Van robotische aandrijfkettingen en transportbanden in toeleveringsketens tot het meten van de beweging van windturbinetorens: positiedetectie is een cruciale functie in een breed scala aan toepassingen. Het kan vele vormen aannemen, waaronder lineaire, roterende, hoek-, absolute, incrementele, contact- en contactloze sensoren. Er zijn gespecialiseerde sensoren ontwikkeld die de positie in drie dimensies kunnen bepalen. Positiedetectietechnologieën omvatten potentiometrische, inductieve, wervelstroom-, capacitieve, magnetostrictieve, Hall-effect-, glasvezel-, optische en ultrasone sensoren.
Deze FAQ geeft een korte introductie tot de verschillende vormen van positiedetectie en bespreekt vervolgens een reeks technologieën waaruit ontwerpers kunnen kiezen bij het implementeren van een positiedetectieoplossing.
Potentiometrische positiesensoren zijn op weerstand gebaseerde apparaten die een vaste weerstandsbaan combineren met een wisser die is bevestigd aan het object waarvan de positie moet worden gemeten. De beweging van het object beweegt de wisser langs de baan. De positie van het object wordt gemeten met behulp van een spanningsdeler, gevormd door rails en wisser, om lineaire of roterende beweging te meten met een vaste gelijkspanning (Figuur 1). Potentiometrische sensoren zijn goedkoop, maar hebben over het algemeen een lage nauwkeurigheid en herhaalbaarheid.
Inductieve positiesensoren maken gebruik van veranderingen in de eigenschappen van het magnetische veld dat in de sensorspoel wordt opgewekt. Afhankelijk van hun architectuur kunnen ze lineaire of roterende posities meten. Lineaire variabele differentiële transformator (LVDT) positiesensoren gebruiken drie spoelen die om een ​​holle buis zijn gewikkeld: een primaire spoel en twee secundaire spoelen. De spoelen zijn in serie geschakeld en de fase van de secundaire spoel is 180° uit fase ten opzichte van de primaire spoel. Een ferromagnetische kern, het anker, bevindt zich in de buis en is verbonden met het object op de te meten locatie. Er wordt een excitatiespanning aangelegd op de primaire spoel, waardoor een elektromagnetische kracht (EMK) in de secundaire spoel wordt opgewekt. Door het spanningsverschil tussen de secundaire spoelen te meten, kan de relatieve positie van het anker en het object waaraan het is bevestigd, worden bepaald. Een roterende spanningsdifferentiële transformator (RVDT) gebruikt dezelfde techniek om roterende posities te volgen. LVDT- en RVDT-sensoren bieden een goede nauwkeurigheid, lineariteit, resolutie en hoge gevoeligheid. Ze zijn wrijvingsloos en kunnen worden afgedicht voor gebruik in ruwe omgevingen.
Wervelstroompositiesensoren werken met geleidende objecten. Wervelstromen zijn geïnduceerde stromen die optreden in geleidende materialen in aanwezigheid van een veranderend magnetisch veld. Deze stromen vloeien in een gesloten lus en genereren een secundair magnetisch veld. Wervelstroomsensoren bestaan ​​uit spoelen en linearisatiecircuits. De wisselstroom bekrachtigt de spoel om het primaire magnetische veld te creëren. Wanneer een object de spoel nadert of zich ervan verwijdert, kan de positie ervan worden gedetecteerd door de interactie van het secundaire veld dat door wervelstromen wordt geproduceerd en dat de impedantie van de spoel beïnvloedt. Naarmate het object dichter bij de spoel komt, nemen de wervelstroomverliezen toe en wordt de oscillerende spanning kleiner (Figuur 2). De oscillerende spanning wordt gelijkgericht en verwerkt door een linearisatiecircuit om een ​​lineaire gelijkstroomuitgang te produceren die evenredig is met de afstand tot het object.
Wervelstroomsensoren zijn robuuste, contactloze apparaten die doorgaans als naderingssensoren worden gebruikt. Ze zijn omnidirectioneel en kunnen de relatieve afstand tot het object bepalen, maar niet de richting of de absolute afstand tot het object.
