De la lanțurile de acționare robotizate la benzile transportoare din operațiunile lanțului de aprovizionare, până la oscilația turnurilor turbinelor eoliene, detectarea poziției este o funcție critică într-o gamă largă de aplicații. Poate lua multe forme, inclusiv senzori liniari, rotativi, unghiulari, absoluți, incrementali, de contact și fără contact. Au fost dezvoltați senzori specializați care pot determina poziția în trei dimensiuni. Tehnologiile de detectare a poziției includ potențiometrice, inductive, cu curenți turbionari, capacitive, magnetostrictive, cu efect Hall, cu fibră optică, optice și cu ultrasunete.
Aceste întrebări frecvente oferă o scurtă introducere în diferitele forme de detectare a poziției, apoi analizează o gamă de tehnologii din care proiectanții pot alege atunci când implementează o soluție de detectare a poziției.
Senzorii de poziție potențiometrici sunt dispozitive bazate pe rezistență care combină o pistă rezistivă fixă ​​cu un ștergător atașat la obiectul a cărui poziție trebuie detectată. Mișcarea obiectului deplasează ștergătoarele de-a lungul șinei. Poziția obiectului este măsurată utilizând o rețea de divizoare de tensiune formată din șine și ștergătoare pentru a măsura mișcarea liniară sau de rotație cu o tensiune continuă fixă ​​(Figura 1). Senzorii potențiometrici sunt ieftini, dar, în general, au o precizie și o repetabilitate scăzute.
Senzorii inductivi de poziție utilizează modificări ale proprietăților câmpului magnetic indus în bobina senzorului. În funcție de arhitectura lor, aceștia pot măsura poziția liniară sau rotativă. Senzorii de poziție cu transformator diferențial variabil liniar (LVDT) utilizează trei bobine înfășurate în jurul unui tub gol; o bobină primară și două bobine secundare. Bobinele sunt conectate în serie, iar relația de fază a bobinei secundare este defazată cu 180° față de bobina primară. Un miez feromagnetic numit armătură este plasat în interiorul tubului și conectat la obiectul din locația măsurată. O tensiune de excitație este aplicată bobinei primare și o forță electromagnetică (EMF) este indusă în bobina secundară. Prin măsurarea diferenței de tensiune dintre bobinele secundare, se poate determina poziția relativă a armăturii și la ce este atașată. Un transformator diferențial de tensiune rotativ (RVDT) utilizează aceeași tehnică pentru a urmări poziția rotativă. Senzorii LVDT și RVDT oferă o precizie bună, liniaritate, rezoluție și sensibilitate ridicată. Sunt fără frecare și pot fi sigilați pentru utilizare în medii dure.
Senzorii de poziție a curenților turbionari funcționează cu obiecte conductoare. Curenții turbionari sunt curenți induși care apar în materiale conductoare în prezența unui câmp magnetic variabil. Acești curenți curg într-o buclă închisă și generează un câmp magnetic secundar. Senzorii de curenți turbionari constau din bobine și circuite de liniarizare. Curentul alternativ energizează bobina pentru a crea câmpul magnetic primar. Când un obiect se apropie sau se îndepărtează de bobină, poziția sa poate fi detectată folosind interacțiunea câmpului secundar produs de curenții turbionari, ceea ce afectează impedanța bobinei. Pe măsură ce obiectul se apropie de bobină, pierderile prin curenți turbionari cresc, iar tensiunea oscilantă devine mai mică (Figura 2). Tensiunea oscilantă este rectificată și procesată de un circuit de liniarizare pentru a produce o ieșire CC liniară proporțională cu distanța față de obiect.
Dispozitivele cu curenți turbionari sunt dispozitive robuste, fără contact, utilizate de obicei ca senzori de proximitate. Sunt omnidirecționale și pot determina distanța relativă față de obiect, dar nu și direcția sau distanța absolută față de obiect.
