Od robotskih pogonskih lanaca do transportnih traka u operacijama opskrbnog lanca do njihanja tornjeva vjetroturbina, detekcija položaja ključna je funkcija u širokom rasponu primjena. Može imati mnogo oblika, uključujući linearne, rotacijske, kutne, apsolutne, inkrementalne, kontaktne i beskontaktne senzore. Razvijeni su specijalizirani senzori koji mogu odrediti položaj u tri dimenzije. Tehnologije detekcije položaja uključuju potenciometrijske, induktivne, vrtložne struje, kapacitivne, magnetostriktivne, Hallov efekt, optičke vlakna, optičke i ultrazvučne senzore.
Ova često postavljana pitanja pružaju kratak uvod u različite oblike detekcije položaja, a zatim pregledavaju niz tehnologija koje dizajneri mogu odabrati prilikom implementacije rješenja za detekciju položaja.
Potenciometrijski senzori položaja su uređaji temeljeni na otporu koji kombiniraju fiksnu otpornu stazu s brisačem pričvršćenim na objekt čiji položaj treba osjetiti. Kretanje objekta pomiče brisače duž staze. Položaj objekta mjeri se pomoću mreže razdjelnika napona koju tvore tračnice i brisači za mjerenje linearnog ili rotacijskog gibanja s fiksnim istosmjernim naponom (Slika 1). Potenciometrijski senzori su jeftini, ali općenito imaju nisku točnost i ponovljivost.
Induktivni senzori položaja koriste promjene u svojstvima magnetskog polja induciranog u zavojnici senzora. Ovisno o njihovoj arhitekturi, mogu mjeriti linearni ili rotacijski položaj. Senzori položaja s linearnim varijabilnim diferencijalnim transformatorom (LVDT) koriste tri zavojnice omotane oko šuplje cijevi; primarnu zavojnicu i dvije sekundarne zavojnice. Zavojnice su spojene serijski, a fazni odnos sekundarne zavojnice je 180° izvan faze u odnosu na primarnu zavojnicu. Feromagnetska jezgra nazvana armatura smještena je unutar cijevi i spojena na objekt na mjestu koje se mjeri. Na primarnu zavojnicu primjenjuje se napon pobude, a u sekundarnoj zavojnici inducira se elektromagnetska sila (EMF). Mjerenjem razlike napona između sekundarnih zavojnica može se odrediti relativni položaj armature i na što je pričvršćena. Rotirajući diferencijalni transformator napona (RVDT) koristi istu tehniku ​​za praćenje rotirajućeg položaja. LVDT i RVDT senzori nude dobru točnost, linearnost, rezoluciju i visoku osjetljivost. Nemaju trenje i mogu se zatvoriti za upotrebu u teškim uvjetima.
Senzori položaja vrtložnih struja rade s vodljivim objektima. Vrtložne struje su inducirane struje koje se javljaju u vodljivim materijalima u prisutnosti promjenjivog magnetskog polja. Ove struje teku u zatvorenoj petlji i generiraju sekundarno magnetsko polje. Senzori vrtložnih struja sastoje se od zavojnica i linearizacijskih krugova. Izmjenična struja napaja zavojnicu kako bi stvorila primarno magnetsko polje. Kada se objekt približava ili udaljava od zavojnice, njegov položaj može se osjetiti interakcijom sekundarnog polja proizvedenog vrtložnim strujama, što utječe na impedanciju zavojnice. Kako se objekt približava zavojnici, gubici vrtložnih struja se povećavaju, a oscilacijski napon postaje manji (Slika 2). Oscilacijski napon se ispravlja i obrađuje linearizirajućim krugom kako bi se dobio linearni istosmjerni izlaz proporcionalan udaljenosti objekta.
Uređaji s vrtložnim strujama su robusni, beskontaktni uređaji koji se obično koriste kao senzori blizine. Oni su višesmjerni i mogu odrediti relativnu udaljenost do objekta, ali ne smjer ili apsolutnu udaljenost do objekta.
