Dalle catene di trasmissione robotizzate ai nastri trasportatori nelle operazioni della catena di approvvigionamento, fino all'oscillazione delle torri delle turbine eoliche, il rilevamento della posizione è una funzione critica in un'ampia gamma di applicazioni. Può assumere diverse forme, tra cui sensori lineari, rotativi, angolari, assoluti, incrementali, a contatto e senza contatto. Sono stati sviluppati sensori specializzati in grado di determinare la posizione in tre dimensioni. Le tecnologie di rilevamento della posizione includono sensori potenziometrici, induttivi, a correnti parassite, capacitivi, magnetostrittivi, ad effetto Hall, a fibra ottica, ottici e a ultrasuoni.
Questa sezione FAQ fornisce una breve introduzione alle varie forme di rilevamento della posizione, per poi passare in rassegna una serie di tecnologie tra cui i progettisti possono scegliere quando implementano una soluzione di rilevamento della posizione.
I sensori di posizione potenziometrici sono dispositivi basati sulla resistenza che combinano una pista resistiva fissa con un cursore attaccato all'oggetto di cui si deve rilevare la posizione. Il movimento dell'oggetto sposta il cursore lungo la pista. La posizione dell'oggetto viene misurata utilizzando una rete di partitori di tensione formata da piste e cursori per misurare il movimento lineare o rotatorio con una tensione continua fissa (Figura 1). I sensori potenziometrici sono economici, ma generalmente presentano bassa precisione e ripetibilità.
I sensori di posizione induttivi utilizzano le variazioni delle proprietà del campo magnetico indotto nella bobina del sensore. A seconda della loro architettura, possono misurare posizioni lineari o rotazionali. I sensori di posizione a trasformatore differenziale lineare variabile (LVDT) utilizzano tre bobine avvolte attorno a un tubo cavo: una bobina primaria e due bobine secondarie. Le bobine sono collegate in serie e la relazione di fase della bobina secondaria è sfasata di 180° rispetto alla bobina primaria. Un nucleo ferromagnetico, chiamato armatura, è posizionato all'interno del tubo e collegato all'oggetto nel punto da misurare. Una tensione di eccitazione viene applicata alla bobina primaria e una forza elettromotrice (FEM) viene indotta nella bobina secondaria. Misurando la differenza di potenziale tra le bobine secondarie, è possibile determinare la posizione relativa dell'armatura rispetto all'oggetto a cui è collegata. Un trasformatore differenziale di tensione rotante (RVDT) utilizza la stessa tecnica per tracciare la posizione di rotazione. I sensori LVDT e RVDT offrono buona precisione, linearità, risoluzione ed elevata sensibilità. Sono privi di attrito e possono essere sigillati per l'uso in ambienti difficili.
I sensori di posizione a correnti parassite funzionano con oggetti conduttivi. Le correnti parassite sono correnti indotte che si verificano nei materiali conduttivi in ​​presenza di un campo magnetico variabile. Queste correnti fluiscono in un circuito chiuso e generano un campo magnetico secondario. I sensori a correnti parassite sono costituiti da bobine e circuiti di linearizzazione. La corrente alternata alimenta la bobina per creare il campo magnetico primario. Quando un oggetto si avvicina o si allontana dalla bobina, la sua posizione può essere rilevata utilizzando l'interazione del campo secondario prodotto dalle correnti parassite, che influenza l'impedenza della bobina. Man mano che l'oggetto si avvicina alla bobina, le perdite per correnti parassite aumentano e la tensione oscillante diminuisce (Figura 2). La tensione oscillante viene raddrizzata ed elaborata da un circuito di linearizzazione per produrre un'uscita CC lineare proporzionale alla distanza dell'oggetto.
I dispositivi a correnti parassite sono dispositivi robusti e senza contatto, tipicamente utilizzati come sensori di prossimità. Sono omnidirezionali e possono determinare la distanza relativa dall'oggetto, ma non la direzione o la distanza assoluta dall'oggetto.
