От приводных цепей роботов и конвейерных лент в цепочках поставок до колебаний башен ветряных турбин — определение положения является критически важной функцией в широком спектре применений. Оно может принимать множество форм, включая линейные, вращательные, угловые, абсолютные, инкрементальные, контактные и бесконтактные датчики. Разработаны специализированные датчики, способные определять положение в трех измерениях. Технологии определения положения включают потенциометрические, индуктивные, вихретоковые, емкостные, магнитострикционные, датчики Холла, волоконно-оптические, оптические и ультразвуковые.
В этом разделе часто задаваемых вопросов представлено краткое введение в различные формы определения положения, а затем рассмотрен ряд технологий, из которых разработчики могут выбирать при внедрении решения для определения положения.
Потенциометрические датчики положения — это резистивные устройства, сочетающие в себе неподвижную резистивную дорожку и ползунок, прикрепленный к объекту, положение которого необходимо определить. Движение объекта перемещает ползунок вдоль дорожки. Положение объекта измеряется с помощью делителя напряжения, образованного направляющими и ползунками, для измерения линейного или вращательного движения с помощью фиксированного постоянного напряжения (рис. 1). Потенциометрические датчики недороги, но, как правило, обладают низкой точностью и повторяемостью.
Индуктивные датчики положения используют изменения свойств магнитного поля, индуцированного в катушке датчика. В зависимости от своей конструкции они могут измерять линейное или вращательное положение. Датчики положения на основе линейного дифференциального трансформатора переменного тока (LVDT) используют три катушки, намотанные вокруг полой трубки: первичную катушку и две вторичные катушки. Катушки соединены последовательно, и фазовое соотношение вторичной катушки сдвинуто на 180° относительно первичной катушки. Ферромагнитный сердечник, называемый якорем, помещен внутрь трубки и соединен с объектом в измеряемой точке. К первичной катушке подается возбуждающее напряжение, и во вторичной катушке индуцируется электромагнитная сила (ЭДС). Измеряя разность напряжений между вторичными катушками, можно определить относительное положение якоря и объекта, к которому он прикреплен. Вращающийся дифференциальный трансформатор напряжения (RVDT) использует тот же метод для отслеживания вращающегося положения. Датчики LVDT и RVDT обладают хорошей точностью, линейностью, разрешением и высокой чувствительностью. Они не имеют трения и могут быть герметизированы для использования в агрессивных средах.
Датчики положения на основе вихревых токов работают с проводящими объектами. Вихревые токи — это индуцированные токи, возникающие в проводящих материалах в присутствии изменяющегося магнитного поля. Эти токи протекают по замкнутому контуру и генерируют вторичное магнитное поле. Датчики вихревых токов состоят из катушек и цепей линеаризации. Переменный ток питает катушку, создавая первичное магнитное поле. Когда объект приближается к катушке или удаляется от нее, его положение можно определить, используя взаимодействие вторичного поля, создаваемого вихревыми токами, которое влияет на импеданс катушки. По мере приближения объекта к катушке потери на вихревые токи увеличиваются, а колебательное напряжение уменьшается (рис. 2). Колебательное напряжение выпрямляется и обрабатывается цепью линеаризации для получения линейного выходного постоянного тока, пропорционального расстоянию до объекта.
Вихретоковые датчики — это надежные бесконтактные устройства, обычно используемые в качестве датчиков приближения. Они всенаправленные и могут определять относительное расстояние до объекта, но не направление или абсолютное расстояние до объекта.
Как следует из названия, емкостные датчики положения измеряют изменения емкости для определения положения измеряемого объекта. Эти бесконтактные датчики могут использоваться для измерения линейного или вращательного положения. Они состоят из двух пластин, разделенных диэлектрическим материалом, и используют один из двух методов для определения положения объекта:
Для изменения диэлектрической постоянной объект, положение которого необходимо определить, прикрепляется к диэлектрическому материалу. По мере перемещения диэлектрического материала эффективная диэлектрическая постоянная конденсатора изменяется за счет сочетания площади диэлектрического материала и диэлектрической постоянной воздуха. В качестве альтернативы, объект может быть соединен с одной из пластин конденсатора. По мере перемещения объекта пластины сближаются или отдаляются, и изменение емкости используется для определения относительного положения.
Емкостные датчики могут измерять перемещение, расстояние, положение и толщину объектов. Благодаря высокой стабильности сигнала и разрешению, емкостные датчики перемещения используются в лабораторных и промышленных условиях. Например, емкостные датчики применяются для измерения толщины пленок и нанесения клея в автоматизированных процессах. В промышленных машинах они используются для контроля перемещения и положения инструмента.
Магнитострикция — это свойство ферромагнитных материалов, которое приводит к изменению размера или формы материала при воздействии магнитного поля. В магнитострикционном датчике положения подвижный позиционный магнит крепится к измеряемому объекту. Он состоит из волновода, включающего провода, по которым проходят импульсы тока, соединенные с датчиком, расположенным на конце волновода (рис. 3). Когда импульс тока подается по волноводу, в проводе создается магнитное поле, которое взаимодействует с осевым магнитным полем постоянного магнита (магнита в поршне цилиндра, рис. 3а). Взаимодействие поля вызвано скручиванием (эффект Видемана), которое деформирует провод, создавая акустический импульс, распространяющийся вдоль волновода и регистрируемый датчиком на конце волновода (рис. 3б). Измеряя время, прошедшее между началом импульса тока и обнаружением акустического импульса, можно измерить относительное положение позиционного магнита и, следовательно, объекта (рис. 3в).
