De correntes de transmissão robóticas a correias transportadoras em operações de cadeia de suprimentos, passando pela oscilação de torres de turbinas eólicas, a detecção de posição é uma função essencial em uma ampla gama de aplicações. Ela pode assumir muitas formas, incluindo sensores lineares, rotativos, angulares, absolutos, incrementais, de contato e sem contato. Sensores especializados foram desenvolvidos para determinar a posição em três dimensões. As tecnologias de detecção de posição incluem potenciométrica, indutiva, de correntes parasitas, capacitiva, magnetostritiva, efeito Hall, fibra óptica, óptica e ultrassônica.
Este FAQ fornece uma breve introdução às várias formas de detecção de posição e, em seguida, analisa uma variedade de tecnologias que os designers podem escolher ao implementar uma solução de detecção de posição.
Sensores de posição potenciométricos são dispositivos baseados em resistência que combinam uma trilha resistiva fixa com um limpador conectado ao objeto cuja posição precisa ser detectada. O movimento do objeto move os limpadores ao longo da trilha. A posição do objeto é medida usando uma rede divisora ​​de tensão formada por trilhos e limpadores para medir movimento linear ou rotacional com uma tensão CC fixa (Figura 1). Sensores potenciométricos são de baixo custo, mas geralmente têm baixa precisão e repetibilidade.
Sensores de posição indutivos utilizam mudanças nas propriedades do campo magnético induzido na bobina do sensor. Dependendo de sua arquitetura, eles podem medir a posição linear ou rotacional. Sensores de posição de Transformador Diferencial Variável Linear (LVDT) usam três bobinas enroladas em um tubo oco; uma bobina primária e duas bobinas secundárias. As bobinas são conectadas em série, e a relação de fase da bobina secundária é 180° fora de fase em relação à bobina primária. Um núcleo ferromagnético chamado armadura é colocado dentro do tubo e conectado ao objeto no local que está sendo medido. Uma tensão de excitação é aplicada à bobina primária e uma força eletromagnética (EMF) é induzida na bobina secundária. Ao medir a diferença de tensão entre as bobinas secundárias, a posição relativa da armadura e ao que ela está conectada pode ser determinada. Um transformador diferencial de tensão rotativo (RVDT) usa a mesma técnica para rastrear a posição rotativa. Os sensores LVDT e RVDT oferecem boa precisão, linearidade, resolução e alta sensibilidade. Eles não têm atrito e podem ser selados para uso em ambientes severos.
Sensores de posição por correntes parasitas funcionam com objetos condutores. Correntes parasitas são correntes induzidas que ocorrem em materiais condutores na presença de um campo magnético variável. Essas correntes fluem em um circuito fechado e geram um campo magnético secundário. Sensores de correntes parasitas consistem em bobinas e circuitos de linearização. A corrente alternada energiza a bobina para criar o campo magnético primário. Quando um objeto se aproxima ou se afasta da bobina, sua posição pode ser detectada usando a interação do campo secundário produzido por correntes parasitas, o que afeta a impedância da bobina. À medida que o objeto se aproxima da bobina, as perdas por correntes parasitas aumentam e a tensão oscilante fica menor (Figura 2). A tensão oscilante é retificada e processada por um circuito linearizador para produzir uma saída CC linear proporcional à distância do objeto.
Dispositivos de correntes parasitas são dispositivos robustos e sem contato, normalmente usados ​​como sensores de proximidade. Eles são omnidirecionais e podem determinar a distância relativa ao objeto, mas não a direção ou a distância absoluta ao objeto.
Como o nome sugere, os sensores de posição capacitivos medem mudanças na capacitância para determinar a posição do objeto que está sendo detectado. Esses sensores sem contato podem ser usados ​​para medir a posição linear ou rotacional. Eles consistem em duas placas separadas por um material dielétrico e usam um dos dois métodos para detectar a posição de um objeto:
Para causar uma mudança na constante dielétrica, o objeto cuja posição deve ser detectada é fixado ao material dielétrico. Conforme o material dielétrico se move, a constante dielétrica efetiva do capacitor muda devido à combinação da área do material dielétrico e da constante dielétrica do ar. Alternativamente, o objeto pode ser conectado a uma das placas do capacitor. Conforme o objeto se move, as placas se aproximam ou se afastam, e a mudança na capacitância é usada para determinar a posição relativa.
Sensores capacitivos podem medir deslocamento, distância, posição e espessura de objetos. Devido à alta estabilidade e resolução do sinal, sensores capacitivos de deslocamento são usados ​​em ambientes laboratoriais e industriais. Por exemplo, sensores capacitivos são usados ​​para medir espessura de filme e aplicações adesivas em processos automatizados. Em máquinas industriais, eles são usados ​​para monitorar deslocamento e posição de ferramenta.