Kao što i samo ime govori, kapacitivni senzori položaja mjere promjene kapacitivnosti kako bi odredili položaj objekta koji se detektira. Ovi beskontaktni senzori mogu se koristiti za mjerenje linearnog ili rotacijskog položaja. Sastoje se od dvije ploče odvojene dielektričnim materijalom i koriste jednu od dvije metode za detekciju položaja objekta:
Kako bi se izazvala promjena dielektrične konstante, objekt čiji se položaj treba detektirati pričvršćuje se na dielektrični materijal. Kako se dielektrični materijal pomiče, efektivna dielektrična konstanta kondenzatora se mijenja zbog kombinacije površine dielektričnog materijala i dielektrične konstante zraka. Alternativno, objekt se može spojiti na jednu od ploča kondenzatora. Kako se objekt pomiče, ploče se približavaju ili udaljavaju, a promjena kapaciteta koristi se za određivanje relativnog položaja.
Kapacitivni senzori mogu mjeriti pomak, udaljenost, položaj i debljinu objekata. Zbog visoke stabilnosti i rezolucije signala, kapacitivni senzori pomaka koriste se u laboratorijskim i industrijskim okruženjima. Na primjer, kapacitivni senzori koriste se za mjerenje debljine filma i nanošenja ljepila u automatiziranim procesima. U industrijskim strojevima koriste se za praćenje pomaka i položaja alata.
Magnetostrikcija je svojstvo feromagnetskih materijala koje uzrokuje promjenu veličine ili oblika materijala kada se na njega primijeni magnetsko polje. U magnetostriktivnom senzoru položaja, pomični magnet položaja pričvršćen je na objekt koji se mjeri. Sastoji se od valovoda koji se sastoji od žica koje prenose strujne impulse, spojenih na senzor smješten na kraju valovoda (slika 3). Kada se strujni impuls pošalje niz valovod, u žici se stvara magnetsko polje koje interagira s aksijalnim magnetskim poljem permanentnog magneta (magnet u klipu cilindra, slika 3a). Interakcija polja uzrokovana je uvijanjem (Wiedemannov efekt), koje napreže žicu, stvarajući akustični impuls koji se širi duž valovoda i detektira ga senzor na kraju valovoda (slika 3b). Mjerenjem proteklog vremena između početka strujnog impulsa i detekcije akustičnog impulsa može se izmjeriti relativni položaj magneta položaja, a time i objekta (slika 3c).
Magnetostriktivni senzori položaja su beskontaktni senzori koji se koriste za detekciju linearnog položaja. Valovodi su često smješteni u cijevima od nehrđajućeg čelika ili aluminija, što omogućuje korištenje ovih senzora u prljavim ili vlažnim okruženjima.
Kada se tanki, ravni vodič postavi u magnetsko polje, svaka struja koja teče teži nakupljanju na jednoj strani vodiča, stvarajući potencijalnu razliku koja se naziva Hallov napon. Ako je struja u vodiču konstantna, veličina Hallovog napona odražavat će jakost magnetskog polja. U senzoru položaja s Hallovim efektom, objekt je spojen na magnet smješten u osovini senzora. Kako se objekt pomiče, položaj magneta se mijenja u odnosu na Hallov element, što rezultira promjenom Hallovog napona. Mjerenjem Hallovog napona može se odrediti položaj objekta. Postoje specijalizirani senzori položaja s Hallovim efektom koji mogu odrediti položaj u tri dimenzije (slika 4). Senzori položaja s Hallovim efektom su beskontaktni uređaji koji pružaju visoku pouzdanost i brzo očitavanje te rade u širokom temperaturnom rasponu. Koriste se u nizu potrošačkih, industrijskih, automobilskih i medicinskih primjena.
Postoje dvije osnovne vrste senzora s optičkim vlaknima. Kod intrinzičnih senzora s optičkim vlaknima, vlakno se koristi kao osjetilni element. Kod vanjskih senzora s optičkim vlaknima, optička vlakna se kombiniraju s drugom senzorskom tehnologijom za prijenos signala udaljenoj elektronici na obradu. U slučaju mjerenja položaja intrinzičnog vlakna, uređaj poput optičkog reflektometra u vremenskoj domeni može se koristiti za određivanje vremenskog kašnjenja. Pomak valne duljine može se izračunati pomoću instrumenta koji implementira optički reflektometar u frekvencijskoj domeni. Senzori s optičkim vlaknima imuni su na elektromagnetske smetnje, mogu se dizajnirati za rad na visokim temperaturama i nisu vodljivi, pa se mogu koristiti u blizini visokog tlaka ili zapaljivih materijala.
