משרשראות הנעה רובוטיות ועד מסועים בפעולות שרשרת אספקה ​​ועד תנועת מגדלי טורבינות רוח, חישת מיקום היא פונקציה קריטית במגוון רחב של יישומים. היא יכולה ללבוש צורות רבות, כולל חיישנים ליניאריים, סיבוביים, זוויתיים, מוחלטים, מצטברים, מגע וללא מגע. פותחו חיישנים מיוחדים שיכולים לקבוע מיקום בשלושה ממדים. טכנולוגיות חישת מיקום כוללות פוטנציומטריות, אינדוקטיביות, זרמי מערבולת, קיבוליות, מגנטוסטריקטיביות, אפקט הול, סיבים אופטיים, אופטיות ואולטרסאונד.
שאלות נפוצות אלו מספקות מבוא קצר לצורות השונות של חישת מיקום, ולאחר מכן סוקרות מגוון טכנולוגיות שמעצבים יכולים לבחור מהן בעת ​​יישום פתרון חישת מיקום.
חיישני מיקום פוטנציומטריים הם התקנים מבוססי התנגדות המשלבים מסילה התנגדותית קבועה עם מגב המחובר לאובייקט שאת מיקומו יש לחוש. תנועת האובייקט מזיזה את המגבים לאורך המסילה. מיקום האובייקט נמדד באמצעות רשת חלוקת מתח שנוצרת על ידי מסילות ומגבים כדי למדוד תנועה ליניארית או סיבובית עם מתח DC קבוע (איור 1). חיישנים פוטנציומטריים הם זולים, אך בדרך כלל בעלי דיוק וחזרתיות נמוכים.
חיישני מיקום אינדוקטיביים מנצלים שינויים בתכונות השדה המגנטי המושרה בסליל החיישן. בהתאם לארכיטקטורה שלהם, הם יכולים למדוד מיקום ליניארי או סיבובי. חיישני מיקום שנאי דיפרנציאלי משתנה ליניארי (LVDT) משתמשים בשלושה סלילים העוטפים צינור חלול; סליל ראשוני ושני סלילים משניים. הסלילים מחוברים בטור, ויחס הפאזה של הסליל המשני הוא 180° מחוץ לפאזה ביחס לסליל הראשוני. ליבה פרומגנטית הנקראת ארמטורה ממוקמת בתוך הצינור ומחוברת לאובייקט במיקום הנמדד. מתח עירור מופעל על הסליל הראשוני וכוח אלקטרומגנטי (EMF) מושרה בסליל המשני. על ידי מדידת הפרש המתח בין הסלילים המשניים, ניתן לקבוע את המיקום היחסי של הארמטורה ואת מה שהוא מחובר אליו. שנאי דיפרנציאלי מתח מסתובב (RVDT) משתמש באותה טכניקה כדי לעקוב אחר מיקום מסתובב. חיישני LVDT ו-RVDT מציעים דיוק טוב, ליניאריות, רזולוציה ורגישות גבוהה. הם ללא חיכוך וניתן לאטום אותם לשימוש בסביבות קשות.
חיישני מיקום זרמי מערבולת פועלים עם עצמים מוליכים. זרמי מערבולת הם זרמים מושרים המתרחשים בחומרים מוליכים בנוכחות שדה מגנטי משתנה. זרמים אלה זורמים בלולאה סגורה ומייצרים שדה מגנטי משני. חיישני זרמי מערבולת מורכבים מסלילים ומעגלי לינאריזציה. הזרם החלופי מפעיל את הסליל כדי ליצור את השדה המגנטי הראשוני. כאשר עצם מתקרב או מתרחק מהסליל, ניתן לחוש את מיקומו באמצעות האינטראקציה של השדה המשני הנוצר על ידי זרמי מערבולת, מה שמשפיע על עכבת הסליל. ככל שהעצם מתקרב לסליל, הפסדי זרמי המערבולת גדלים ומתח התנודה קטן יותר (איור 2). מתח התנודה מיושר ומעובד על ידי מעגל לינאריזציה כדי לייצר פלט DC ליניארי ביחס למרחק העצם.
התקני זרמי מערבולת הם התקנים עמידים, ללא מגע, המשמשים בדרך כלל כחיישני קרבה. הם רב-כיווניים ויכולים לקבוע את המרחק היחסי לאובייקט, אך לא את הכיוון או המרחק המוחלט אליו.