Магнитострикционные датчики положения — это бесконтактные датчики, используемые для определения линейного положения. Волноводы часто размещаются в трубках из нержавеющей стали или алюминия, что позволяет использовать эти датчики в загрязненных или влажных условиях.
Когда тонкий плоский проводник помещается в магнитное поле, любой протекающий по нему ток стремится накопиться на одной стороне проводника, создавая разность потенциалов, называемую напряжением Холла. Если ток в проводнике постоянен, величина напряжения Холла будет отражать силу магнитного поля. В датчике положения на основе эффекта Холла объект соединен с магнитом, расположенным в валу датчика. По мере движения объекта положение магнита изменяется относительно элемента Холла, что приводит к изменению напряжения Холла. Измеряя напряжение Холла, можно определить положение объекта. Существуют специализированные датчики положения на основе эффекта Холла, которые могут определять положение в трех измерениях (рис. 4). Датчики положения на основе эффекта Холла — это бесконтактные устройства, обеспечивающие высокую надежность и быстрое измерение, а также работающие в широком диапазоне температур. Они используются в различных бытовых, промышленных, автомобильных и медицинских приложениях.
Существует два основных типа волоконно-оптических датчиков. В собственных волоконно-оптических датчиках волокно используется в качестве чувствительного элемента. В внешних волоконно-оптических датчиках волокно комбинируется с другой сенсорной технологией для передачи сигнала на удаленную электронику для обработки. В случае собственных измерений положения волокна для определения временной задержки может использоваться такое устройство, как оптический рефлектометр временной области. Сдвиг длины волны может быть рассчитан с помощью прибора, реализующего оптический рефлектометр частотной области. Волоконно-оптические датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам, могут быть спроектированы для работы при высоких температурах и являются непроводящими, поэтому их можно использовать вблизи высокого давления или легковоспламеняющихся материалов.
Для измерения положения также может использоваться другой волоконно-оптический датчик, основанный на технологии волоконно-оптических брэгговских решеток (ВОР). ВОР действует как режекторный фильтр, отражая небольшую часть света, центрированного на длине волны Брэгга (λB), при освещении широкоспектральным светом. Она изготавливается с помощью микроструктур, вытравленных в сердцевине волокна. ВОР могут использоваться для измерения различных параметров, таких как температура, деформация, давление, наклон, смещение, ускорение и нагрузка.
Существует два типа оптических датчиков положения, также известных как оптические энкодеры. В одном случае свет направляется на приемник на другом конце датчика. Во втором типе излучаемый световой сигнал отражается от контролируемого объекта и возвращается к источнику света. В зависимости от конструкции датчика, изменения свойств света, таких как длина волны, интенсивность, фаза или поляризация, используются для определения положения объекта. Оптические датчики положения на основе энкодеров доступны для линейного и вращательного движения. Эти датчики делятся на три основные категории: пропускающие оптические энкодеры, отражающие оптические энкодеры и интерферометрические оптические энкодеры.
Ультразвуковые датчики положения используют пьезоэлектрические кристаллические преобразователи для излучения высокочастотных ультразвуковых волн. Датчик измеряет отраженный звук. Ультразвуковые датчики могут использоваться как простые датчики приближения, так и более сложные конструкции, предоставляющие информацию о расстоянии. Ультразвуковые датчики положения работают с целевыми объектами из различных материалов и с различными характеристиками поверхности и могут обнаруживать мелкие объекты на больших расстояниях, чем многие другие типы датчиков положения. Они устойчивы к вибрации, окружающему шуму, инфракрасному излучению и электромагнитным помехам. Примеры применения ультразвуковых датчиков положения включают определение уровня жидкости, высокоскоростной подсчет объектов, роботизированные навигационные системы и автомобильные датчики. Типичный автомобильный ультразвуковой датчик состоит из пластикового корпуса, пьезоэлектрического преобразователя с дополнительной мембраной и печатной платы с электронными схемами и микроконтроллерами для передачи, приема и обработки сигналов (рис. 5).
Датчики положения могут измерять абсолютное или относительное линейное, вращательное и угловое движение объектов. Датчики положения могут измерять движение таких устройств, как исполнительные механизмы или двигатели. Они также используются в мобильных платформах, таких как роботы и автомобили. В датчиках положения используются различные технологии с различными сочетаниями характеристик, таких как устойчивость к воздействию окружающей среды, стоимость, точность, повторяемость и другие параметры.
3D магнитные датчики положения, Allegro Microsystems; Анализ и повышение безопасности ультразвуковых датчиков для автономных транспортных средств, IEEE Internet of Things Journal; Как выбрать датчик положения, Cambridge Integrated Circuits; Типы датчиков положения, Ixthus Instrumentation; Что такое индуктивный датчик положения?, Keyence; Что такое магнитострикционное позиционное зондирование?, AMETEK
Просматривайте последние выпуски журнала Design World и предыдущие номера в удобном и высококачественном формате. Редактируйте, делитесь и скачивайте сегодня вместе с ведущим журналом по проектированию и инженерному делу.
Ведущий в мире форум по электротехнике, посвященный решению сложных задач в области микроконтроллеров, цифровой обработки сигналов, сетей, аналогового и цифрового проектирования, радиочастот, силовой электроники, трассировки печатных плат и многого другого.
Авторские права © 2022 WTWH Media LLC. Все права защищены. Материалы на этом сайте не могут быть воспроизведены, распространены, переданы, сохранены в кэше или использованы иным образом без предварительного письменного разрешения WTWH Media. Политика конфиденциальности | Реклама | О нас