No robotizētām piedziņas ķēdēm līdz konveijera lentēm piegādes ķēdes darbībās un vēja turbīnu torņu šūpošanās pozīcijas noteikšana ir kritiski svarīga funkcija plašā pielietojumu klāstā. Tai var būt dažādas formas, tostarp lineārie, rotācijas, leņķiskie, absolūtie, inkrementālie, kontakta un bezkontakta sensori. Ir izstrādāti specializēti sensori, kas var noteikt pozīciju trīs dimensijās. Pozīcijas noteikšanas tehnoloģijas ietver potenciometriskos, induktīvos, virpuļstrāvas, kapacitatīvos, magnetostriktīvos, Hola efekta, optiskās šķiedras, optiskos un ultraskaņas sensorus.
Šajā bieži uzdoto jautājumu sadaļā ir sniegts īss ievads par dažādiem pozīcijas noteikšanas veidiem, pēc tam ir apskatītas dažādas tehnoloģijas, no kurām dizaineri var izvēlēties, ieviešot pozīcijas noteikšanas risinājumu.
Potenciometriskie pozīcijas sensori ir uz pretestības balstītas ierīces, kas apvieno fiksētu pretestības sliedi ar tīrītāju, kas piestiprināts pie objekta, kura pozīcija ir jānosaka. Objekta kustība pārvieto tīrītājus pa sliedi. Objekta pozīciju mēra, izmantojot sprieguma dalītāja tīklu, ko veido sliedes un tīrītāji, lai mērītu lineāru vai rotācijas kustību ar fiksētu līdzstrāvas spriegumu (1. attēls). Potenciometriskie sensori ir lēti, taču tiem parasti ir zema precizitāte un atkārtojamība.
Induktīvie pozīcijas sensori izmanto sensora spolē inducētā magnētiskā lauka īpašību izmaiņas. Atkarībā no to arhitektūras tie var mērīt lineāru vai rotācijas pozīciju. Lineārie mainīgā diferenciālā transformatora (LVDT) pozīcijas sensori izmanto trīs spoles, kas aptītas ap dobu cauruli; primāro spoli un divas sekundārās spoles. Spoles ir savienotas virknē, un sekundārās spoles fāzes attiecība ir 180° nobīdīta no fāzes attiecībā pret primāro spoli. Caurules iekšpusē ir ievietots feromagnētisks kodols, ko sauc par armatūru, un tas ir savienots ar objektu mērāmajā vietā. Primārajai spolei tiek pielikts ierosmes spriegums, un sekundārajā spolē tiek inducēts elektromagnētiskais spēks (EML). Mērot sprieguma starpību starp sekundārajām spolēm, var noteikt armatūras relatīvo pozīciju un to, pie kā tā ir piestiprināta. Rotējošais sprieguma diferenciālais transformators (RVDT) izmanto to pašu metodi, lai izsekotu rotācijas pozīciju. LVDT un RVDT sensori piedāvā labu precizitāti, linearitāti, izšķirtspēju un augstu jutību. Tie ir bez berzes un tos var noslēgt lietošanai skarbos apstākļos.
Virpuļstrāvas pozīcijas sensori darbojas ar vadošiem objektiem. Virpuļstrāvas ir inducētas strāvas, kas rodas vadošos materiālos mainīga magnētiskā lauka klātbūtnē. Šīs strāvas plūst slēgtā cilpā un ģenerē sekundāro magnētisko lauku. Virpuļstrāvas sensori sastāv no spolēm un linearizācijas shēmām. Maiņstrāva aktivizē spoli, lai radītu primāro magnētisko lauku. Kad objekts tuvojas spolei vai attālinās no tās, tā pozīciju var noteikt, izmantojot virpuļstrāvu radītā sekundārā lauka mijiedarbību, kas ietekmē spoles impedanci. Objektam tuvojoties spolei, virpuļstrāvas zudumi palielinās un svārstību spriegums samazinās (2. attēls). Svārstību spriegumu izlīdzina un apstrādā linearizatora shēma, lai radītu lineāru līdzstrāvas izeju, kas ir proporcionāla objekta attālumam.
Virpuļstrāvas ierīces ir izturīgas, bezkontakta ierīces, ko parasti izmanto kā tuvuma sensorus. Tās ir visvirzienu un var noteikt relatīvo attālumu līdz objektam, bet ne virzienu vai absolūto attālumu līdz objektam.
