रोबोटिक ड्राइव चेन से लेकर सप्लाई चेन संचालन में कन्वेयर बेल्ट तक और पवन टरबाइन टावरों के डगमगाने तक, स्थिति संवेदन विभिन्न अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण कार्य है। यह कई रूपों में हो सकता है, जिनमें रैखिक, घूर्णी, कोणीय, निरपेक्ष, वृद्धिशील, संपर्क और गैर-संपर्क सेंसर शामिल हैं। विशेष सेंसर विकसित किए गए हैं जो तीन आयामों में स्थिति का निर्धारण कर सकते हैं। स्थिति संवेदन प्रौद्योगिकियों में पोटेंशियोमेट्रिक, प्रेरक, एड़ी करंट, कैपेसिटिव, मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव, हॉल इफेक्ट, फाइबर ऑप्टिक, ऑप्टिकल और अल्ट्रासोनिक शामिल हैं।
यह अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ) स्थिति संवेदन के विभिन्न रूपों का संक्षिप्त परिचय प्रदान करता है, फिर उन तकनीकों की एक श्रृंखला की समीक्षा करता है जिन्हें डिजाइनर स्थिति संवेदन समाधान को लागू करते समय चुन सकते हैं।
पोटेंशियोमेट्रिक स्थिति संवेदक प्रतिरोध-आधारित उपकरण हैं जिनमें एक स्थिर प्रतिरोधक ट्रैक को उस वस्तु से जुड़े वाइपर के साथ संयोजित किया जाता है जिसकी स्थिति का पता लगाना होता है। वस्तु की गति से वाइपर ट्रैक पर चलता है। रेल और वाइपर द्वारा निर्मित वोल्टेज विभाजक नेटवर्क का उपयोग करके वस्तु की स्थिति को मापा जाता है, जो एक स्थिर डीसी वोल्टेज के साथ रैखिक या घूर्णी गति को मापता है (चित्र 1)। पोटेंशियोमेट्रिक संवेदक कम लागत वाले होते हैं, लेकिन आमतौर पर इनकी सटीकता और दोहराव क्षमता कम होती है।
प्रेरक स्थिति संवेदक, संवेदक कुंडल में प्रेरित चुंबकीय क्षेत्र के गुणों में परिवर्तन का उपयोग करते हैं। अपनी संरचना के आधार पर, वे रेखीय या घूर्णी स्थितियों को माप सकते हैं। लीनियर वेरिएबल डिफरेंशियल ट्रांसफॉर्मर (LVDT) स्थिति संवेदकों में एक खोखली नली के चारों ओर लिपटी तीन कुंडलियाँ होती हैं; एक प्राथमिक कुंडल और दो द्वितीयक कुंडलियाँ। कुंडलियाँ श्रृंखला में जुड़ी होती हैं, और द्वितीयक कुंडल का कलाय संबंध प्राथमिक कुंडल के सापेक्ष 180° विपरीत कलाय होता है। आर्मेचर नामक एक फेरोमैग्नेटिक कोर नली के अंदर रखा जाता है और मापी जा रही वस्तु से जुड़ा होता है। प्राथमिक कुंडल पर एक उत्तेजना वोल्टेज लगाया जाता है और द्वितीयक कुंडल में एक विद्युत चुम्बकीय बल (EMF) प्रेरित होता है। द्वितीयक कुंडलियों के बीच वोल्टेज अंतर को मापकर, आर्मेचर और उससे जुड़ी वस्तु की सापेक्ष स्थिति निर्धारित की जा सकती है। रोटेटिंग वोल्टेज डिफरेंशियल ट्रांसफॉर्मर (RVDT) घूर्णी स्थिति को ट्रैक करने के लिए इसी तकनीक का उपयोग करता है। LVDT और RVDT संवेदक अच्छी सटीकता, रैखिकता, उच्च रिज़ॉल्यूशन और उच्च संवेदनशीलता प्रदान करते हैं। ये घर्षण रहित होते हैं और कठोर वातावरण में उपयोग के लिए सीलबंद किए जा सकते हैं।
एड़ी करंट पोजीशन सेंसर चालक वस्तुओं के साथ काम करते हैं। एड़ी करंट वे प्रेरित धाराएँ हैं जो बदलते चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में चालक पदार्थों में उत्पन्न होती हैं। ये धाराएँ एक बंद लूप में प्रवाहित होती हैं और एक द्वितीयक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं। एड़ी करंट सेंसर में कॉइल और लीनियराइजेशन सर्किट होते हैं। प्रत्यावर्ती धारा कॉइल को ऊर्जा प्रदान करके