Za mjerenje položaja može se koristiti i drugi optički senzori temeljeni na tehnologiji Braggove rešetke (FBG). FBG djeluje kao zarezni filtar, reflektirajući mali dio svjetlosti centriran na Braggovoj valnoj duljini (λB) kada je osvijetljen svjetlom širokog spektra. Izrađen je s mikrostrukturama urezanim u jezgru vlakna. FBG-ovi se mogu koristiti za mjerenje različitih parametara kao što su temperatura, naprezanje, tlak, nagib, pomak, ubrzanje i opterećenje.
Postoje dvije vrste optičkih senzora položaja, poznatih i kao optički enkoderi. U jednom slučaju, svjetlost se šalje prijemniku na drugom kraju senzora. U drugom tipu, emitirani svjetlosni signal reflektira se od nadziranog objekta i vraća se izvoru svjetlosti. Ovisno o dizajnu senzora, promjene svojstava svjetlosti, poput valne duljine, intenziteta, faze ili polarizacije, koriste se za određivanje položaja objekta. Optički senzori položaja temeljeni na enkoderu dostupni su za linearno i rotacijsko gibanje. Ovi senzori spadaju u tri glavne kategorije; transmisivni optički enkoderi, reflektivni optički enkoderi i interferometrijski optički enkoderi.
Ultrazvučni senzori položaja koriste piezoelektrične kristalne pretvarače za emitiranje visokofrekventnih ultrazvučnih valova. Senzor mjeri reflektirani zvuk. Ultrazvučni senzori mogu se koristiti kao jednostavni senzori blizine ili složeniji dizajni mogu pružiti informacije o dometu. Ultrazvučni senzori položaja rade s ciljnim objektima od različitih materijala i površinskih značajki te mogu detektirati male objekte na većim udaljenostima od mnogih drugih vrsta senzora položaja. Otporni su na vibracije, ambijentalnu buku, infracrveno zračenje i elektromagnetske smetnje. Primjeri primjena koje koriste ultrazvučne senzore položaja uključuju detekciju razine tekućine, brzo brojanje objekata, robotske navigacijske sustave i automobilske senzore. Tipični automobilski ultrazvučni senzor sastoji se od plastičnog kućišta, piezoelektričnog pretvarača s dodatnom membranom i tiskane ploče s elektroničkim sklopovima i mikrokontrolerima za prijenos, primanje i obradu signala (slika 5).
Senzori položaja mogu mjeriti apsolutno ili relativno linearno, rotacijsko i kutno gibanje objekata. Senzori položaja mogu mjeriti kretanje uređaja poput aktuatora ili motora. Također se koriste u mobilnim platformama poput robota i automobila. U senzorima položaja koristi se niz tehnologija s različitim kombinacijama trajnosti u okolišu, cijene, točnosti, ponovljivosti i drugih atributa.
3D magnetski senzori položaja, Allegro MicrosystemsAnaliza i poboljšanje sigurnosti ultrazvučnih senzora za autonomna vozila, IEEE Internet of Things JournalKako odabrati senzor položaja, Cambridge Integrated CircuitsVrste senzora položaja, Ixthus InstrumentationŠto je induktivni senzor položaja?, KeyenceŠto je magnetostriktivno mjerenje položaja?, AMETEK
Pregledajte najnovija i prethodna izdanja časopisa Design World u jednostavnom, visokokvalitetnom formatu. Uredite, podijelite i preuzmite već danas uz vodeći časopis za inženjerski dizajn.
Vodeći svjetski forum za rješavanje problema u području elektroničke opreme koji pokriva mikrokontrolere, DSP, umrežavanje, analogni i digitalni dizajn, RF, energetsku elektroniku, usmjeravanje tiskanih pločica i još mnogo toga.
Autorska prava © 2022 WTWH Media LLC. Sva prava pridržana. Materijal na ovoj stranici ne smije se reproducirati, distribuirati, prenositi, pohranjivati ​​u predmemoriju ili na drugi način koristiti bez prethodnog pismenog dopuštenja WTWH Media. Pravila privatnosti | Oglašavanje | O nama