Kā norāda nosaukums, kapacitatīvie pozīcijas sensori mēra kapacitātes izmaiņas, lai noteiktu uztveramā objekta pozīciju. Šos bezkontakta sensorus var izmantot lineāras vai rotācijas pozīcijas mērīšanai. Tie sastāv no divām plāksnēm, kas atdalītas ar dielektrisku materiālu, un objekta pozīcijas noteikšanai izmanto vienu no divām metodēm:
Lai mainītu dielektrisko konstanti, objekts, kura pozīcija ir jānosaka, tiek piestiprināts pie dielektriskā materiāla. Dielektriskajam materiālam pārvietojoties, kondensatora efektīvā dielektriskā konstante mainās dielektriskā materiāla laukuma un gaisa dielektriskās konstantes kombinācijas dēļ. Alternatīvi, objektu var savienot ar vienu no kondensatora plāksnēm. Objektam pārvietojoties, plāksnes pārvietojas tuvāk vai tālāk, un kapacitātes izmaiņas tiek izmantotas, lai noteiktu relatīvo pozīciju.
Kapacitatīvie sensori var izmērīt objektu pārvietojumu, attālumu, pozīciju un biezumu. Pateicoties to augstajai signāla stabilitātei un izšķirtspējai, kapacitatīvie pārvietojuma sensori tiek izmantoti laboratorijas un rūpniecības vidē. Piemēram, kapacitatīvie sensori tiek izmantoti plēves biezuma un līmes pielietojumu mērīšanai automatizētos procesos. Rūpnieciskajās iekārtās tos izmanto pārvietojuma un instrumenta pozīcijas uzraudzībai.
Magnetostrikcija ir feromagnētisku materiālu īpašība, kas izraisa materiāla izmēra vai formas maiņu, kad tam tiek pielikts magnētiskais lauks. Magnetostriktīvajā pozīcijas sensorā pie mērāmā objekta ir piestiprināts kustīgs pozīcijas magnēts. Tas sastāv no viļņvada, kas sastāv no vadiem, kuros plūst strāvas impulsi un kas ir savienoti ar sensoru, kas atrodas viļņvada galā (3. attēls). Kad strāvas impulss tiek nosūtīts pa viļņvadu, vadā tiek izveidots magnētiskais lauks, kas mijiedarbojas ar pastāvīgā magnēta (magnēts cilindra virzulī, 3.a attēls) aksiālo magnētisko lauku. Lauka mijiedarbību izraisa sagriešanās (Vīdemana efekts), kas sasprindzina vadu, radot akustisku impulsu, kas izplatās pa viļņvadu un ko uztver sensors viļņvada galā (3.b attēls). Izmērot pagājušo laiku starp strāvas impulsa sākšanu un akustiskā impulsa noteikšanu, var izmērīt pozīcijas magnēta un līdz ar to arī objekta relatīvo pozīciju (3.c attēls).
Magnetostriktīvie pozīcijas sensori ir bezkontakta sensori, ko izmanto lineāras pozīcijas noteikšanai. Viļņvadi bieži tiek ievietoti nerūsējošā tērauda vai alumīnija caurulēs, kas ļauj šos sensorus izmantot netīrā vai mitrā vidē.
Kad plāns, plakans vadītājs tiek ievietots magnētiskajā laukā, jebkura plūstošā strāva mēdz uzkrāties vienā vadītāja pusē, radot potenciālu starpību, ko sauc par Hola spriegumu. Ja strāva vadītājā ir nemainīga, Hola sprieguma lielums atspoguļos magnētiskā lauka stiprumu. Hola efekta pozīcijas sensorā objekts ir savienots ar magnētu, kas ievietots sensora vārpstā. Objektam pārvietojoties, magnēta pozīcija mainās attiecībā pret Hola elementu, kā rezultātā mainās Hola spriegums. Mērot Hola spriegumu, var noteikt objekta pozīciju. Ir specializēti Hola efekta pozīcijas sensori, kas var noteikt pozīciju trīs dimensijās (4. attēls). Hola efekta pozīcijas sensori ir bezkontakta ierīces, kas nodrošina augstu uzticamību un ātru noteikšanu, un darbojas plašā temperatūras diapazonā. Tos izmanto dažādos patērētāju, rūpniecības, automobiļu un medicīnas lietojumos.
Ir divi galvenie optisko šķiedru sensoru veidi. Iekšējos optisko šķiedru sensoros šķiedra tiek izmantota kā sensora elements. Ārējos optisko šķiedru sensoros optiskā šķiedra tiek apvienota ar citu sensoru tehnoloģiju, lai pārsūtītu signālu uz attālinātu elektroniku apstrādei. Iekšējo šķiedru pozīcijas mērījumu gadījumā laika aizkaves noteikšanai var izmantot tādu ierīci kā optiskais laika domēna reflektometrs. Viļņa garuma nobīdi var aprēķināt, izmantojot instrumentu, kas ievieš optisko frekvenču domēna reflektometru. Optiskās šķiedras sensori ir imūni pret elektromagnētiskajiem traucējumiem, tos var konstruēt darbam augstā temperatūrā un tie nav vadoši, tāpēc tos var izmantot augsta spiediena vai viegli uzliesmojošu materiālu tuvumā.