Come suggerisce il nome, i sensori di posizione capacitivi misurano le variazioni di capacità per determinare la posizione dell'oggetto rilevato. Questi sensori senza contatto possono essere utilizzati per misurare la posizione lineare o rotazionale. Sono costituiti da due piastre separate da un materiale dielettrico e utilizzano uno dei due metodi per rilevare la posizione di un oggetto:
Per provocare una variazione della costante dielettrica, l'oggetto di cui si deve rilevare la posizione viene fissato al materiale dielettrico. Quando il materiale dielettrico si muove, la costante dielettrica effettiva del condensatore cambia a causa della combinazione dell'area del materiale dielettrico e della costante dielettrica dell'aria. In alternativa, l'oggetto può essere collegato a una delle armature del condensatore. Quando l'oggetto si muove, le armature si avvicinano o si allontanano e la variazione di capacità viene utilizzata per determinare la posizione relativa.
I sensori capacitivi possono misurare lo spostamento, la distanza, la posizione e lo spessore degli oggetti. Grazie all'elevata stabilità del segnale e alla risoluzione, i sensori di spostamento capacitivi sono utilizzati in ambienti di laboratorio e industriali. Ad esempio, vengono impiegati per misurare lo spessore dei film e le applicazioni di adesivi nei processi automatizzati. Nelle macchine industriali, sono utilizzati per monitorare lo spostamento e la posizione degli utensili.
La magnetostrizione è una proprietà dei materiali ferromagnetici che fa sì che il materiale cambi dimensione o forma quando viene applicato un campo magnetico. In un sensore di posizione magnetostrittivo, un magnete di posizione mobile è fissato all'oggetto da misurare. Esso è costituito da una guida d'onda composta da fili che trasportano impulsi di corrente, collegati a un sensore situato all'estremità della guida d'onda (Figura 3). Quando un impulso di corrente viene inviato lungo la guida d'onda, si crea un campo magnetico nel filo che interagisce con il campo magnetico assiale del magnete permanente (il magnete nel pistone del cilindro, Figura 3a). L'interazione del campo è causata dalla torsione (effetto Wiedemann), che sollecita il filo, producendo un impulso acustico che si propaga lungo la guida d'onda e viene rilevato da un sensore all'estremità della guida d'onda (Figura 3b). Misurando il tempo trascorso tra l'inizio dell'impulso di corrente e il rilevamento dell'impulso acustico, è possibile misurare la posizione relativa del magnete di posizione e quindi dell'oggetto (Figura 3c).
I sensori di posizione magnetostrittivi sono sensori senza contatto utilizzati per rilevare la posizione lineare. Le guide d'onda sono spesso alloggiate in tubi di acciaio inossidabile o alluminio, il che consente l'utilizzo di questi sensori in ambienti sporchi o umidi.
Quando un conduttore sottile e piatto viene posto in un campo magnetico, qualsiasi corrente che lo attraversa tende ad accumularsi su un lato del conduttore, creando una differenza di potenziale chiamata tensione di Hall. Se la corrente nel conduttore è costante, l'ampiezza della tensione di Hall rifletterà l'intensità del campo magnetico. In un sensore di posizione ad effetto Hall, l'oggetto è collegato a un magnete alloggiato nell'albero del sensore. Quando l'oggetto si muove, la posizione del magnete cambia rispetto all'elemento di Hall, con conseguente variazione della tensione di Hall. Misurando la tensione di Hall, è possibile determinare la posizione di un oggetto. Esistono sensori di posizione ad effetto Hall specializzati in grado di determinare la posizione in tre dimensioni (Figura 4). I sensori di posizione ad effetto Hall sono dispositivi senza contatto che offrono elevata affidabilità e rilevamento rapido, e funzionano in un ampio intervallo di temperature. Sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni di consumo, industriali, automobilistiche e mediche.