După cum sugerează și numele, senzorii capacitivi de poziție măsoară modificările capacității pentru a determina poziția obiectului detectat. Acești senzori fără contact pot fi utilizați pentru a măsura poziția liniară sau rotativă. Aceștia constau din două plăci separate printr-un material dielectric și utilizează una dintre cele două metode pentru a detecta poziția unui obiect:
Pentru a provoca o modificare a constantei dielectrice, obiectul a cărui poziție trebuie detectată este atașat la materialul dielectric. Pe măsură ce materialul dielectric se mișcă, constanta dielectrică efectivă a condensatorului se modifică datorită combinației dintre aria materialului dielectric și constanta dielectrică a aerului. Alternativ, obiectul poate fi conectat la una dintre plăcile condensatorului. Pe măsură ce obiectul se mișcă, plăcile se apropie sau se îndepărtează, iar modificarea capacității este utilizată pentru a determina poziția relativă.
Senzorii capacitivi pot măsura deplasarea, distanța, poziția și grosimea obiectelor. Datorită stabilității și rezoluției ridicate a semnalului, senzorii capacitivi de deplasare sunt utilizați în medii de laborator și industriale. De exemplu, senzorii capacitivi sunt utilizați pentru a măsura grosimea peliculei și aplicațiile de adeziv în procesele automate. În mașinile industriale, aceștia sunt utilizați pentru a monitoriza deplasarea și poziția sculelor.
Magnetostricția este o proprietate a materialelor feromagnetice care face ca materialul să își modifice dimensiunea sau forma atunci când i se aplică un câmp magnetic. Într-un senzor de poziție magnetostrictiv, un magnet de poziție mobil este atașat la obiectul măsurat. Acesta constă dintr-un ghid de undă format din fire care transportă impulsuri de curent, conectate la un senzor situat la capătul ghidului de undă (Figura 3). Când un impuls de curent este trimis de-a lungul ghidului de undă, se creează un câmp magnetic în fir care interacționează cu câmpul magnetic axial al magnetului permanent (magnetul din pistonul cilindrului, Figura 3a). Interacțiunea câmpului este cauzată de răsucire (efectul Wiedemann), care tensionează firul, producând un impuls acustic care se propagă de-a lungul ghidului de undă și este detectat de un senzor situat la capătul ghidului de undă (Fig. 3b). Prin măsurarea timpului scurs între inițierea impulsului de curent și detectarea impulsului acustic, se poate măsura poziția relativă a magnetului de poziție și, prin urmare, a obiectului (Fig. 3c).
Senzorii de poziție magnetostrictivi sunt senzori fără contact utilizați pentru detectarea poziției liniare. Ghidurile de undă sunt adesea adăpostite în tuburi din oțel inoxidabil sau aluminiu, permițând utilizarea acestor senzori în medii murdare sau umede.
Când un conductor subțire și plat este plasat într-un câmp magnetic, orice curent care curge tinde să se acumuleze pe o parte a conductorului, creând o diferență de potențial numită tensiune Hall. Dacă curentul din conductor este constant, magnitudinea tensiunii Hall va reflecta intensitatea câmpului magnetic. Într-un senzor de poziție cu efect Hall, obiectul este conectat la un magnet adăpostit în axul senzorului. Pe măsură ce obiectul se mișcă, poziția magnetului se schimbă în raport cu elementul Hall, rezultând o tensiune Hall în schimbare. Prin măsurarea tensiunii Hall, se poate determina poziția unui obiect. Există senzori de poziție cu efect Hall specializați care pot determina poziția în trei dimensiuni (Figura 4). Senzorii de poziție cu efect Hall sunt dispozitive fără contact care oferă o fiabilitate ridicată și o detectare rapidă și funcționează pe o gamă largă de temperaturi. Aceștia sunt utilizați într-o gamă largă de aplicații de consum, industriale, auto și medicale.
Există două tipuri de bază de senzori cu fibră optică. În cazul senzorilor cu fibră optică intrinseci, fibra este utilizată ca element de detectare. În cazul senzorilor cu fibră optică externă, fibra optică este combinată cu o altă tehnologie de senzori pentru a transmite semnalul către electronice la distanță pentru procesare. În cazul măsurătorilor poziției fibrei intrinseci, se poate utiliza un dispozitiv, cum ar fi un reflectometru optic în domeniul timpului, pentru a determina întârzierea. Deplasarea lungimii de undă poate fi calculată folosind un instrument care implementează un reflectometru optic în domeniul frecvenței. Senzorii cu fibră optică sunt imuni la interferențe electromagnetice, pot fi proiectați să funcționeze la temperaturi ridicate și sunt neconductori, astfel încât pot fi utilizați în apropierea materialelor cu presiune înaltă sau inflamabile.