Pozīcijas mērīšanai var izmantot arī citu šķiedru optikas sensoru, kas balstīts uz šķiedru Brega režģa (FBG) tehnoloģiju. FBG darbojas kā iecirtuma filtrs, kas, apgaismojot plaša spektra gaismu, atstaro nelielu gaismas daļu, kuras centrs ir Brega viļņa garums (λB). Tas ir izgatavots ar mikrostruktūrām, kas iegravētas šķiedras kodolā. FBG var izmantot dažādu parametru, piemēram, temperatūras, deformācijas, spiediena, slīpuma, pārvietojuma, paātrinājuma un slodzes, mērīšanai.
Ir divu veidu optiskie pozīcijas sensori, kas pazīstami arī kā optiskie kodētāji. Vienā gadījumā gaisma tiek nosūtīta uz uztvērēju sensora otrā galā. Otrajā tipā izstaroto gaismas signālu atstaro uzraugāmais objekts un atgriež gaismas avotā. Atkarībā no sensora konstrukcijas, objekta pozīcijas noteikšanai tiek izmantotas gaismas īpašību izmaiņas, piemēram, viļņa garums, intensitāte, fāze vai polarizācija. Kodētāja bāzes optiskie pozīcijas sensori ir pieejami lineārai un rotācijas kustībai. Šie sensori iedalās trīs galvenajās kategorijās: caurlaidīgie optiskie kodētāji, atstarojošie optiskie kodētāji un interferometriskie optiskie kodētāji.
Ultraskaņas pozīcijas sensori izmanto pjezoelektriskus kristāla pārveidotājus, lai izstarotu augstfrekvences ultraskaņas viļņus. Sensors mēra atstaroto skaņu. Ultraskaņas sensorus var izmantot kā vienkāršus tuvuma sensorus, vai arī sarežģītākas konstrukcijas var sniegt attāluma informāciju. Ultraskaņas pozīcijas sensori darbojas ar mērķa objektiem no dažādiem materiāliem un virsmas īpašībām un var noteikt mazus objektus lielākā attālumā nekā daudzi citi pozīcijas sensoru veidi. Tie ir izturīgi pret vibrāciju, apkārtējo troksni, infrasarkano starojumu un elektromagnētiskajiem traucējumiem. Ultraskaņas pozīcijas sensoru pielietojumu piemēri ir šķidruma līmeņa noteikšana, objektu ātrgaitas skaitīšana, robotizētas navigācijas sistēmas un automobiļu sensori. Tipisks automobiļu ultraskaņas sensors sastāv no plastmasas korpusa, pjezoelektriska pārveidotāja ar papildu membrānu un iespiedshēmas plates ar elektroniskām shēmām un mikrokontrolleriem signālu pārraidīšanai, uztveršanai un apstrādei (5. attēls).
Pozīcijas sensori var izmērīt objektu absolūto vai relatīvu lineāro, rotācijas un leņķisko kustību. Pozīcijas sensori var izmērīt tādu ierīču kā izpildmehānismu vai motoru kustību. Tos izmanto arī mobilajās platformās, piemēram, robotos un automašīnās. Pozīcijas sensoros tiek izmantotas dažādas tehnoloģijas ar dažādām vides izturības, izmaksu, precizitātes, atkārtojamības un citu atribūtu kombinācijām.
3D magnētiskie pozīcijas sensori, Allegro MicrosystemsUltraskaņas sensoru drošības analīze un uzlabošana autonomiem transportlīdzekļiem, IEEE lietu interneta žurnālsKā izvēlēties pozīcijas sensoru, Kembridžas integrētās shēmasPozīcijas sensoru veidi, Ixthus InstrumentationKas ir induktīvais pozīcijas sensors?, KeyenceKas ir magnetostriktīva pozīcijas noteikšana?, AMETEK
Pārlūkojiet jaunākos un iepriekšējos Design World numurus ērti lietojamā, augstas kvalitātes formātā. Rediģējiet, kopīgojiet un lejupielādējiet jau šodien, izmantojot vadošo dizaina inženierijas žurnālu.
Pasaulē vadošais problēmu risināšanas EE forums, kas aptver mikrokontrollerus, DSP, tīklošanu, analogo un digitālo dizainu, RF, jaudas elektroniku, PCB maršrutēšanu un citas tēmas.
Autortiesības © 2022 WTWH Media LLC. Visas tiesības aizsargātas. Šīs vietnes materiālus nedrīkst reproducēt, izplatīt, pārraidīt, saglabāt kešatmiņā vai citādi izmantot bez iepriekšējas WTWH Media rakstiskas atļaujas. Privātuma politika | Reklāma | Par mums