Fra robotdrevkjeder til transportbånd i forsyningskjedeoperasjoner til svingingen av vindturbintårn, er posisjonsregistrering en kritisk funksjon i en rekke bruksområder. Den kan ta mange former, inkludert lineære, roterende, vinkelformede, absolutte, inkrementelle, kontakt- og ikke-kontaktsensorer. Spesialiserte sensorer er utviklet som kan bestemme posisjon i tre dimensjoner. Posisjonsregistreringsteknologier inkluderer potensiometrisk, induktiv, virvelstrøm, kapasitiv, magnetostriktiv, Hall-effekt, fiberoptisk, optisk og ultralyd.
Denne vanlige spørsmålen gir en kort introduksjon til de ulike formene for posisjonsregistrering, og gjennomgår deretter en rekke teknologier som designere kan velge mellom når de implementerer en posisjonsregistreringsløsning.
Potensiometriske posisjonssensorer er motstandsbaserte enheter som kombinerer et fast resistivt spor med en visker festet til objektet hvis posisjon må registreres. Objektets bevegelse beveger viskerne langs sporet. Objektets posisjon måles ved hjelp av et spenningsdelernettverk dannet av skinner og viskere for å måle lineær eller roterende bevegelse med en fast likespenning (figur 1). Potensiometriske sensorer er rimelige, men har generelt lav nøyaktighet og repeterbarhet.
Induktive posisjonssensorer utnytter endringer i egenskapene til magnetfeltet som induseres i sensorspolen. Avhengig av arkitekturen kan de måle lineær eller roterende posisjon. Lineære variabel differensialtransformatorer (LVDT) posisjonssensorer bruker tre spoler viklet rundt et hult rør; en primærspole og to sekundærspoler. Spolene er koblet i serie, og faseforholdet til sekundærspolen er 180° ute av fase i forhold til primærspolen. En ferromagnetisk kjerne kalt ankeret er plassert inne i røret og koblet til objektet på stedet som måles. En eksitasjonsspenning påføres primærspolen, og en elektromagnetisk kraft (EMF) induseres i sekundærspolen. Ved å måle spenningsforskjellen mellom sekundærspolene kan ankerets relative posisjon og hva det er festet til bestemmes. En roterende spenningsdifferensialtransformator (RVDT) bruker samme teknikk for å spore roterende posisjon. LVDT- og RVDT-sensorer tilbyr god nøyaktighet, linearitet, oppløsning og høy følsomhet. De er friksjonsfrie og kan forsegles for bruk i tøffe miljøer.
Virvelstrømsposisjonssensorer fungerer med ledende objekter. Virvelstrømmer er induserte strømmer som oppstår i ledende materialer i nærvær av et skiftende magnetfelt. Disse strømmene flyter i en lukket sløyfe og genererer et sekundært magnetfelt. Virvelstrømssensorer består av spoler og lineariseringskretser. Vekselstrømmen aktiverer spolen for å skape det primære magnetfeltet. Når et objekt nærmer seg eller beveger seg bort fra spolen, kan posisjonen registreres ved hjelp av samspillet mellom det sekundære feltet produsert av virvelstrømmene, noe som påvirker spolens impedans. Når objektet kommer nærmere spolen, øker virvelstrømstapene og oscillasjonsspenningen blir mindre (figur 2). Oscillasjonsspenningen blir likerettet og behandlet av en lineariseringskrets for å produsere en lineær likestrømsutgang proporsjonal med avstanden til objektet.
Virvelstrømsenheter er robuste, berøringsfrie enheter som vanligvis brukes som nærhetssensorer. De er rundstrålende og kan bestemme den relative avstanden til objektet, men ikke retningen eller den absolutte avstanden til objektet.
