A robotikus hajtásláncoktól az ellátási láncban használt szállítószalagokon át a szélturbina-tornyok kilengéseig a helyzetérzékelés kritikus funkció számos alkalmazásban. Számos formát ölthet, beleértve a lineáris, forgó, szög-, abszolút, inkrementális, érintés- és érintésmentes érzékelőket. Speciális érzékelőket fejlesztettek ki, amelyek három dimenzióban képesek meghatározni a pozíciót. A helyzetérzékelési technológiák közé tartoznak a potenciometrikus, induktív, örvényáramú, kapacitív, magnetostrikciós, Hall-effektusú, optikai, optikai és ultrahangos érzékelők.
Ez a GYIK rövid bevezetést nyújt a helyzetérzékelés különböző formáiba, majd áttekintést nyújt a technológiákról, amelyek közül a tervezők választhatnak egy helyzetérzékelési megoldás megvalósításakor.
A potenciometrikus helyzetérzékelők ellenálláson alapuló eszközök, amelyek egy rögzített ellenállásos pályát kombinálnak egy ablaktörlővel, amely az érzékelni kívánt tárgyhoz van rögzítve. A tárgy mozgása mozgatja az ablaktörlőket a pályán. A tárgy helyzetét egy feszültségosztó hálózattal mérik, amelyet sínek és ablaktörlők alkotnak, és rögzített egyenfeszültséggel mérik a lineáris vagy forgó mozgást (1. ábra). A potenciometrikus érzékelők olcsók, de általában alacsony a pontosságuk és az ismételhetőségük.
Az induktív helyzetérzékelők az érzékelőtekercsben indukált mágneses tér tulajdonságainak változásait használják ki. Felépítésüktől függően lineáris vagy forgó helyzetet mérhetnek. A lineáris változtatható differenciáltranszformátoros (LVDT) helyzetérzékelők három tekercset használnak egy üreges cső köré tekerve; egy primer tekercset és két szekunder tekercset. A tekercsek sorba vannak kötve, és a szekunder tekercs fázisviszonya 180°-os eltolódást mutat a primer tekercshez képest. Egy armatúrának nevezett ferromágneses magot helyeznek a csőbe, és a mért helyen lévő tárggyal csatlakoztatják. A primer tekercsre gerjesztőfeszültséget alkalmaznak, és elektromágneses erőt (EMF) indukálnak a szekunder tekercsben. A szekunder tekercsek közötti feszültségkülönbség mérésével meghatározható az armatúra és a hozzá kapcsolódó tárgy relatív helyzete. A forgófeszültség-differenciáltranszformátor (RVDT) ugyanazt a technikát alkalmazza a forgó helyzet nyomon követésére. Az LVDT és az RVDT érzékelők jó pontosságot, linearitást, felbontást és nagy érzékenységet kínálnak. Súrlódásmentesek és zord környezetben való használatra lezárhatók.
Az örvényáramú helyzetérzékelők vezető tárgyakkal működnek. Az örvényáramok olyan indukált áramok, amelyek vezető anyagokban változó mágneses tér jelenlétében keletkeznek. Ezek az áramok zárt körben áramlanak, és másodlagos mágneses teret generálnak. Az örvényáramú érzékelők tekercsekből és linearizáló áramkörökből állnak. A váltakozó áram gerjeszti a tekercset, hogy létrehozza az elsődleges mágneses teret. Amikor egy tárgy közeledik a tekercshez vagy távolodik tőle, a helyzete az örvényáramok által létrehozott másodlagos tér kölcsönhatásával érzékelhető, ami befolyásolja a tekercs impedanciáját. Ahogy a tárgy közelebb kerül a tekercshez, az örvényáram-veszteségek nőnek, és az oszcilláló feszültség kisebb lesz (2. ábra). Az oszcilláló feszültséget egy linearizáló áramkör egyenirányítja és feldolgozza, hogy lineáris egyenáramú kimenetet hozzon létre, amely arányos a tárgy távolságával.
Az örvényáramú eszközök robusztus, érintésmentes eszközök, amelyeket jellemzően közelségérzékelőként használnak. Minden irányba mutatnak, és meg tudják határozni a tárgytól való relatív távolságot, de nem tudják meghatározni a tárgy irányát vagy abszolút távolságát.
