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 znajdziesz krótkie wprowadzenie do różnych form pomiaru położenia, a następnie omówiono szereg technologii, spośród których projektanci mogą wybierać podczas wdrażania rozwiązania w zakresie pomiaru położenia.
Czujniki położenia potencjometrycznego to urządzenia oparte na rezystancji, które łączą stałą ścieżkę rezystancyjną z wycieraczką przymocowaną do obiektu, którego położenie ma zostać wykryte. Ruch obiektu powoduje ruch wycieraczek 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 użyciu stałego napięcia stałego (rysunek 1). Czujniki potencjometryczne są tanie, ale na ogół charakteryzują się niską dokładnością i powtarzalnością.
Czujniki położenia indukcyjnego wykorzystują zmiany właściwości pola magnetycznego indukowanego w cewce czujnika. W zależności od architektury mogą mierzyć położenie liniowe lub obrotowe. Czujniki położenia transformatora różnicowego o zmiennym napięciu (LVDT) wykorzystują trzy cewki owinięte wokół pustej rury; cewkę pierwotną i dwie cewki wtórne. Cewki są połączone szeregowo, a zależność fazowa cewki wtórnej jest przesunięta o 180° w stosunku do cewki pierwotnej. Ferromagnetyczny rdzeń zwany wirnikiem jest umieszczany wewnątrz rury i podłączony do obiektu w mierzonym miejscu. Napięcie wzbudzenia jest przyłożone do cewki pierwotnej, a w cewce wtórnej indukowana jest siła elektromagnetyczna (SEM). Mierząc różnicę napięć między cewkami wtórnymi, można określić względne położenie wirnika i to, do czego jest on przymocowany. Obrotowy transformator różnicowy napięcia (RVDT) wykorzystuje tę samą technikę do śledzenia położenia obrotowego. Czujniki LVDT i RVDT oferują dobrą dokładność, liniowość, rozdzielczość i wysoką czułość. Są beztarciowe i można je uszczelnić do stosowania w trudnych warunkach.
Czujniki położenia wykorzystujące prądy wirowe działają na obiektach przewodzących. Prądy wirowe to prądy indukowane, które występują w materiałach przewodzących w obecności zmiennego pola magnetycznego. Prądy te płyną w zamkniętej pętli i generują wtórne pole magnetyczne. Czujniki prądów wirowych składają się z cewek i obwodów linearyzacyjnych. Prąd przemienny pobudza cewkę, aby wytworzyć pierwotne pole magnetyczne. Gdy obiekt zbliża się do cewki lub od niej odchodzi, jego położenie można wykryć, wykorzystując interakcję pola wtórnego wytwarzanego przez prądy wirowe, co 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 wyjścia prądu 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 w celu określenia położenia wykrywanego obiektu. Te bezkontaktowe czujniki można stosować do pomiaru położenia liniowego lub obrotowego. Składają się z dwóch płytek oddzielonych materiałem dielektrycznym i wykorzystują jedną z dwóch metod do wykrywania położenia obiektu:
Aby spowodować zmianę stałej dielektrycznej, obiekt, którego położenie ma zostać wykryte, zostaje przymocowany do materiału dielektrycznego. W miarę ruchu materiału dielektrycznego efektywna stała dielektryczna kondensatora ulega zmianie na skutek połączenia 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 zautomatyzowanych procesach. W maszynach przemysłowych służą do monitorowania przemieszczenia i położenia narzędzi.
Magnetostrykcja to właściwość materiałów ferromagnetycznych, która powoduje, że materiał zmienia swój rozmiar lub kształt, gdy zostanie przyłożone pole magnetyczne. W magnetostrykcyjnym czujniku położenia ruchomy magnes położenia jest przymocowany do mierzonego obiektu. Składa się on z falowodu składającego się z przewodów, które przenoszą impulsy prądu, podłączonego do czujnika umieszczonego 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 (magnes w tłoku cylindra, rysunek 3a). Oddziaływanie pola jest spowodowane skręcaniem (efekt Wiedemanna), które napręża przewód, wytwarzając impuls akustyczny, który rozprzestrzenia się wzdłuż falowodu i jest wykrywany przez czujnik na końcu falowodu (rysunek 3b). Mierząc czas, który upłynął między zainicjowaniem impulsu prądu a wykryciem 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, każdy płynący prąd ma tendencję do gromadzenia się po jednej stronie przewodnika, tworząc różnicę potencjałów zwaną napięciem Halla. Jeśli prąd w przewodniku jest stały, wielkość napięcia Halla będzie odzwierciedlać siłę pola magnetycznego. W czujniku położenia z efektem Halla obiekt jest podłączony do magnesu umieszczonego w wale czujnika. Gdy obiekt się porusza, położenie magnesu zmienia się względem elementu Halla, co powoduje zmianę napięcia Halla. Poprzez pomiar napięcia 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 przypadku wewnętrznych czujników światłowodowych włókno jest wykorzystywane jako element wykrywający. W przypadku zewnętrznych czujników światłowodowych światłowody są łączone z inną technologią czujników w celu przekazywania sygnału do zdalnej elektroniki w celu przetworzenia. W przypadku pomiarów położenia wewnętrznego 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 wysokociśnieniowych lub łatwopalnych.
Inny czujnik światłowodowy oparty na technologii kratki Bragga (FBG) można również wykorzystać do pomiaru położenia. Kratka FBG działa jak filtr wycinający, odbijając niewielką część światła skupionego na długości fali Bragga (λB) po oświetleniu światłem o szerokim spektrum. Jest ona wykonana z mikrostruktur wytrawionych w rdzeniu włókna. Kratki FBG można stosować do pomiaru różnych parametrów, takich jak temperatura, odkształcenie, ciśnienie, pochylenie, przemieszczenie, przyspieszenie i obciążenie.
Istnieją dwa rodzaje optycznych czujników położenia, 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, zmiany właściwości światła, takie jak długość fali, natężenie, faza lub polaryzacja, są wykorzystywane do określania położenia obiektu. Czujniki położenia optycznego oparte na enkoderze są dostępne dla ruchu liniowego i obrotowego. Czujniki te dzielą się na trzy główne kategorie: transmisyjne enkodery optyczne, odblaskowe enkodery optyczne i interferometryczne enkodery optyczne.
Czujniki położenia ultradźwiękowego wykorzystują przetworniki piezoelektryczne do emitowania 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 bezwzględny lub względny 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 różnorodne technologie, charakteryzujące się różnymi kombinacjami odporności na warunki środowiskowe, kosztów, dokładności, powtarzalności i innych atrybutów.
Czujniki położenia magnetycznego 3D, Allegro MicrosystemsAnaliza i zwiększanie bezpieczeństwa czujników ultradźwiękowych w pojazdach autonomicznych, IEEE Internet of Things JournalJak wybrać czujnik położenia, Cambridge Integrated CircuitsTypy czujników położenia, Ixthus InstrumentationCo to jest indukcyjny czujnik położenia?, KeyenceCo to jest magnetostrykcyjne wykrywanie położenia?, AMETEK
Przeglądaj najnowsze wydania Design World oraz starsze wydania w łatwym w użyciu formacie 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 więcej
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Wszelkie prawa zastrzeżone. Materiałów na tej stronie nie można reprodukować, rozpowszechniać, przesyłać, buforować ani w inny sposób wykorzystywać bez uprzedniej pisemnej zgody WTWH Media Polityka prywatności | Reklama | O nas