प्राथमिक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है। जब कोई वस्तु कॉइल के पास आती है या उससे दूर जाती है, तो एड़ी करंट द्वारा उत्पन्न द्वितीयक क्षेत्र की परस्पर क्रिया का उपयोग करके उसकी स्थिति का पता लगाया जा सकता है, जो कॉइल के प्रतिबाधा को प्रभावित करता है। जैसे-जैसे वस्तु कॉइल के करीब आती है, एड़ी करंट हानि बढ़ जाती है और दोलनशील वोल्टेज कम हो जाता है (चित्र 2)। दोलनशील वोल्टेज को रेक्टिफाइड किया जाता है और एक लीनियराइजर सर्किट द्वारा संसाधित किया जाता है ताकि वस्तु की दूरी के समानुपाती एक रैखिक डीसी आउटपुट उत्पन्न हो सके।
एडी करंट डिवाइस मजबूत, गैर-संपर्क उपकरण होते हैं जिनका उपयोग आमतौर पर निकटता सेंसर के रूप में किया जाता है। ये सर्वदिशात्मक होते हैं और वस्तु की सापेक्ष दूरी निर्धारित कर सकते हैं, लेकिन वस्तु की दिशा या निरपेक्ष दूरी नहीं।
जैसा कि नाम से पता चलता है, कैपेसिटिव पोजीशन सेंसर किसी वस्तु की स्थिति निर्धारित करने के लिए कैपेसिटेंस में होने वाले परिवर्तनों को मापते हैं। ये नॉन-कॉन्टैक्ट सेंसर रेखीय या घूर्णी स्थिति को मापने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं। इनमें एक डाइइलेक्ट्रिक पदार्थ द्वारा अलग की गई दो प्लेटें होती हैं और ये किसी वस्तु की स्थिति का पता लगाने के लिए दो विधियों में से एक का उपयोग करते हैं:
परावैद्युत स्थिरांक में परिवर्तन उत्पन्न करने के लिए, जिस वस्तु की स्थिति का पता लगाना है उसे परावैद्युत पदार्थ से जोड़ा जाता है। परावैद्युत पदार्थ की गति के कारण, परावैद्युत पदार्थ के क्षेत्रफल और वायु के परावैद्युत स्थिरांक के संयोजन से संधारित्र का प्रभावी परावैद्युत स्थिरांक बदल जाता है। वैकल्पिक रूप से, वस्तु को संधारित्र की किसी एक प्लेट से जोड़ा जा सकता है। वस्तु की गति के कारण, प्लेटें एक-दूसरे के करीब या दूर जाती हैं, और धारिता में परिवर्तन का उपयोग सापेक्ष स्थिति निर्धारित करने के लिए किया जाता है।
संधारित्र संवेदक वस्तुओं के विस्थापन, दूरी, स्थिति और मोटाई को माप सकते हैं। उच्च संकेत स्थिरता और रिज़ॉल्यूशन के कारण, संधारित्र विस्थापन संवेदकों का उपयोग प्रयोगशाला और औद्योगिक वातावरण में किया जाता है। उदाहरण के लिए, स्वचालित प्रक्रियाओं में फिल्म की मोटाई और चिपकने वाले अनुप्रयोगों को मापने के लिए संधारित्र संवेदकों का उपयोग किया जाता है। औद्योगिक मशीनों में, इनका उपयोग विस्थापन और उपकरण की स्थिति की निगरानी के लिए किया जाता है।
चुंबकी संकुचन (मैग्नेटोस्ट्रिक्शन) लौहचुंबकीय पदार्थों का एक गुण है जिसके कारण चुंबकीय क्षेत्र लगाने पर पदार्थ का आकार या आकृति बदल जाती है। एक चुंबकी संकुचन स्थिति संवेदक में, मापी जा रही वस्तु से एक चल स्थिति चुंबक जुड़ा होता है। इसमें तारों से बना एक तरंगमार्ग होता है जो धारा स्पंदों को ले जाता है, और यह तरंगमार्ग के अंत में स्थित एक संवेदक से जुड़ा होता है (चित्र 3)। जब तरंगमार्ग में एक धारा स्पंद भेजा जाता है, तो तार में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है जो स्थायी चुंबक (सिलेंडर पिस्टन में चुंबक, चित्र 3a) के अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करता है। यह क्षेत्र परस्पर क्रिया घुमाव (वीडेमैन प्रभाव) के कारण होती है, जो तार को तनाव देता है, जिससे एक ध्वनिक स्पंद उत्पन्न होता है जो तरंगमार्ग के अनुदिश प्रसारित होता है और तरंगमार्ग के अंत में स्थित संवेदक द्वारा पता लगाया जाता है (चित्र 3b)। धारा स्पंद के आरंभ और ध्वनिक स्पंद के पता लगाने के बीच के समय को मापकर, स्थिति चुंबक और इसलिए वस्तु की सापेक्ष स्थिति को मापा जा सकता है (चित्र 3c)।
मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव पोजीशन सेंसर रैखिक स्थिति का पता लगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले गैर-संपर्क सेंसर हैं। वेवगाइड अक्सर स्टेनलेस स्टील या एल्यूमीनियम ट्यूबों में स्थित होते हैं, जिससे इन सेंसरों को गंदे या गीले वातावरण में उपयोग किया जा सकता है।
जब किसी पतले, समतल चालक को चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो उसमें प्रवाहित होने वाली धारा चालक के एक तरफ जमा होने लगती है, जिससे एक विभवांतर उत्पन्न होता है जिसे हॉल वोल्टेज कहते हैं। यदि चालक में धारा स्थिर रहती है, तो हॉल वोल्टेज का परिमाण चुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता को दर्शाता है। हॉल-प्रभाव स्थिति संवेदक में, वस्तु को संवेदक शाफ्ट में लगे चुंबक से जोड़ा जाता है। जैसे-जैसे वस्तु गति करती है, हॉल तत्व के सापेक्ष चुंबक की स्थिति बदलती है, जिसके परिणामस्वरूप हॉल वोल्टेज में परिवर्तन होता है। हॉल वोल्टेज को मापकर वस्तु की स्थिति निर्धारित की जा सकती है। कुछ विशेष हॉल-प्रभाव स्थिति संवेदक होते हैं जो तीन आयामों में स्थिति निर्धारित कर सकते हैं (चित्र 4)। हॉल-प्रभाव स्थिति संवेदक गैर-संपर्क उपकरण होते हैं जो उच्च विश्वसनीयता और तीव्र संवेदन प्रदान करते हैं और तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में कार्य करते हैं। इनका उपयोग उपभोक्ता, औद्योगिक, ऑटोमोटिव और चिकित्सा अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जाता है।
फाइबर ऑप्टिक सेंसर दो मूल प्रकार के होते हैं। आंतरिक फाइबर ऑप्टिक सेंसर में, फाइबर का उपयोग संवेदन तत्व के रूप में किया जाता है। बाहरी फाइबर ऑप्टिक सेंसर में, फाइबर ऑप्टिक्स को किसी अन्य सेंसर तकनीक के साथ संयोजित किया जाता है ताकि सिग्नल को प्रसंस्करण के लिए दूरस्थ इलेक्ट्रॉनिक्स तक पहुंचाया जा सके। आंतरिक फाइबर स्थिति मापन के मामले में, ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टोमीटर जैसे उपकरण का उपयोग समय विलंब निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। तरंगदैर्ध्य परिवर्तन की गणना ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्टोमीटर का उपयोग करके की जा सकती है। फाइबर ऑप्टिक सेंसर विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप से अप्रभावित होते हैं, उच्च तापमान पर कार्य करने के लिए डिज़ाइन किए जा सकते हैं, और गैर-चालक होते हैं, इसलिए इनका उपयोग उच्च दबाव या ज्वलनशील पदार्थों के पास किया जा सकता है।
स्थिति मापन के लिए फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (FBG) तकनीक पर आधारित एक अन्य फाइबर-ऑप्टिक संवेदन विधि का भी उपयोग किया जा सकता है। FBG एक नॉच फिल्टर के रूप में कार्य करता है, जो व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश से प्रकाशित होने पर ब्रैग तरंगदैर्ध्य (λB) पर केंद्रित प्रकाश के एक छोटे से अंश को परावर्तित करता है। इसका निर्माण फाइबर कोर में उत्कीर्ण सूक्ष्म संरचनाओं के माध्यम से किया जाता है। FBG का उपयोग तापमान, तनाव, दबाव, झुकाव, विस्थापन, त्वरण और भार जैसे विभिन्न मापदंडों को मापने के लिए किया जा सकता है।
