Positiedetectie is een essentiële functie in een breed scala aan toepassingen: van aandrijfkettingen van robots tot transportbanden in toeleveringsketens en de beweging van windturbinetorens. Positiedetectie kan vele vormen aannemen, zoals lineaire, roterende, hoekige, 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.
In deze FAQ vindt u een korte introductie tot de verschillende vormen van positiedetectie. Vervolgens worden een aantal technologieën besproken waaruit ontwerpers kunnen kiezen bij de implementatie van een oplossing voor positiedetectie.
Potentiometrische positiesensoren zijn apparaten op basis van weerstand die een vast weerstandsspoor combineren met een wisser die is bevestigd aan het object waarvan de positie moet worden gedetecteerd. Door de beweging van het object bewegen de wisserbladen over het spoor. De positie van het object wordt gemeten met behulp van een spanningsdelernetwerk dat bestaat uit rails en wisserbladen om lineaire of roterende beweging te meten met een vaste gelijkspanning (afbeelding 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 geïnduceerd. Afhankelijk van hun architectuur kunnen ze een lineaire of roterende positie meten. Lineaire variabele differentiaaltransformator (LVDT) positiesensoren maken gebruik van drie spoelen die om een ​​holle buis zijn gewikkeld; een primaire spoel en twee secundaire spoelen. De spoelen zijn in serie geschakeld en de faseverhouding van de secundaire spoel is 180° uit fase ten opzichte van de primaire spoel. Een ferromagnetische kern, het anker genoemd, wordt in de buis geplaatst en verbonden met het object op de locatie die wordt gemeten. Een excitatiespanning wordt toegepast op de primaire spoel en een elektromagnetische kracht (EMK) wordt geïnduceerd in de secundaire spoel. Door het spanningsverschil tussen de secundaire spoelen te meten, kan de relatieve positie van het anker en waaraan het is bevestigd, worden bepaald. Een roterende spanningsdifferentiaaltransformator (RVDT) gebruikt dezelfde techniek om de roterende positie 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 zware omstandigheden.
Wervelstroompositiesensoren werken met geleidende objecten. Wervelstromen zijn geïnduceerde stromen die optreden in geleidende materialen bij een veranderend magnetisch veld. Deze stromen lopen in een gesloten lus en genereren een secundair magnetisch veld. Wervelstroomsensoren bestaan ​​uit spoelen en linearisatiecircuits. De wisselstroom activeert de spoel om het primaire magnetische veld te creëren. Wanneer een object de spoel nadert of ervan weg beweegt, kan de positie ervan worden gedetecteerd door de interactie van het secundaire veld dat wordt geproduceerd door wervelstromen, wat de impedantie van de spoel beïnvloedt. Naarmate het object dichter bij de spoel komt, nemen de wervelstroomverliezen toe en wordt de oscillatiespanning lager (afbeelding 2). De oscillatiespanning wordt gelijkgericht en verwerkt door een linearisatiecircuit om een ​​lineaire DC-uitgang te produceren die evenredig is met de afstand tot het object.
Wervelstroomsensoren zijn robuuste, contactloze apparaten die doorgaans worden gebruikt als naderingssensoren. Ze zijn omnidirectioneel en kunnen de relatieve afstand tot het object bepalen, maar niet de richting of absolute afstand tot het object.
Zoals de naam al doet vermoeden, meten capacitieve positiesensoren veranderingen in de capaciteit om de positie van het gedetecteerde object te bepalen. Deze contactloze sensoren kunnen worden gebruikt om de lineaire of roterende positie te meten. Ze bestaan ​​uit twee platen die door een diëlektrisch materiaal van elkaar gescheiden zijn en gebruiken een van de twee volgende 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 gedetecteerd, bevestigd aan het diëlektrische materiaal. Naarmate het diëlektrische materiaal beweegt, verandert de effectieve diëlektrische constante van de condensator vanwege 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 dichterbij of verder weg en wordt de verandering in capaciteit gebruikt om de relatieve positie te bepalen.
Capacitieve sensoren kunnen de verplaatsing, afstand, positie en dikte van objecten meten. Vanwege hun hoge signaalstabiliteit en resolutie worden capacitieve verplaatsingssensoren gebruikt in laboratoria en industriële omgevingen. Capacitieve sensoren worden bijvoorbeeld gebruikt om de foliedikte en lijmtoepassingen te meten in geautomatiseerde processen. In industriële machines worden ze gebruikt om de verplaatsing en gereedschapspositie te bewaken.
Magnetostrictie is een eigenschap van ferromagnetische materialen waardoor 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 die bestaat uit draden die stroompulsen geleiden, verbonden met een sensor aan het uiteinde van de golfgeleider (Figuur 3). Wanneer een stroompuls door de golfgeleider wordt gestuurd, wordt er in de draad een magnetisch veld gecreëerd dat interageert met het axiale magnetische veld van de permanente magneet (de magneet in de cilinderzuiger, Figuur 3a). De veldinteractie wordt veroorzaakt door verdraaiing (het Wiedemann-effect), waardoor de draad wordt uitgerekt en een akoestische puls ontstaat die zich langs de golfgeleider voortplant en wordt gedetecteerd door een sensor aan het uiteinde van de golfgeleider (Figuur 3b). Door de verstreken tijd te meten tussen het begin van de stroompuls en de detectie van de akoestische puls, kan de relatieve positie van de positiemagneet en daarmee van het object worden gemeten (Figuur 3c).