O altă tehnologie de detectare cu fibră optică bazată pe tehnologia rețelei Bragg cu fibră (FBG) poate fi utilizată și pentru măsurarea poziției. FBG acționează ca un filtru notch, reflectând o mică fracțiune din lumina centrată pe lungimea de undă Bragg (λB) atunci când este iluminată de lumină cu spectru larg. Este fabricată cu microstructuri gravate în miezul fibrei. FBG-urile pot fi utilizate pentru a măsura diverși parametri, cum ar fi temperatura, deformarea, presiunea, înclinarea, deplasarea, accelerația și sarcina.
Există două tipuri de senzori optici de poziție, cunoscuți și sub denumirea de encodere optice. Într-un caz, lumina este trimisă către un receptor aflat la celălalt capăt al senzorului. În al doilea tip, semnalul luminos emis este reflectat de obiectul monitorizat și returnat sursei de lumină. În funcție de designul senzorului, modificările proprietăților luminii, cum ar fi lungimea de undă, intensitatea, faza sau polarizarea, sunt utilizate pentru a determina poziția unui obiect. Senzorii optici de poziție bazați pe encodere sunt disponibili pentru mișcarea liniară și rotativă. Acești senzori se încadrează în trei categorii principale: encodere optice transmisive, encodere optice reflexive și encodere optice interferometrice.
Senzorii de poziție cu ultrasunete utilizează traductoare cu cristale piezoelectrice pentru a emite unde ultrasonice de înaltă frecvență. Senzorul măsoară sunetul reflectat. Senzorii cu ultrasunete pot fi utilizați ca senzori simpli de proximitate, sau modele mai complexe pot oferi informații despre distanță. Senzorii de poziție cu ultrasunete funcționează cu obiecte țintă dintr-o varietate de materiale și caracteristici ale suprafeței și pot detecta obiecte mici la distanțe mai mari decât multe alte tipuri de senzori de poziție. Aceștia sunt rezistenți la vibrații, zgomot ambiental, radiații infraroșii și interferențe electromagnetice. Exemple de aplicații care utilizează senzori de poziție cu ultrasunete includ detectarea nivelului lichidului, numărarea de mare viteză a obiectelor, sistemele de navigație robotizată și detectarea auto. Un senzor cu ultrasunete auto tipic constă dintr-o carcasă din plastic, un traductor piezoelectric cu o membrană suplimentară și o placă de circuit imprimat cu circuite electronice și microcontrolere pentru transmiterea, recepționarea și procesarea semnalelor (Figura 5).
Senzorii de poziție pot măsura mișcarea liniară, de rotație și unghiulară absolută sau relativă a obiectelor. Senzorii de poziție pot măsura mișcarea dispozitivelor precum actuatoarele sau motoarele. De asemenea, sunt utilizați în platforme mobile, cum ar fi roboții și mașinile. O varietate de tehnologii sunt utilizate în senzorii de poziție cu diverse combinații de durabilitate în mediu, cost, precizie, repetabilitate și alte atribute.
Senzori magnetici de poziție 3D, Allegro Microsystems Analiza și îmbunătățirea securității senzorilor cu ultrasunete pentru vehicule autonome, IEEE Internet of Things Journal Cum se selectează un senzor de poziție, Cambridge Integrated Circuits Tipuri de senzori de poziție, Ixthus Instrumentation Ce este un senzor de poziție inductiv?, Keyence Ce este detectarea magnetostrictivă a poziției?, AMETEK
Răsfoiți cele mai recente numere ale revistei Design World și numerele anterioare într-un format ușor de utilizat și de înaltă calitate. Editați, distribuiți și descărcați astăzi cu ajutorul revistei de top din domeniul ingineriei de proiectare.
Cel mai important forum EE din lume dedicat rezolvării problemelor, care acoperă microcontrolere, DSP, rețele, design analogic și digital, RF, electronică de putere, rutare PCB și multe altele.
Drepturi de autor © 2022 WTWH Media LLC. Toate drepturile rezervate. Materialul de pe acest site nu poate fi reprodus, distribuit, transmis, stocat în cache sau utilizat în alt mod fără permisiunea prealabilă scrisă a WTWH Media. Politica de confidențialitate | Publicitate | Despre noi