Som navnet antyder, måler kapasitive posisjonssensorer endringer i kapasitans for å bestemme posisjonen til objektet som registreres. Disse berøringsfrie sensorene kan brukes til å måle lineær eller roterende posisjon. De består av to plater atskilt av et dielektrisk materiale og bruker en av to metoder for å oppdage posisjonen til et objekt:
For å forårsake en endring i den dielektriske konstanten, festes objektet hvis posisjon skal detekteres til det dielektriske materialet. Når det dielektriske materialet beveger seg, endres den effektive dielektriske konstanten til kondensatoren på grunn av kombinasjonen av arealet av det dielektriske materialet og den dielektriske konstanten til luft. Alternativt kan objektet kobles til en av kondensatorplatene. Når objektet beveger seg, beveger platene seg nærmere eller lenger unna, og endringen i kapasitans brukes til å bestemme den relative posisjonen.
Kapasitive sensorer kan måle forskyvning, avstand, posisjon og tykkelse på objekter. På grunn av deres høye signalstabilitet og oppløsning brukes kapasitive forskyvningssensorer i laboratorie- og industrimiljøer. For eksempel brukes kapasitive sensorer til å måle filmtykkelse og limpåføringer i automatiserte prosesser. I industrimaskiner brukes de til å overvåke forskyvning og verktøyposisjon.
Magnetostriksjon er en egenskap ved ferromagnetiske materialer som får materialet til å endre størrelse eller form når et magnetfelt påføres. I en magnetostriktiv posisjonssensor er en bevegelig posisjonsmagnet festet til objektet som måles. Den består av en bølgeleder som består av ledninger som fører strømpulser, koblet til en sensor plassert på enden av bølgelederen (figur 3). Når en strømpuls sendes nedover bølgelederen, opprettes et magnetfelt i ledningen som samhandler med det aksiale magnetfeltet til permanentmagneten (magneten i sylinderstempelet, figur 3a). Feltinteraksjonen forårsakes av vridning (Wiedemann-effekten), som belaster ledningen og produserer en akustisk puls som forplanter seg langs bølgelederen og detekteres av en sensor på enden av bølgelederen (figur 3b). Ved å måle tiden som har gått mellom starten av strømpulsen og deteksjonen av den akustiske pulsen, kan den relative posisjonen til posisjonsmagneten og dermed objektet måles (figur 3c).
Magnetostriktive posisjonssensorer er berøringsfrie sensorer som brukes til å oppdage lineær posisjon. Bølgeledere er ofte plassert i rør av rustfritt stål eller aluminium, noe som gjør at disse sensorene kan brukes i skitne eller våte miljøer.
Når en tynn, flat leder plasseres i et magnetfelt, har strømmen som flyter en tendens til å bygge seg opp på den ene siden av lederen, noe som skaper en potensialforskjell kalt Hall-spenning. Hvis strømmen i lederen er konstant, vil størrelsen på Hall-spenningen reflektere styrken på magnetfeltet. I en Hall-effekt-posisjonssensor er objektet koblet til en magnet som er plassert i sensorskaftet. Når objektet beveger seg, endres magnetens posisjon i forhold til Hall-elementet, noe som resulterer i en endret Hall-spenning. Ved å måle Hall-spenningen kan posisjonen til et objekt bestemmes. Det finnes spesialiserte Hall-effekt-posisjonssensorer som kan bestemme posisjon i tre dimensjoner (figur 4). Hall-effekt-posisjonssensorer er berøringsfrie enheter som gir høy pålitelighet og rask registrering, og opererer over et bredt temperaturområde. De brukes i en rekke forbruker-, industrielle, bil- og medisinske applikasjoner.
Det finnes to grunnleggende typer fiberoptiske sensorer. I intrinsiske fiberoptiske sensorer brukes fiberen som sensorelement. I eksterne fiberoptiske sensorer kombineres fiberoptikk med en annen sensorteknologi for å videresende signalet til ekstern elektronikk for behandling. Ved målinger av intrinsiske fiberposisjoner kan en enhet som et optisk tidsdomenereflektometer brukes til å bestemme tidsforsinkelsen. Bølgelengdeforskyvningen kan beregnes ved hjelp av et instrument som implementerer et optisk frekvensdomenereflektometer. Fiberoptiske sensorer er immune mot elektromagnetisk interferens, kan designes for å operere ved høye temperaturer og er ikke-ledende, slik at de kan brukes i nærheten av høyt trykk eller brennbare materialer.