Zoals de naam al doet vermoeden, meten capacitieve positiesensoren veranderingen in capaciteit om de positie van het te detecteren object te bepalen. Deze contactloze sensoren kunnen worden gebruikt om lineaire of rotatieposities te meten. Ze bestaan ​​uit twee platen die gescheiden zijn door een diëlektrisch materiaal en gebruiken een van de twee methoden om de positie van een object te detecteren:
Om een ​​verandering in de diëlektrische constante te veroorzaken, wordt het object waarvan de positie moet worden bepaald, aan het diëlektrische materiaal bevestigd. Naarmate het diëlektrische materiaal beweegt, verandert de effectieve diëlektrische constante van de condensator als gevolg van de combinatie van het oppervlak van het diëlektrische materiaal en de diëlektrische constante van lucht. Als alternatief kan het object worden verbonden met een van de condensatorplaten. Naarmate het object beweegt, bewegen de platen dichter naar elkaar toe of verder van elkaar af, en de verandering in capaciteit wordt gebruikt om de relatieve positie te bepalen.
Capacitieve sensoren kunnen de verplaatsing, afstand, positie en dikte van objecten meten. Dankzij hun hoge signaalstabiliteit en resolutie worden capacitieve verplaatsingssensoren gebruikt in laboratorium- en industriële omgevingen. Capacitieve sensoren worden bijvoorbeeld gebruikt om de dikte van films en lijmtoepassingen in geautomatiseerde processen te meten. In industriële machines worden ze gebruikt om de verplaatsing en gereedschapspositie te bewaken.
Magnetostrictie is een eigenschap van ferromagnetische materialen die ervoor zorgt dat het materiaal van grootte of vorm verandert wanneer er een magnetisch veld op wordt aangelegd. In een magnetostrictieve positiesensor is een beweegbare positiemagneet bevestigd aan het te meten object. Deze bestaat uit een golfgeleider met draden die stroompulsen geleiden, verbonden met een sensor aan het einde van de golfgeleider (Figuur 3). Wanneer een stroompuls door de golfgeleider wordt gestuurd, ontstaat er een magnetisch veld in de draad dat interactie heeft met het axiale magnetische veld van de permanente magneet (de magneet in de cilinderzuiger, Figuur 3a). De veldinteractie wordt veroorzaakt door torsie (het Wiedemann-effect), waardoor de draad onder spanning komt te staan ​​en een akoestische puls ontstaat die zich voortplant langs de golfgeleider en wordt gedetecteerd door een sensor aan het einde van de golfgeleider (Figuur 3b). Door de verstreken tijd tussen het begin van de stroompuls en de detectie van de akoestische puls te meten, kan de relatieve positie van de positiemagneet en daarmee van het object worden bepaald (Figuur 3c).
Magnetostrictieve positiesensoren zijn contactloze sensoren die worden gebruikt om lineaire posities te detecteren. Golfgeleiders zijn vaak ondergebracht in roestvrijstalen of aluminium buizen, waardoor deze sensoren in vuile of natte omgevingen kunnen worden gebruikt.
Wanneer een dunne, platte geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, hoopt elke stroom die erdoorheen loopt zich op aan één kant van de geleider, waardoor een potentiaalverschil ontstaat dat de Hall-spanning wordt genoemd. Als de stroom in de geleider constant is, weerspiegelt de grootte van de Hall-spanning de sterkte van het magnetische veld. In een Hall-positiesensor is het object verbonden met een magneet in de sensoras. Naarmate het object beweegt, verandert de positie van de magneet ten opzichte van het Hall-element, wat resulteert in een veranderende Hall-spanning. Door de Hall-spanning te meten, kan de positie van een object worden bepaald. Er bestaan ​​gespecialiseerde Hall-positiesensoren die de positie in drie dimensies kunnen bepalen (Figuur 4). Hall-positiesensoren zijn contactloze apparaten die een hoge betrouwbaarheid en snelle detectie bieden en werken over een breed temperatuurbereik. Ze worden gebruikt in diverse toepassingen voor consumenten, industrie, auto's en medische toepassingen.
Er zijn twee basistypen glasvezelsensoren. Bij intrinsieke glasvezelsensoren wordt de vezel zelf als sensorelement gebruikt. Bij externe glasvezelsensoren wordt glasvezel gecombineerd met een andere sensortechnologie om het signaal door te sturen naar externe elektronica voor verwerking. In het geval van intrinsieke vezelpositiebepaling kan een apparaat zoals een optische tijdsdomeinreflectometer worden gebruikt om de tijdsvertraging te bepalen. De golflengteverschuiving kan worden berekend met behulp van een instrument dat een optische frequentiedomeinreflectometer implementeert. Glasvezelsensoren zijn ongevoelig voor elektromagnetische interferentie, kunnen worden ontworpen om te werken bij hoge temperaturen en zijn niet-geleidend, waardoor ze kunnen worden gebruikt in de buurt van hoge druk of brandbare materialen.