כפי שהשם מרמז, חיישני מיקום קיבוליים מודדים שינויים בקיבול כדי לקבוע את מיקום האובייקט הנקלט. ניתן להשתמש בחיישנים ללא מגע אלה למדידת מיקום ליניארי או סיבובי. הם מורכבים משתי לוחות המופרדים על ידי חומר דיאלקטרי ומשתמשים באחת משתי שיטות כדי לזהות את מיקום האובייקט:
על מנת לגרום לשינוי בקבוע הדיאלקטרי, האובייקט שאת מיקומו יש לזהות מחובר לחומר הדיאלקטרי. כאשר החומר הדיאלקטרי נע, הקבוע הדיאלקטרי האפקטיבי של הקבל משתנה עקב שילוב של שטח החומר הדיאלקטרי והקבוע הדיאלקטרי של האוויר. לחלופין, ניתן לחבר את האובייקט לאחת מלוחות הקבל. כאשר האובייקט נע, הלוחות מתקרבים או מתרחקים, והשינוי בקיבול משמש לקביעת המיקום היחסי.
חיישנים קיבוליים יכולים למדוד תזוזה, מרחק, מיקום ועובי של עצמים. בשל יציבות האות הגבוהה והרזולוציה שלהם, חיישני תזוזה קיבוליים משמשים בסביבות מעבדה ותעשייה. לדוגמה, חיישנים קיבוליים משמשים למדידת עובי שכבה ויישומי דבק בתהליכים אוטומטיים. במכונות תעשייתיות, הם משמשים לניטור תזוזה ומיקום כלים.
מגנטוסטריקציה היא תכונה של חומרים פרומגנטיים הגורמת לחומר לשנות את גודלו או צורתו כאשר מופעל שדה מגנטי. בחיישן מיקום מגנטוסטריקציב, מגנט מיקום נייד מחובר לאובייקט הנמדד. הוא מורכב ממוליך גל המורכב מחוטים הנושאים פולסי זרם, המחוברים לחיישן הממוקם בקצה מוליך הגל (איור 3). כאשר פולס זרם נשלח לאורך מוליך הגל, נוצר שדה מגנטי בחוט שמקיים אינטראקציה עם השדה המגנטי הצירי של המגנט הקבוע (המגנט בבוכנת הצילינדר, איור 3א). האינטראקציה בין השדה נגרמת על ידי פיתול (אפקט ויידמן), אשר מותח את החוט, ויוצר פולס אקוסטי המתפשט לאורך מוליך הגל ומזוהה על ידי חיישן בקצה מוליך הגל (איור 3ב). על ידי מדידת הזמן שחלף בין תחילת פולס הזרם לגילוי פולס האקוסטי, ניתן למדוד את המיקום היחסי של מגנט המיקום ולכן את האובייקט (איור 3ג).
חיישני מיקום מגנטוסטריקטיביים הם חיישנים ללא מגע המשמשים לגילוי מיקום ליניארי. מוליכי גל שוכנים לרוב בצינורות נירוסטה או אלומיניום, מה שמאפשר שימוש בחיישנים אלה בסביבות מלוכלכות או רטובות.
כאשר מוליך דק ושטוח ממוקם בשדה מגנטי, כל זרם הזורם נוטה להצטבר בצד אחד של המוליך, ויוצר הפרש פוטנציאלים הנקרא מתח הול. אם הזרם במוליך קבוע, גודל מתח ההול ישקף את עוצמת השדה המגנטי. בחיישן מיקום אפקט הול, האובייקט מחובר למגנט הממוקם בציר החיישן. כאשר האובייקט נע, מיקום המגנט משתנה יחסית לאלמנט ההול, וכתוצאה מכך מתח הול משתנה. על ידי מדידת מתח ההול, ניתן לקבוע את מיקום האובייקט. ישנם חיישני מיקום אפקט הול מיוחדים שיכולים לקבוע מיקום בשלושה ממדים (איור 4). חיישני מיקום אפקט הול הם התקנים ללא מגע המספקים אמינות גבוהה וחישה מהירה, ופועלים על פני טווח טמפרטורות רחב. הם משמשים במגוון יישומים צרכניים, תעשייתיים, רכביים ורפואיים.
ישנם שני סוגים בסיסיים של חיישני סיבים אופטיים. בחיישני סיבים אופטיים פנימיים, הסיבים משמשים כאלמנט חישה. בחיישני סיבים אופטיים חיצוניים, הסיבים האופטיים משולבים עם טכנולוגיית חיישנים נוספת כדי להעביר את האות לאלקטרוניקה מרוחקת לעיבוד. במקרה של מדידות מיקום סיבים פנימיים, ניתן להשתמש במכשיר כגון רפלקטומטר אופטי בתחום הזמן כדי לקבוע את השהיית הזמן. ניתן לחשב את הסטת אורך הגל באמצעות מכשיר המיישם רפלקטומטר אופטי בתחום התדר. חיישני סיבים אופטיים חסינים מפני הפרעות אלקטרומגנטיות, ניתן לתכנן אותם לפעול בטמפרטורות גבוהות, והם אינם מוליכים, כך שניתן להשתמש בהם ליד חומרים בלחץ גבוה או דליקים.