Magnetostrictieve positiesensoren zijn contactloze sensoren die worden gebruikt om een ​​lineaire positie te detecteren. Golfgeleiders zijn vaak ondergebracht in buizen van roestvrij staal of aluminium, waardoor deze sensoren gebruikt kunnen worden in vuile of natte omgevingen.
Wanneer een dunne, platte geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, heeft de stroom de neiging zich op één kant van de geleider op te bouwen, waardoor een potentiaalverschil ontstaat dat de Hall-spanning wordt genoemd. Als de stroom door de geleider constant is, weerspiegelt de grootte van de Hall-spanning de sterkte van het magnetische veld. In een Hall-effect-positiesensor is het object verbonden met een magneet die in de sensorschacht is ondergebracht. 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 zijn gespecialiseerde Hall-effect-positiesensoren die de positie in drie dimensies kunnen bepalen (afbeelding 4). Hall-effect-positiesensoren zijn contactloze apparaten die een hoge betrouwbaarheid en snelle detectie bieden en werken binnen een groot temperatuurbereik. Ze worden gebruikt in diverse consumenten-, industriële, automobiel- en medische toepassingen.
Er zijn twee basistypen glasvezelsensoren. Bij intrinsieke glasvezelsensoren wordt de vezel gebruikt als sensorelement. Bij externe glasvezelsensoren worden glasvezels gecombineerd met een andere sensortechnologie om het signaal door te geven aan externe elektronica voor verwerking. Bij metingen van de intrinsieke glasvezelpositie kan een apparaat zoals een optische tijdsdomeinreflectometer worden gebruikt om de tijdsvertraging te bepalen. De golflengteverschuiving kan worden berekend met een instrument dat een optische frequentiedomeinreflectometer implementeert. Glasvezelsensoren zijn immuun voor elektromagnetische interferentie, kunnen worden ontworpen om te werken bij hoge temperaturen en zijn niet-geleidend, zodat ze kunnen worden gebruikt in de buurt van hoge druk of brandbare materialen.
Een andere glasvezelsensor gebaseerd op fiber-Bragg-roostertechnologie (FBG) kan ook worden gebruikt voor positiemeting. De FBG fungeert als een kerffilter en reflecteert een klein deel van het licht dat is gecentreerd op de Bragg-golflengte (λB) wanneer het wordt belicht met breedspectrumlicht. Het wordt gefabriceerd met microstructuren die in de kern van de vezel zijn geëtst. FBG's kunnen worden gebruikt om verschillende parameters te meten, zoals temperatuur, rek, druk, kanteling, verplaatsing, versnelling en belasting.
Er zijn twee typen optische positiesensoren, ook wel optische encoders genoemd. In het ene geval wordt het licht naar een ontvanger aan de andere kant van de sensor gestuurd. In het tweede type wordt het uitgezonden lichtsignaal door het bewaakte 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. Optische positiesensoren op basis van encoders zijn beschikbaar voor lineaire en roterende bewegingen. Deze sensoren vallen in drie hoofdcategorieën: transmissieve optische encoders, reflecterende optische encoders en interferometrische optische encoders.
Ultrasoon positiesensoren maken gebruik van piëzo-elektrische kristaltransducers om hoogfrequente ultrasoongolven uit te zenden. De sensor meet het teruggekaatste geluid. Ultrasoon sensoren kunnen worden gebruikt als eenvoudige naderingssensoren, maar complexere ontwerpen kunnen ook afstandsinformatie leveren. Ultrasoon positiesensoren werken met doelobjecten van uiteenlopende materialen en 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 waarbij ultrasoon positiesensoren worden gebruikt, zijn onder meer vloeistofniveaudetectie, het snel tellen van objecten, robotachtige navigatiesystemen en sensoren in auto's. Een typische ultrasoonsensor voor auto's 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 (afbeelding 5).
Positiesensoren kunnen absolute of relatieve lineaire, roterende en hoekige bewegingen van objecten meten. Positiesensoren kunnen de beweging van apparaten zoals actuatoren of motoren meten. Ze worden ook gebruikt in mobiele platforms zoals robots en auto's. Er worden verschillende technologieën gebruikt in positiesensoren met verschillende combinaties van omgevingsbestendigheid, kosten, nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en andere kenmerken.
3D magnetische positiesensoren, Allegro Microsystems Analyse en verbetering van de beveiliging van ultrasone sensoren voor autonome voertuigen, IEEE Internet of Things Journal Hoe een positiesensor te selecteren, Cambridge Integrated Circuits Typen positiesensoren, Ixthus Instrumentation Wat is een inductieve positiesensor?, Keyence Wat is magnetostrictieve positiedetectie?, AMETEK
Blader door de nieuwste nummers van Design World en eerdere nummers in een gebruiksvriendelijk, hoogwaardig formaat. Bewerk, deel en download vandaag nog met het toonaangevende designtechnologisch tijdschrift.
Het beste EE-forum ter wereld voor probleemoplossing, met onderwerpen als microcontrollers, DSP, netwerken, analoog en digitaal ontwerp, RF, vermogenselektronica, PCB-routering en meer.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Alle rechten voorbehouden. Het materiaal op deze site mag niet worden gereproduceerd, verspreid, verzonden, gecached of anderszins worden gebruikt zonder de voorafgaande schriftelijke toestemming van WTWH Media. Privacybeleid | Adverteren | Over ons