Een andere glasvezelsensor, gebaseerd op de Fiber Bragg Grating (FBG)-technologie, kan ook worden gebruikt voor positiebepaling. De FBG fungeert als een notchfilter en reflecteert een klein deel van het licht met de Bragg-golflengte (λB) wanneer deze wordt belicht door breedbandlicht. De FBG wordt vervaardigd door microstructuren in de vezelkern te etsen. FBG's kunnen worden gebruikt om verschillende parameters te meten, zoals temperatuur, rek, druk, kanteling, verplaatsing, versnelling en belasting.
Er bestaan ​​twee soorten optische positiesensoren, ook wel optische encoders genoemd. Bij het ene type wordt licht naar een ontvanger aan de andere kant van de sensor gestuurd. Bij het tweede type wordt het uitgezonden lichtsignaal door het te bewaken object gereflecteerd en teruggestuurd naar de lichtbron. Afhankelijk van het sensorontwerp worden veranderingen in lichteigenschappen, zoals golflengte, intensiteit, fase of polarisatie, gebruikt om de positie van een object te bepalen. Op encoders gebaseerde optische positiesensoren zijn beschikbaar voor lineaire en roterende bewegingen. Deze sensoren vallen in drie hoofdcategorieën: transmissieve optische encoders, reflectieve optische encoders en interferometrische optische encoders.
Ultrasone positiesensoren gebruiken piëzo-elektrische kristaltransducers om hoogfrequente ultrasone golven uit te zenden. De sensor meet het gereflecteerde geluid. Ultrasone sensoren kunnen worden gebruikt als eenvoudige naderingssensoren, maar complexere ontwerpen kunnen ook afstandsmetingen leveren. Ultrasone positiesensoren werken met objecten van diverse materialen en met verschillende oppervlaktekenmerken, en kunnen kleine objecten op grotere afstanden detecteren dan veel andere typen positiesensoren. Ze zijn bestand tegen trillingen, omgevingsgeluid, infraroodstraling en elektromagnetische interferentie. Voorbeelden van toepassingen van ultrasone positiesensoren zijn vloeistofniveaudetectie, snelle telling van objecten, robotnavigatiesystemen en sensoren in de automobielindustrie. Een typische ultrasone sensor voor de automobielindustrie bestaat uit een kunststof behuizing, een piëzo-elektrische transducer met een extra membraan en een printplaat met elektronische circuits en microcontrollers voor het verzenden, ontvangen en verwerken van signalen (Figuur 5).
Positiesensoren kunnen absolute of relatieve lineaire, rotatie- en hoekbewegingen van objecten meten. Ze kunnen ook de beweging van apparaten zoals actuatoren of motoren meten. Daarnaast worden ze gebruikt in mobiele platforms zoals robots en auto's. Er worden diverse technologieën gebruikt in positiesensoren, met verschillende combinaties van omgevingsbestendigheid, kosten, nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en andere eigenschappen.
3D magnetische positiesensoren, Allegro Microsystems. Analyse en verbetering van de beveiliging van ultrasone sensoren voor autonome voertuigen, IEEE Internet of Things Journal. Hoe selecteer je een positiesensor?, Cambridge Integrated Circuits. Soorten positiesensoren, Ixthus Instrumentation. Wat is een inductieve positiesensor?, Keyence. Wat is magnetostrictieve positiedetectie?, AMETEK.
Blader door de nieuwste en oudere nummers van Design World in een gebruiksvriendelijk formaat van hoge kwaliteit. Bewerk, deel en download vandaag nog met het toonaangevende tijdschrift voor ontwerptechniek.
Het toonaangevende internationale forum voor elektrotechniek, gericht op het oplossen van problemen met microcontrollers, DSP, netwerken, analoog en digitaal ontwerp, RF, vermogenselektronica, PCB-routing en meer.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Alle rechten voorbehouden. Het materiaal op deze site mag niet worden gereproduceerd, verspreid, verzonden, in de cache opgeslagen of anderszins gebruikt zonder de voorafgaande schriftelijke toestemming van WTWH Media. Privacybeleid | Adverteren | Over ons