ऑप्टिकल पोजीशन सेंसर, जिन्हें ऑप्टिकल एनकोडर भी कहा जाता है, दो प्रकार के होते हैं। एक प्रकार में, प्रकाश सेंसर के दूसरे सिरे पर स्थित रिसीवर को भेजा जाता है। दूसरे प्रकार में, उत्सर्जित प्रकाश संकेत मॉनिटर की जा रही वस्तु से परावर्तित होकर प्रकाश स्रोत पर वापस लौटता है। सेंसर के डिज़ाइन के आधार पर, प्रकाश के गुणों में परिवर्तन, जैसे तरंगदैर्ध्य, तीव्रता, चरण या ध्रुवीकरण, का उपयोग वस्तु की स्थिति निर्धारित करने के लिए किया जाता है। एनकोडर-आधारित ऑप्टिकल पोजीशन सेंसर रैखिक और घूर्णी गति के लिए उपलब्ध हैं। ये सेंसर तीन मुख्य श्रेणियों में आते हैं: पारगम्य ऑप्टिकल एनकोडर, परावर्तक ऑप्टिकल एनकोडर और इंटरफेरोमेट्रिक ऑप्टिकल एनकोडर।
अल्ट्रासोनिक स्थिति संवेदक उच्च आवृत्ति वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्सर्जित करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल ट्रांसड्यूसर का उपयोग करते हैं। संवेदक परावर्तित ध्वनि को मापता है। अल्ट्रासोनिक संवेदकों का उपयोग सरल निकटता संवेदकों के रूप में किया जा सकता है, या अधिक जटिल डिज़ाइन रेंजिंग जानकारी प्रदान कर सकते हैं। अल्ट्रासोनिक स्थिति संवेदक विभिन्न सामग्रियों और सतह विशेषताओं वाली लक्ष्य वस्तुओं के साथ काम करते हैं, और कई अन्य प्रकार के स्थिति संवेदकों की तुलना में अधिक दूरी पर छोटी वस्तुओं का पता लगा सकते हैं। ये कंपन, परिवेशी शोर, अवरक्त विकिरण और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के प्रति प्रतिरोधी होते हैं। अल्ट्रासोनिक स्थिति संवेदकों के उपयोग के अनुप्रयोगों के उदाहरणों में तरल स्तर का पता लगाना, वस्तुओं की उच्च गति गणना, रोबोटिक नेविगेशन सिस्टम और ऑटोमोटिव सेंसिंग शामिल हैं। एक विशिष्ट ऑटोमोटिव अल्ट्रासोनिक संवेदक में एक प्लास्टिक हाउसिंग, एक अतिरिक्त झिल्ली के साथ एक पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर, और संकेतों को संचारित करने, प्राप्त करने और संसाधित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक सर्किट और माइक्रोकंट्रोलर के साथ एक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड होता है (चित्र 5)।
स्थिति संवेदक वस्तुओं की निरपेक्ष या सापेक्ष रेखीय, घूर्णी और कोणीय गति को माप सकते हैं। ये संवेदक एक्चुएटर या मोटर जैसे उपकरणों की गति को भी माप सकते हैं। इनका उपयोग रोबोट और कारों जैसे मोबाइल प्लेटफार्मों में भी किया जाता है। पर्यावरणीय स्थायित्व, लागत, सटीकता, दोहराव और अन्य विशेषताओं के विभिन्न संयोजनों के साथ स्थिति संवेदकों में कई प्रकार की प्रौद्योगिकियों का उपयोग किया जाता है।
3डी चुंबकीय स्थिति संवेदक, एलेग्रो माइक्रोसिस्टम्स; स्वायत्त वाहनों के लिए अल्ट्रासोनिक संवेदकों की सुरक्षा का विश्लेषण और संवर्धन, आईईईई इंटरनेट ऑफ थिंग्स जर्नल; स्थिति संवेदक का चयन कैसे करें, कैम्ब्रिज इंटीग्रेटेड सर्किट्स; स्थिति संवेदक के प्रकार, आईएक्सथस इंस्ट्रूमेंटेशन; प्रेरक स्थिति संवेदक क्या है?, कीएन्स; चुंबकीय संकुचित स्थिति संवेदन क्या है?, एएमईटीईके
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