Od łańcuchów napędowych robotów po taśmy przenośnikowe w operacjach łańcucha dostaw i kołysanie wież turbin wiatrowych, wykrywanie położenia stanowi kluczową funkcję w szerokim zakresie zastosowań. Może przybierać różne formy, w tym czujniki liniowe, obrotowe, kątowe, absolutne, przyrostowe, kontaktowe i bezkontaktowe. Opracowano specjalistyczne czujniki, które mogą określać położenie w trzech wymiarach. Technologie wykrywania położenia obejmują potencjometryczne, indukcyjne, prądów wirowych, pojemnościowe, magnetostrykcyjne, efektu Halla, światłowodowe, optyczne i ultradźwiękowe.
W sekcji FAQ znajduje się krótkie wprowadzenie do różnych form wykrywania położenia, a następnie omówiono szereg technologii, spośród których projektanci mogą wybierać podczas wdrażania rozwiązania w zakresie wykrywania położenia.
Potencjometryczne czujniki położenia to urządzenia oparte na rezystancji, które łączą stałą ścieżkę rezystancyjną z wycieraczką przymocowaną do obiektu, którego położenie ma zostać wykryte. Ruch obiektu powoduje ruch wycieraczki wzdłuż ścieżki. Położenie obiektu jest mierzone za pomocą sieci dzielników napięcia utworzonej z szyn i wycieraczek, która służy do pomiaru ruchu liniowego lub obrotowego przy stałym napięciu stałym (rysunek 1). Czujniki potencjometryczne są tanie, ale na ogół charakteryzują się niską dokładnością i powtarzalnością.
Indukcyjne czujniki położenia wykorzystują zmiany właściwości pola magnetycznego indukowanego w cewce czujnika. W zależności od architektury mogą mierzyć położenia liniowe lub obrotowe. Czujniki położenia z liniowym transformatorem różnicowym (LVDT) wykorzystują trzy cewki owinięte wokół pustej rury: cewkę pierwotną i dwie cewki wtórne. Cewki są połączone szeregowo, a faza cewki wtórnej jest przesunięta o 180° w stosunku do cewki pierwotnej. Rdzeń ferromagnetyczny zwany twornikiem jest umieszczony wewnątrz rury i podłączony do obiektu w mierzonym miejscu. Do cewki pierwotnej przyłożone jest napięcie wzbudzenia, a w cewce wtórnej indukowana jest siła elektromagnetyczna (SEM). Mierząc różnicę napięć między cewkami wtórnymi, można określić względne położenie twornika i do czego jest on przymocowany. Obrotowy transformator różnicowy napięcia (RVDT) wykorzystuje tę samą technikę do śledzenia położenia obrotowego. Czujniki LVDT i RVDT charakteryzują się dobrą dokładnością, liniowością, rozdzielczością i wysoką czułością. Są beztarciowe i mogą być uszczelnione do stosowania w trudnych warunkach.
Czujniki położenia wiroprądowe działają na obiektach przewodzących. Prądy wirowe to prądy indukowane, które występują w materiałach przewodzących w obecności zmieniającego się pola magnetycznego. Prądy te płyną w zamkniętej pętli i generują wtórne pole magnetyczne. Czujniki wiroprądowe składają się z cewek i obwodów linearyzacyjnych. Prąd przemienny zasila cewkę, wytwarzając pierwotne pole magnetyczne. Gdy obiekt zbliża się do cewki lub od niej odsuwa, jego położenie można wykryć, wykorzystując interakcję pola wtórnego wytwarzanego przez prądy wirowe, które wpływa na impedancję cewki. W miarę jak obiekt zbliża się do cewki, straty prądów wirowych rosną, a napięcie oscylacyjne staje się mniejsze (rysunek 2). Napięcie oscylacyjne jest prostowane i przetwarzane przez obwód linearyzacyjny w celu wytworzenia liniowego napięcia stałego proporcjonalnego do odległości obiektu.
Urządzenia wykorzystujące prądy wirowe to wytrzymałe, bezkontaktowe urządzenia, zwykle stosowane jako czujniki zbliżeniowe. Są wielokierunkowe i mogą określać względną odległość do obiektu, ale nie kierunek ani odległość bezwzględną do obiektu.