חישה נוספת של סיבים אופטיים המבוססת על טכנולוגיית סריגי בראג (FBG) יכולה לשמש גם למדידת מיקום. ה-FBG פועל כמסנן חריצים, ומחזיר חלק קטן מהאור שבמרכזו אורך הגל בראג (λB) כאשר הוא מואר באור רחב טווח. הוא מיוצר עם מיקרו-מבנים חרוטים בליבת הסיב. ניתן להשתמש ב-FBGs למדידת פרמטרים שונים כגון טמפרטורה, מאמץ, לחץ, נטייה, תזוזה, תאוצה ועומס.
ישנם שני סוגים של חיישני מיקום אופטיים, המכונים גם מקודדים אופטיים. במקרה אחד, אור נשלח למקלט בקצה השני של החיישן. בסוג השני, אות האור הנפלט מוחזר על ידי האובייקט הנבדק ומוחזר למקור האור. בהתאם לתכנון החיישן, שינויים בתכונות האור, כגון אורך גל, עוצמה, פאזה או קיטוב, משמשים לקביעת מיקום האובייקט. חיישני מיקום אופטיים מבוססי מקודדים זמינים לתנועה ליניארית וסיבובית. חיישנים אלה מתחלקים לשלוש קטגוריות עיקריות; מקודדים אופטיים מעבירים, מקודדים אופטיים מחזירי אור ומקודדים אופטיים אינטרפרומטריים.
חיישני מיקום אולטרסאונד משתמשים במתמרים פיזואלקטריים גבישיים כדי לפלוט גלי אולטרסאונד בתדר גבוה. החיישן מודד את הצליל המוחזר. ניתן להשתמש בחיישנים אולטרסאונד כחיישני קרבה פשוטים, או שעיצובים מורכבים יותר יכולים לספק מידע טווח. חיישני מיקום אולטרסאונד עובדים עם עצמים ממגוון חומרים ותכונות פני שטח, ויכולים לזהות עצמים קטנים במרחקים גדולים יותר מאשר סוגים רבים אחרים של חיישני מיקום. הם עמידים בפני רעידות, רעש סביבתי, קרינה אינפרא אדומה והפרעות אלקטרומגנטיות. דוגמאות ליישומים המשתמשים בחיישני מיקום אולטרסאונד כוללים גילוי מפלס נוזלים, ספירה במהירות גבוהה של עצמים, מערכות ניווט רובוטיות וחישה לרכב. חיישן אולטרסאונד טיפוסי לרכב מורכב ממעטפת פלסטיק, מתמר פיזואלקטרי עם ממברנה נוספת, ולוח מעגלים מודפס עם מעגלים אלקטרוניים ומיקרו-בקרים לשידור, קליטה ועיבוד אותות (איור 5).
חיישני מיקום יכולים למדוד תנועה ליניארית, סיבובית וזוויתית מוחלטת או יחסית של עצמים. חיישני מיקום יכולים למדוד את תנועתם של מכשירים כגון מפעילים או מנועים. הם משמשים גם בפלטפורמות ניידות כגון רובוטים ומכוניות. מגוון טכנולוגיות משמשות בחיישני מיקום עם שילובים שונים של עמידות סביבתית, עלות, דיוק, חזרתיות ותכונות אחרות.
חיישני מיקום מגנטיים תלת-ממדיים, Allegro Microsystemsניתוח ושיפור אבטחת חיישנים אולטרסאונדים עבור כלי רכב אוטונומיים, כתב העת Internet of Things של IEEE כיצד לבחור חיישן מיקום, מעגלים משולבים של קיימברידג'סוגי חיישני מיקום, Ixthus Instrumentationמהו חיישן מיקום אינדוקטיבי?, Keyence מהי חישת מיקום מגנטוסטריקטי?, AMETEK
עיינו בגיליונות האחרונים של Design World ובגיליונות קודמים בפורמט קל לשימוש ואיכותי. ערכו, שתפו והורידו עוד היום עם מגזין הנדסת העיצוב המוביל.
פורום EE המוביל בעולם לפתרון בעיות, המכסה מיקרו-בקרים, DSP, רשתות, תכנון אנלוגי ודיגיטלי, RF, אלקטרוניקת הספק, ניתוב PCB ועוד.
זכויות יוצרים © 2022 WTWH Media LLC. כל הזכויות שמורות. אין לשכפל, להפיץ, לשדר, לאחסן במטמון או להשתמש בכל דרך אחרת בחומר באתר זה ללא אישור מראש ובכתב מ-WTWH Media. מדיניות פרטיות | פרסום | אודותינו