Esistono due tipi principali di sensori a fibra ottica. Nei sensori a fibra ottica intrinseci, la fibra stessa funge da elemento sensibile. Nei sensori a fibra ottica esterni, la fibra ottica viene combinata con un'altra tecnologia di rilevamento per trasmettere il segnale a un'elettronica remota per l'elaborazione. Nel caso di misurazioni di posizione intrinseche della fibra, è possibile utilizzare un dispositivo come un riflettometro ottico nel dominio del tempo per determinare il ritardo temporale. Lo spostamento di lunghezza d'onda può essere calcolato utilizzando uno strumento che implementa un riflettometro ottico nel dominio della frequenza. I sensori a fibra ottica sono immuni alle interferenze elettromagnetiche, possono essere progettati per funzionare ad alte temperature e sono non conduttivi, quindi possono essere utilizzati in prossimità di materiali ad alta pressione o infiammabili.
Un altro tipo di sensore a fibra ottica, basato sulla tecnologia del reticolo di Bragg in fibra (FBG), può essere utilizzato per la misurazione della posizione. L'FBG agisce come un filtro notch, riflettendo una piccola frazione della luce centrata sulla lunghezza d'onda di Bragg (λB) quando illuminato da luce a spettro ampio. Viene realizzato con microstrutture incise nel nucleo della fibra. Gli FBG possono essere utilizzati per misurare vari parametri come temperatura, deformazione, pressione, inclinazione, spostamento, accelerazione e carico.
Esistono due tipi di sensori di posizione ottici, noti anche come encoder ottici. Nel primo caso, la luce viene inviata a un ricevitore posto all'altra estremità del sensore. Nel secondo tipo, il segnale luminoso emesso viene riflesso dall'oggetto monitorato e rimandato alla sorgente luminosa. A seconda della progettazione del sensore, le variazioni delle proprietà della luce, come lunghezza d'onda, intensità, fase o polarizzazione, vengono utilizzate per determinare la posizione di un oggetto. I sensori di posizione ottici basati su encoder sono disponibili per il movimento lineare e rotatorio. Questi sensori si suddividono in tre categorie principali: encoder ottici trasmissivi, encoder ottici riflettenti ed encoder ottici interferometrici.
I sensori di posizione a ultrasuoni utilizzano trasduttori a cristallo piezoelettrico per emettere onde ultrasoniche ad alta frequenza. Il sensore misura il suono riflesso. I sensori a ultrasuoni possono essere utilizzati come semplici sensori di prossimità, oppure, in configurazioni più complesse, possono fornire informazioni sulla distanza. I sensori di posizione a ultrasuoni funzionano con oggetti target di diversi materiali e con diverse caratteristiche superficiali e possono rilevare piccoli oggetti a distanze maggiori rispetto a molti altri tipi di sensori di posizione. Sono resistenti alle vibrazioni, al rumore ambientale, alle radiazioni infrarosse e alle interferenze elettromagnetiche. Esempi di applicazioni che utilizzano sensori di posizione a ultrasuoni includono il rilevamento del livello dei liquidi, il conteggio ad alta velocità di oggetti, i sistemi di navigazione robotica e i sensori per autoveicoli. Un tipico sensore a ultrasuoni per autoveicoli è costituito da un alloggiamento in plastica, un trasduttore piezoelettrico con una membrana aggiuntiva e un circuito stampato con circuiti elettronici e microcontrollori per la trasmissione, la ricezione e l'elaborazione dei segnali (Figura 5).
I sensori di posizione possono misurare il movimento lineare, rotazionale e angolare, assoluto o relativo, degli oggetti. Possono misurare il movimento di dispositivi come attuatori o motori e sono utilizzati anche in piattaforme mobili come robot e automobili. Nei sensori di posizione vengono impiegate diverse tecnologie, con varie combinazioni di resistenza ambientale, costo, precisione, ripetibilità e altre caratteristiche.
Sensori di posizione magnetici 3D, Allegro MicrosystemsAnalisi e miglioramento della sicurezza dei sensori a ultrasuoni per veicoli autonomi, IEEE Internet of Things JournalCome selezionare un sensore di posizione, Cambridge Integrated CircuitsTipi di sensori di posizione, Ixthus InstrumentationCos'è un sensore di posizione induttivo?, KeyenceCos'è il rilevamento di posizione magnetostrittivo?, AMETEK
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