Jak sama nazwa wskazuje, pojemnościowe czujniki położenia mierzą zmiany pojemności, aby określić położenie wykrywanego obiektu. Te bezkontaktowe czujniki mogą być używane do pomiaru położenia liniowego lub obrotowego. Składają się z dwóch płytek oddzielonych materiałem dielektrycznym i wykorzystują jedną z dwóch metod wykrywania położenia obiektu:
Aby spowodować zmianę stałej dielektrycznej, obiekt, którego położenie ma zostać wykryte, jest przymocowany do materiału dielektrycznego. W miarę ruchu materiału dielektrycznego efektywna stała dielektryczna kondensatora ulega zmianie ze względu na kombinację powierzchni materiału dielektrycznego i stałej dielektrycznej powietrza. Alternatywnie obiekt można podłączyć do jednej z płytek kondensatora. W miarę ruchu obiektu płytki zbliżają się lub oddalają, a zmiana pojemności służy do określenia względnego położenia.
Czujniki pojemnościowe mogą mierzyć przemieszczenie, odległość, położenie i grubość obiektów. Ze względu na wysoką stabilność sygnału i rozdzielczość, pojemnościowe czujniki przemieszczenia są stosowane w laboratoriach i środowiskach przemysłowych. Przykładowo, czujniki pojemnościowe służą do pomiaru grubości folii i zastosowań klejowych w procesach zautomatyzowanych. W maszynach przemysłowych służą do monitorowania przemieszczenia i położenia narzędzi.
Magnetostrykcja to właściwość materiałów ferromagnetycznych, która powoduje zmianę rozmiaru lub kształtu materiału pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego. W magnetostrykcyjnym czujniku położenia ruchomy magnes położenia jest przymocowany do mierzonego obiektu. Składa się on z falowodu składającego się z przewodów przenoszących impulsy prądu, połączonych z czujnikiem umieszczonym na końcu falowodu (rysunek 3). Gdy impuls prądu jest wysyłany wzdłuż falowodu, w przewodzie powstaje pole magnetyczne, które oddziałuje z osiowym polem magnetycznym magnesu trwałego (magnesu w tłoku cylindra, rysunek 3a). Oddziaływanie pola jest spowodowane skręcaniem (efekt Wiedemanna), które napręża przewód, wytwarzając impuls akustyczny, który rozchodzi się wzdłuż falowodu i jest wykrywany przez czujnik na końcu falowodu (rysunek 3b). Mierząc czas, który upłynął od zainicjowania impulsu prądu do wykrycia impulsu akustycznego, można zmierzyć względne położenie magnesu położenia, a zatem obiektu (rysunek 3c).
Magnetostrykcyjne czujniki położenia to bezkontaktowe czujniki służące do wykrywania położenia liniowego. Falowody są często umieszczane w rurkach ze stali nierdzewnej lub aluminium, co umożliwia stosowanie tych czujników w brudnych lub wilgotnych środowiskach.
Gdy cienki, płaski przewodnik zostanie umieszczony w polu magnetycznym, przepływający przez niego prąd będzie się kumulował po jednej stronie przewodnika, wytwarzając różnicę potencjałów zwaną napięciem Halla. Jeżeli prąd w przewodniku jest stały, wartość napięcia Halla będzie odzwierciedlać natężenie pola magnetycznego. W czujniku położenia z efektem Halla obiekt jest połączony z magnesem umieszczonym w trzonie czujnika. Gdy obiekt się porusza, położenie magnesu względem elementu Halla ulega zmianie, co powoduje zmianę napięcia Halla. Mierząc napięcie Halla, można określić położenie obiektu. Istnieją specjalistyczne czujniki położenia z efektem Halla, które mogą określać położenie w trzech wymiarach (rysunek 4). Czujniki położenia z efektem Halla to urządzenia bezkontaktowe, które zapewniają wysoką niezawodność i szybkie wykrywanie oraz działają w szerokim zakresie temperatur. Są stosowane w wielu zastosowaniach konsumenckich, przemysłowych, motoryzacyjnych i medycznych.
Istnieją dwa podstawowe typy czujników światłowodowych. W wewnętrznych czujnikach światłowodowych włókno jest wykorzystywane jako element wykrywający. W zewnętrznych czujnikach światłowodowych światłowody są łączone z inną technologią czujników, aby przekazywać sygnał do zdalnej elektroniki w celu przetworzenia. W przypadku wewnętrznych pomiarów położenia włókna, do określenia opóźnienia czasowego można użyć urządzenia, takiego jak optyczny reflektometr w dziedzinie czasu. Przesunięcie długości fali można obliczyć za pomocą instrumentu, który implementuje optyczny reflektometr w dziedzinie częstotliwości. Czujniki światłowodowe są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, mogą być zaprojektowane do pracy w wysokich temperaturach i są nieprzewodzące, dzięki czemu można ich używać w pobliżu materiałów pod wysokim ciśnieniem lub łatwopalnych.