En annen fiberoptisk sensor basert på fiber Bragg-gitterteknologi (FBG) kan også brukes til posisjonsmåling. FBG fungerer som et hakkfilter som reflekterer en liten brøkdel av lyset sentrert på Bragg-bølgelengden (λB) når det belyses av bredspektret lys. Den er produsert med mikrostrukturer etset inn i fiberkjernen. FBG-er kan brukes til å måle forskjellige parametere som temperatur, tøyning, trykk, helning, forskyvning, akselerasjon og belastning.
Det finnes to typer optiske posisjonssensorer, også kjent som optiske kodere. I det ene tilfellet sendes lys til en mottaker i den andre enden av sensoren. I den andre typen reflekteres det utsendte lyssignalet av det overvåkede objektet og returneres til lyskilden. Avhengig av sensordesignet brukes endringer i lysegenskaper, som bølgelengde, intensitet, fase eller polarisering, til å bestemme posisjonen til et objekt. Koderbaserte optiske posisjonssensorer er tilgjengelige for lineær og roterende bevegelse. Disse sensorene faller inn i tre hovedkategorier; transmissive optiske kodere, reflekterende optiske kodere og interferometriske optiske kodere.
Ultralydposisjonssensorer bruker piezoelektriske krystalltransdusere for å sende ut høyfrekvente ultralydbølger. Sensoren måler den reflekterte lyden. Ultralydsensorer kan brukes som enkle nærhetssensorer, eller mer komplekse design kan gi avstandsinformasjon. Ultralydposisjonssensorer fungerer med målobjekter av en rekke materialer og overflateegenskaper, og kan oppdage små objekter på større avstander enn mange andre typer posisjonssensorer. De er motstandsdyktige mot vibrasjon, omgivelsesstøy, infrarød stråling og elektromagnetisk interferens. Eksempler på bruksområder som bruker ultralydposisjonssensorer inkluderer væskenivådeteksjon, høyhastighetstelling av objekter, robotnavigasjonssystemer og bilregistrering. En typisk ultralydsensor for biler består av et plasthus, en piezoelektrisk transduser med en ekstra membran og et kretskort med elektroniske kretser og mikrokontrollere for overføring, mottak og behandling av signaler (figur 5).
Posisjonssensorer kan måle absolutt eller relativ lineær, rotasjonsmessig og vinkelmessig bevegelse av objekter. Posisjonssensorer kan måle bevegelsen til enheter som aktuatorer eller motorer. De brukes også i mobile plattformer som roboter og biler. En rekke teknologier brukes i posisjonssensorer med ulike kombinasjoner av miljømessig holdbarhet, kostnad, nøyaktighet, repeterbarhet og andre egenskaper.
3D magnetiske posisjonssensorer, Allegro MicrosystemsAnalyse og forbedring av sikkerheten til ultralydsensorer for autonome kjøretøy, IEEE Internet of Things Journal Hvordan velge en posisjonssensor, Cambridge Integrated CircuitsPosisjonssensortyper, Ixthus InstrumentationHva er en induktiv posisjonssensor?, Keyence Hva er magnetostriktiv posisjonsregistrering?, AMETEK
Bla gjennom de nyeste utgavene av Design World og tidligere utgaver i et brukervennlig format av høy kvalitet. Rediger, del og last ned i dag med det ledende designingeniørmagasinet.
Verdens ledende problemløsende EE-forum som dekker mikrokontrollere, DSP, nettverk, analog og digital design, RF, kraftelektronikk, PCB-ruting og mer.
Opphavsrett © 2022 WTWH Media LLC. Alle rettigheter forbeholdt. Materialet på dette nettstedet kan ikke reproduseres, distribueres, overføres, mellomlagres eller på annen måte brukes uten skriftlig tillatelse fra WTWH Media. Personvernerklæring | Annonsering | Om oss