores potenciométricos son de baixo custo, pero xeralmente teñen pouca precisión e repetibilidade.
Os sensores de posición indutivos utilizan cambios nas propiedades do campo magnético inducido na bobina do sensor. Dependendo da súa arquitectura, poden medir a posición lineal ou rotacional. Os sensores de posición do transformador diferencial variable lineal (LVDT) usan tres bobinas envoltas arredor dun tubo oco; unha bobina primaria e dúas bobinas secundarias. As bobinas están conectadas en serie e a relación de fase da bobina secundaria está 180° desfasada con respecto á bobina primaria. Un núcleo ferromagnético chamado armadura colócase dentro do tubo e conéctase ao obxecto na localización que se está a medir. Aplícase unha tensión de excitación á bobina primaria e indúcese unha forza electromagnética (EMF) na bobina secundaria. Ao medir a diferenza de tensión entre as bobinas secundarias, pódese determinar a posición relativa da armadura e a que está conectada. Un transformador diferencial de tensión rotatorio (RVDT) usa a mesma técnica para rastrexar a posición rotatoria. Os sensores LVDT e RVDT ofrecen boa precisión, linealidade, resolución e alta sensibilidade. Non teñen fricción e pódense selar para o seu uso en ambientes agresivos.
Os sensores de posición por correntes de Foucault funcionan con obxectos condutores. As correntes de Foucault son correntes inducidas que se producen en materiais condutores en presenza dun campo magnético cambiante. Estas correntes flúen nun circuíto pechado e xeran un campo magnético secundario. Os sensores de correntes de Foucault constan de bobinas e circuítos de linealización. A corrente alterna energiza a bobina para crear o campo magnético primario. Cando un obxecto se achega ou se afasta da bobina, a súa posición pódese detectar mediante a interacción do campo secundario producido polas correntes de Foucault, o que afecta á impedancia da bobina. A medida que o obxecto se achega á bobina, as perdas por correntes de Foucault aumentan e a tensión oscilante faise máis pequena (Figura 2). A tensión oscilante rectificase e procésase mediante un circuíto linealizador para producir unha saída de CC lineal proporcional á distancia do obxecto.
Os dispositivos de correntes parásitas son dispositivos robustos e sen contacto que se usan normalmente como sensores de proximidade. Son omnidireccionais e poden determinar a distancia relativa ao obxecto, pero non a dirección nin a distancia absoluta ao obxecto.
Como o nome indica, os sensores de posición capacitivos miden os cambios na capacitancia para determinar a posición do obxecto que se detecta. Estes sensores sen contacto pódense usar para medir a posición lineal ou rotacional. Constan de dúas placas separadas por un material dieléctrico e usan un de dous métodos para detectar a posición dun obxecto:
Para provocar un cambio na constante dieléctrica, o obxecto cuxa posición se vai detectar únese ao material dieléctrico. A medida que o material dieléctrico se move, a constante dieléctrica efectiva do condensador cambia debido á combinación da área do material dieléctrico e a constante dieléctrica do aire. Alternativamente, o obxecto pódese conectar a unha das placas do condensador. A medida que o obxecto se move, as placas se achegan ou se afastan, e o cambio na capacitancia utilízase para determinar a posición relativa.
Os sensores capacitivos poden medir o desprazamento, a distancia, a posición e o grosor dos obxectos. Debido á súa alta estabilidade de sinal e resolución, os sensores de desprazamento capacitivos úsanse en entornos de laboratorio e industriais. Por exemplo, os sensores capacitivos úsanse para medir o grosor da película e as aplicacións de adhesivos en procesos automatizados. Nas máquinas industriais, úsanse para monitorizar o desprazamento e a posición da ferramenta.
A magnetostrición é unha propiedade dos materiais ferromagnéticos que fai que o material cambie o seu tamaño ou forma cando se lle aplica un campo magnético. Nun sensor de posición magnetostritivo, un imán de posición móbil está conectado ao obxecto que se está a medir. Consiste nunha guía de ondas formada por fíos que transportan pulsos de corrente, conectados a un sensor situado no extremo da guía de ondas (Figura 3). Cando se envía un pulso de corrente pola guía de ondas, créase un campo magnético no fío que interactúa co campo magnético axial do imán permanente (o imán no pistón do cilindro, Figura 3a). A interacción do campo está causada pola torsión (o efecto Wiedemann), que tensa o fío, producindo un pulso acústico que se propaga ao longo da guía de ondas e é detectado por un sensor no extremo da guía de ondas (Fig. 3b). Ao medir o tempo transcorrido entre o inicio do pulso de corrente e a detección do pulso acústico, pódese medir a posición relativa do imán de posición e, polo tanto, do obxecto (Fig. 3c).
Os sensores de posición magnetoestrictivos son sensores sen contacto que se empregan para detectar a posición lineal. As guías de onda adoitan estar aloxadas en tubos de aceiro inoxidable ou aluminio, o que permite que estes sensores se utilicen en ambientes sucios ou húmidos.