Inny czujnik światłowodowy oparty na technologii siatki Bragga (FBG) może być również używany do pomiaru położenia. Siatka FBG działa jak filtr wycinający, odbijając niewielką część światła, którego środek stanowi długość fali Bragga (λB), po oświetleniu światłem o szerokim spektrum. Jest ona wykonana z mikrostruktur wytrawionych w rdzeniu włókna. Siatki FBG można używać do pomiaru różnych parametrów, takich jak temperatura, odkształcenie, ciśnienie, pochylenie, przemieszczenie, przyspieszenie i obciążenie.
Istnieją dwa rodzaje czujników położenia optycznego, zwanych również enkoderami optycznymi. W pierwszym przypadku światło jest wysyłane do odbiornika na drugim końcu czujnika. W drugim typie emitowany sygnał świetlny jest odbijany przez monitorowany obiekt i powraca do źródła światła. W zależności od konstrukcji czujnika, do określenia położenia obiektu wykorzystuje się zmiany właściwości światła, takie jak długość fali, natężenie, faza lub polaryzacja. Czujniki położenia optycznego oparte na enkoderach są dostępne dla ruchu liniowego i obrotowego. Czujniki te można podzielić na trzy główne kategorie: transmisyjne enkodery optyczne, odbiciowe enkodery optyczne i interferometryczne enkodery optyczne.
Czujniki położenia ultradźwiękowego wykorzystują przetworniki piezoelektryczne do emisji fal ultradźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Czujnik mierzy odbity dźwięk. Czujniki ultradźwiękowe mogą być używane jako proste czujniki zbliżeniowe lub bardziej złożone konstrukcje mogą dostarczać informacji o odległości. Czujniki położenia ultradźwiękowego działają na obiektach docelowych wykonanych z różnych materiałów i o różnych cechach powierzchni i mogą wykrywać małe obiekty z większej odległości niż wiele innych typów czujników położenia. Są odporne na wibracje, hałas otoczenia, promieniowanie podczerwone i zakłócenia elektromagnetyczne. Przykłady zastosowań czujników położenia ultradźwiękowego obejmują wykrywanie poziomu cieczy, szybkie liczenie obiektów, systemy nawigacji robotycznej i czujniki samochodowe. Typowy czujnik ultradźwiękowy samochodowy składa się z plastikowej obudowy, przetwornika piezoelektrycznego z dodatkową membraną oraz płytki drukowanej z obwodami elektronicznymi i mikrokontrolerami do przesyłania, odbierania i przetwarzania sygnałów (rysunek 5).
Czujniki położenia mogą mierzyć względny lub bezwzględny ruch liniowy, obrotowy i kątowy obiektów. Czujniki położenia mogą mierzyć ruch urządzeń, takich jak siłowniki lub silniki. Są również stosowane w platformach mobilnych, takich jak roboty i samochody. W czujnikach położenia stosuje się wiele technologii, które charakteryzują się różnymi parametrami, takimi jak wytrzymałość na warunki środowiskowe, koszt, dokładność, powtarzalność i inne cechy.
Czujniki położenia magnetycznego 3D, Allegro Microsystems, Analiza i zwiększanie bezpieczeństwa czujników ultradźwiękowych w pojazdach autonomicznych, IEEE Internet of Things Journal, Jak wybrać czujnik położenia, Cambridge Integrated Circuits, Typy czujników położenia, Ixthus Instrumentation, Czym jest indukcyjny czujnik położenia?, Keyence, Czym jest magnetostrykcyjne wykrywanie położenia?, AMETEK
Przeglądaj najnowsze wydania Design World i numery archiwalne w łatwym w użyciu formacie o wysokiej jakości. Edytuj, udostępniaj i pobieraj już dziś dzięki wiodącemu magazynowi o inżynierii projektowania.
Najważniejsze na świecie forum poświęcone rozwiązywaniu problemów EE, obejmujące mikrokontrolery, DSP, sieci, projektowanie analogowe i cyfrowe, RF, elektronikę mocy, trasowanie PCB i wiele innych
Prawa autorskie © 2022 WTWH Media LLC. Wszelkie prawa zastrzeżone. Materiałów zawartych na tej stronie nie wolno powielać, rozpowszechniać, przesyłać, buforować ani wykorzystywać w inny sposób bez uprzedniej pisemnej zgody WTWH Media. Polityka prywatności | Reklama | O nas