Magnetostrição é uma propriedade de materiais ferromagnéticos que faz com que o material mude seu tamanho ou forma quando um campo magnético é aplicado. Em um sensor de posição magnetostritivo, um ímã de posição móvel é conectado ao objeto que está sendo medido. Ele consiste em um guia de ondas composto por fios que transportam pulsos de corrente, conectados a um sensor localizado na extremidade do guia de ondas (Figura 3). Quando um pulso de corrente é enviado pelo guia de ondas, um campo magnético é criado no fio que interage com o campo magnético axial do ímã permanente (o ímã no pistão do cilindro, Figura 3a). A interação do campo é causada pela torção (o efeito Wiedemann), que tensiona o fio, produzindo um pulso acústico que se propaga ao longo do guia de ondas e é detectado por um sensor na extremidade do guia de ondas (Fig. 3b). Ao medir o tempo decorrido entre o início do pulso de corrente e a detecção do pulso acústico, a posição relativa do ímã de posição e, portanto, o objeto podem ser medidos (Fig. 3c).
Sensores de posição magnetostritivos são sensores sem contato usados ​​para detectar posição linear. Guias de onda geralmente são alojados em tubos de aço inoxidável ou alumínio, permitindo que esses sensores sejam usados ​​em ambientes sujos ou úmidos.
Quando um condutor fino e plano é colocado em um campo magnético, qualquer corrente que flui tende a se acumular em um lado do condutor, criando uma diferença de potencial chamada tensão de Hall. Se a corrente no condutor for constante, a magnitude da tensão de Hall refletirá a intensidade do campo magnético. Em um sensor de posição de efeito Hall, o objeto é conectado a um ímã alojado no eixo do sensor. Conforme o objeto se move, a posição do ímã muda em relação ao elemento Hall, resultando em uma tensão de Hall variável. Ao medir a tensão de Hall, a posição de um objeto pode ser determinada. Existem sensores de posição de efeito Hall especializados que podem determinar a posição em três dimensões (Figura 4). Os sensores de posição de efeito Hall são dispositivos sem contato que fornecem alta confiabilidade e detecção rápida e operam em uma ampla faixa de temperatura. Eles são usados ​​em uma variedade de aplicações de consumo, industriais, automotivas e médicas.
Existem dois tipos básicos de sensores de fibra óptica. Em sensores de fibra óptica intrínsecos, a fibra é usada como elemento sensor. Em sensores de fibra óptica externos, a fibra óptica é combinada com outra tecnologia de sensor para retransmitir o sinal para componentes eletrônicos remotos para processamento. No caso de medições de posição de fibra intrínseca, um dispositivo como um refletômetro óptico de domínio de tempo pode ser usado para determinar o atraso de tempo. A mudança de comprimento de onda pode ser calculada usando um instrumento que implementa um refletômetro óptico de domínio de frequência. Os sensores de fibra óptica são imunes à interferência eletromagnética, podem ser projetados para operar em altas temperaturas e não são condutores, portanto, podem ser usados ​​perto de materiais de alta pressão ou inflamáveis.
Outra detecção de fibra óptica baseada na tecnologia de rede de Bragg de fibra (FBG) também pode ser usada para medição de posição. A FBG atua como um filtro de entalhe, refletindo uma pequena fração da luz centrada no comprimento de onda de Bragg (λB) quando iluminada por luz de amplo espectro. Ela é fabricada com microestruturas gravadas no núcleo da fibra. As FBGs podem ser usadas para medir vários parâmetros, como temperatura, deformação, pressão, inclinação, deslocamento, aceleração e carga.
Existem dois tipos de sensores ópticos de posição, também conhecidos como codificadores ópticos. Em um caso, a luz é enviada para um receptor na outra extremidade do sensor. No segundo tipo, o sinal de luz emitido é refletido pelo objeto monitorado e retornado à fonte de luz. Dependendo do design do sensor, alterações nas propriedades da luz, como comprimento de onda, intensidade, fase ou polarização, são usadas para determinar a posição de um objeto. Sensores ópticos de posição baseados em codificadores estão disponíveis para movimento linear e rotativo. Esses sensores se dividem em três categorias principais: codificadores ópticos transmissivos, codificadores ópticos reflexivos e codificadores ópticos interferométricos.
Sensores de posição ultrassônicos usam transdutores de cristal piezoelétrico para emitir ondas ultrassônicas de alta frequência. O sensor mede o som refletido. Sensores ultrassônicos podem ser usados ​​como sensores de proximidade simples ou projetos mais complexos podem fornecer informações de alcance. Sensores de posição ultrassônicos funcionam com objetos-alvo de uma variedade de materiais e características de superfície e podem detectar pequenos objetos a distâncias maiores do que muitos outros tipos de sensores de posição. Eles são resistentes à vibração, ruído ambiente, radiação infravermelha e interferência eletromagnética. Exemplos de aplicações que usam sensores de posição ultrassônicos incluem detecção de nível de líquido, contagem de objetos em alta velocidade, sistemas de navegação robótica e detecção automotiva. Um sensor ultrassônico automotivo típico consiste em um invólucro de plástico, um transdutor piezoelétrico com uma membrana adicional e uma placa de circuito impresso com circuitos eletrônicos e microcontroladores para transmissão, recepção e processamento de sinais (Figura 5).
Os sensores de posição podem medir movimentos lineares, rotacionais e angulares absolutos ou relativos de objetos. Os sensores de posição podem medir o movimento de dispositivos como atuadores ou motores. Eles também são usados ​​em plataformas móveis, como robôs e carros. Uma variedade de tecnologias é usada em sensores de posição com várias combinações de durabilidade ambiental, custo, precisão, repetibilidade e outros atributos.
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