Ahogy a neve is sugallja, a kapacitív helyzetérzékelők a kapacitás változásait mérik az érzékelt tárgy helyzetének meghatározásához. Ezek az érintésmentes érzékelők lineáris vagy forgási pozíció mérésére használhatók. Két lemezből állnak, amelyeket dielektromos anyag választ el egymástól, és két módszer egyikét használják egy tárgy helyzetének érzékelésére:
A dielektromos állandó változásának előidézése érdekében a mérni kívánt tárgyat a dielektromos anyaghoz rögzítik. Ahogy a dielektromos anyag mozog, a kondenzátor effektív dielektromos állandója a dielektromos anyag területének és a levegő dielektromos állandójának kombinációja miatt változik. Alternatív megoldásként a tárgy a kondenzátorlemezek egyikéhez is csatlakoztatható. Ahogy a tárgy mozog, a lemezek közelebb vagy távolabb mozdulnak el, és a kapacitásváltozás alapján határozzák meg a relatív helyzetet.
A kapacitív érzékelők képesek mérni a tárgyak elmozdulását, távolságát, helyzetét és vastagságát. Nagy jelstabilitásuknak és felbontásuknak köszönhetően a kapacitív elmozdulásérzékelőket laboratóriumi és ipari környezetben használják. Például a kapacitív érzékelőket filmvastagság és ragasztóalkalmazások mérésére használják automatizált folyamatokban. Ipari gépekben az elmozdulás és a szerszám helyzetének monitorozására használják őket.
A magnetostrikció a ferromágneses anyagok azon tulajdonsága, amely mágneses tér hatására az anyag méretének vagy alakjának megváltozását okozza. Egy magnetostrikciós helyzetérzékelőben egy mozgatható helyzetmágnes van rögzítve a mért tárgyhoz. Ez egy hullámvezetőből áll, amely áramimpulzusokat hordozó vezetékekből áll, és a hullámvezető végén található érzékelőhöz csatlakozik (3. ábra). Amikor egy áramimpulzust küldenek a hullámvezetőbe, mágneses mező jön létre a vezetékben, amely kölcsönhatásba lép az állandó mágnes (a hengerdugattyúban lévő mágnes, 3a. ábra) axiális mágneses mezőjével. A mező kölcsönhatását a csavarodás okozza (a Wiedemann-effektus), amely megfeszíti a vezetéket, és egy akusztikus impulzust hoz létre, amely a hullámvezető mentén terjed, és amelyet a hullámvezető végén található érzékelő érzékel (3b. ábra). Az áramimpulzus kezdete és az akusztikus impulzus érzékelése között eltelt idő mérésével megmérhető a helyzetmágnes, és így a tárgy relatív helyzete (3c. ábra).
A magnetostrikciós helyzetérzékelők érintésmentes érzékelők, amelyeket lineáris pozíció érzékelésére használnak. A hullámvezetők gyakran rozsdamentes acél vagy alumínium csövekben vannak elhelyezve, így ezek az érzékelők szennyezett vagy nedves környezetben is használhatók.
Amikor egy vékony, lapos vezetőt mágneses mezőbe helyezünk, az átfolyó áram a vezető egyik oldalán hajlamos felhalmozódni, ami egy Hall-feszültségnek nevezett potenciálkülönbséget hoz létre. Ha a vezetőben folyó áram állandó, a Hall-feszültség nagysága tükrözi a mágneses mező erősségét. A Hall-effektusú helyzetérzékelőben a tárgy egy, az érzékelő tengelyében elhelyezett mágneshez van csatlakoztatva. Ahogy a tárgy mozog, a mágnes helyzete megváltozik a Hall-elemhez képest, ami változó Hall-feszültséget eredményez. A Hall-feszültség mérésével meghatározható egy tárgy helyzete. Léteznek speciális Hall-effektusú helyzetérzékelők, amelyek három dimenzióban képesek meghatározni a pozíciót (4. ábra). A Hall-effektusú helyzetérzékelők érintésmentes eszközök, amelyek nagy megbízhatóságot és gyors érzékelést biztosítanak, és széles hőmérsékleti tartományban működnek. Számos fogyasztói, ipari, autóipari és orvosi alkalmazásban használják őket.
A száloptikai érzékelőknek két alapvető típusa van. A belső száloptikai érzékelőkben a szálat érzékelő elemként használják. A külső száloptikai érzékelőkben a száloptikát egy másik érzékelőtechnológiával kombinálják, hogy a jelet a távoli elektronikához továbbítsák feldolgozás céljából. Belső szálpozíciómérések esetén egy olyan eszköz, mint egy optikai időtartományú reflektométer, használható az időeltolódás meghatározására. A hullámhossz-eltolódás kiszámítható egy olyan műszerrel, amely egy optikai frekvenciatartományú reflektométert valósít meg. A száloptikai érzékelők immunisak az elektromágneses interferenciára, magas hőmérsékleten is működhetnek, és nem vezetőképesek, így nagy nyomású vagy gyúlékony anyagok közelében is használhatók.