Cando se coloca un condutor delgado e plano nun campo magnético, calquera corrente que flúa tende a acumularse nun lado do condutor, creando unha diferenza de potencial chamada tensión Hall. Se a corrente no condutor é constante, a magnitude da tensión Hall reflectirá a intensidade do campo magnético. Nun sensor de posición de efecto Hall, o obxecto está conectado a un imán aloxado no eixe do sensor. A medida que o obxecto se move, a posición do imán cambia en relación co elemento Hall, o que resulta nunha tensión Hall cambiante. Ao medir a tensión Hall, pódese determinar a posición dun obxecto. Existen sensores de posición de efecto Hall especializados que poden determinar a posición en tres dimensións (Figura 4). Os sensores de posición de efecto Hall son dispositivos sen contacto que proporcionan unha alta fiabilidade e unha detección rápida, e funcionan nun amplo rango de temperatura. Úsanse nunha ampla gama de aplicacións de consumo, industriais, automotrices e médicas.
Hai dous tipos básicos de sensores de fibra óptica. Nos sensores de fibra óptica intrínsecos, a fibra úsase como elemento sensor. Nos sensores de fibra óptica externos, a fibra óptica combínase con outra tecnoloxía de sensores para transmitir o sinal a electrónica remota para o seu procesamento. No caso das medicións de posición intrínsecas da fibra, pódese usar un dispositivo como un reflectómetro óptico no dominio do tempo para determinar o retardo de tempo. O cambio de lonxitude de onda pódese calcular usando un instrumento que implementa un reflectómetro óptico no dominio da frecuencia. Os sensores de fibra óptica son inmunes ás interferencias electromagnéticas, poden deseñarse para funcionar a altas temperaturas e non son condutores, polo que se poden usar preto de materiais inflamables ou de alta presión.
Outro sensor de fibra óptica baseado na tecnoloxía de reixa de Bragg (FBG) por fibra tamén se pode empregar para a medición da posición. O FBG actúa como un filtro de muesca, reflectindo unha pequena fracción da luz centrada na lonxitude de onda de Bragg (λB) cando se ilumina con luz de amplo espectro. Está fabricado con microestruturas gravadas no núcleo da fibra. Os FBG pódense usar para medir varios parámetros como a temperatura, a deformación, a presión, a inclinación, o desprazamento, a aceleración e a carga.
Existen dous tipos de sensores de posición ópticos, tamén coñecidos como codificadores ópticos. Nun caso, a luz envíase a un receptor no outro extremo do sensor. No segundo tipo, o sinal de luz emitido é reflectido polo obxecto monitorizado e devolto á fonte de luz. Dependendo do deseño do sensor, os cambios nas propiedades da luz, como a lonxitude de onda, a intensidade, a fase ou a polarización, utilízanse para determinar a posición dun obxecto. Hai sensores de posición ópticos baseados en codificadores dispoñibles para movemento lineal e rotatorio. Estes sensores divídense en tres categorías principais: codificadores ópticos transmisivos, codificadores ópticos reflexivos e codificadores ópticos interferométricos.
Os sensores de posición ultrasónicos empregan transdutores de cristal piezoeléctrico para emitir ondas ultrasónicas de alta frecuencia. O sensor mide o son reflectido. Os sensores ultrasónicos pódense usar como sensores de proximidade simples ou deseños máis complexos poden proporcionar información de alcance. Os sensores de posición ultrasónicos funcionan con obxectos obxectivo dunha variedade de materiais e características superficiais e poden detectar obxectos pequenos a distancias maiores que moitos outros tipos de sensores de posición. Son resistentes ás vibracións, ao ruído ambiental, á radiación infravermella e ás interferencias electromagnéticas. Algúns exemplos de aplicacións que empregan sensores de posición ultrasónicos inclúen a detección do nivel de líquido, a conta de obxectos a alta velocidade, os sistemas de navegación robótica e a detección de automóbiles. Un sensor ultrasónico automotriz típico consta dunha carcasa de plástico, un transdutor piezoeléctrico cunha membrana adicional e unha placa de circuíto impreso con circuítos electrónicos e microcontroladores para transmitir, recibir e procesar sinais (Figura 5).
Os sensores de posición poden medir o movemento lineal, rotacional e angular absoluto ou relativo dos obxectos. Os sensores de posición poden medir o movemento de dispositivos como actuadores ou motores. Tamén se usan en plataformas móbiles como robots e automóbiles. Nos sensores de posición utilízase unha variedade de tecnoloxías con varias combinacións de durabilidade ambiental, custo, precisión, repetibilidade e outros atributos.
Sensores de posición magnéticos 3D, Allegro MicrosystemsAnálise e mellora da seguridade dos sensores ultrasónicos para vehículos autónomos, IEEE Internet of Things JournalComo seleccionar un sensor de posición, Cambridge Integrated CircuitsTipos de sensores de posición, Ixthus InstrumentationQue é un sensor de posición indutivo?, KeyenceQue é a detección de posición magnetoestrictiva?, AMETEK
Explora os últimos números de Design World e os anteriores nun formato doado de usar e de alta calidade. Edita, comparte e descarga hoxe mesmo coa revista líder en enxeñaría de deseño.
O principal foro mundial de EE para a resolución de problemas que abrangue microcontroladores, DSP, redes, deseño analóxico e dixital, RF, electrónica de potencia, enrutamento de PCB e moito máis.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Todos os dereitos reservados. O material deste sitio non se pode reproducir, distribuír, transmitir, almacenar en caché nin usar doutro xeito sen a autorización previa por escrito de WTWH Media. Política de privacidade | Publicidade | Quen somos