Egy másik, a száloptikai Bragg-rács (FBG) technológián alapuló érzékelő is használható pozícióméréshez. Az FBG bevágásszűrőként működik, amely széles spektrumú fénnyel megvilágítva a Bragg-hullámhosszon (λB) középre eső fény kis részét visszaveri. A szálmagba maratott mikrostruktúrákkal készül. Az FBG-k különböző paraméterek, például hőmérséklet, feszültség, nyomás, dőlés, elmozdulás, gyorsulás és terhelés mérésére használhatók.
Kétféle optikai helyzetérzékelő létezik, más néven optikai kódolók. Az egyik esetben a fényt az érzékelő másik végén lévő vevőhöz küldik. A második típusban a kibocsátott fényjelet a megfigyelt tárgy visszaveri, és visszaverődik a fényforrásba. Az érzékelő kialakításától függően a fénytulajdonságok, például a hullámhossz, az intenzitás, a fázis vagy a polarizáció változásait használják fel a tárgy helyzetének meghatározására. A kódoló alapú optikai helyzetérzékelők lineáris és forgó mozgáshoz kaphatók. Ezek az érzékelők három fő kategóriába sorolhatók: transzmissziós optikai kódolók, reflektív optikai kódolók és interferometrikus optikai kódolók.
Az ultrahangos helyzetérzékelők piezoelektromos kristályátalakítókat használnak nagyfrekvenciás ultrahangos hullámok kibocsátására. Az érzékelő a visszavert hangot méri. Az ultrahangos érzékelők egyszerű közelségérzékelőként használhatók, vagy összetettebb kialakításuk távolsági információkat is szolgáltathat. Az ultrahangos helyzetérzékelők különféle anyagokból és felületi tulajdonságokkal rendelkező céltárgyakkal dolgoznak, és kisebb tárgyakat is képesek érzékelni nagyobb távolságból, mint sok más típusú helyzetérzékelő. Ellenállnak a rezgésnek, a környezeti zajnak, az infravörös sugárzásnak és az elektromágneses interferenciának. Az ultrahangos helyzetérzékelőket használó alkalmazások például folyadékszint-érzékelésben, tárgyak nagy sebességű számlálásában, robotnavigációs rendszerekben és autóipari érzékelésben. Egy tipikus autóipari ultrahangos érzékelő egy műanyag házból, egy piezoelektromos átalakítóból egy további membránnal, valamint egy nyomtatott áramköri lapból áll, amely elektronikus áramköröket és mikrovezérlőket tartalmaz a jelek továbbítására, fogadására és feldolgozására (5. ábra).
A helyzetérzékelők képesek tárgyak abszolút vagy relatív lineáris, forgó és szögmozgását mérni. A helyzetérzékelők képesek olyan eszközök mozgását mérni, mint például aktuátorok vagy motorok. Mobil platformokban, például robotokban és autókban is használják őket. A helyzetérzékelőkben számos technológiát alkalmaznak, a környezeti tartósság, a költség, a pontosság, az ismételhetőség és egyéb tulajdonságok különböző kombinációival.
3D mágneses helyzetérzékelők, Allegro Microsystems Ultrahangos érzékelők elemzése és biztonságának javítása autonóm járművekhez, IEEE Internet of Things Journal Hogyan válasszunk helyzetérzékelőt, Cambridge Integrated Circuits Helyzetérzékelő típusok, Ixthus Instrumentation Mi az induktív helyzetérzékelő?, Keyence Mi a magnetostrikciós helyzetérzékelés?, AMETEK
Böngésszen a Design World legújabb és korábbi számai között egy könnyen használható, kiváló minőségű formátumban. Szerkessze, ossza meg és töltse le még ma a vezető tervezőmérnöki magazinnal.
A világ vezető problémamegoldó EE fóruma, amely mikrovezérlőket, DSP-t, hálózatépítést, analóg és digitális tervezést, rádiófrekvenciás jeleket, teljesítményelektronikát, NYÁK-útválasztást és sok mást fed le.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Minden jog fenntartva. A weboldalon található anyagok a WTWH Media előzetes írásbeli engedélye nélkül nem reprodukálhatók, terjeszthetők, továbbíthatók, gyorsítótárazhatók vagy más módon felhasználhatók. Adatvédelmi irányelvek | Hirdetés | Rólunk