От роботизированных приводных цепей до конвейерных лент в операциях по поставкам и качанию башен ветряных турбин — определение положения является важнейшей функцией в широком спектре приложений. Оно может иметь множество форм, включая линейные, вращательные, угловые, абсолютные, инкрементальные, контактные и бесконтактные датчики. Разработаны специальные датчики, которые могут определять положение в трех измерениях. Технологии определения положения включают потенциометрические, индуктивные, вихретоковые, емкостные, магнитострикционные, на эффекте Холла, волоконно-оптические, оптические и ультразвуковые.
В этом разделе часто задаваемых вопросов кратко изложены различные формы определения положения, а затем рассмотрен ряд технологий, которые проектировщики могут выбрать при реализации решения по определению положения.
Потенциометрические датчики положения представляют собой устройства на основе сопротивления, которые объединяют фиксированную резистивную дорожку с щеткой, прикрепленной к объекту, положение которого необходимо определить. Движение объекта перемещает щетки вдоль дорожки. Положение объекта измеряется с помощью сети делителей напряжения, образованной рельсами и щетками, для измерения линейного или вращательного движения с фиксированным напряжением постоянного тока (рисунок 1). Потенциометрические датчики имеют низкую стоимость, но, как правило, имеют низкую точность и повторяемость.
Индуктивные датчики положения используют изменения свойств магнитного поля, индуцированного в катушке датчика. В зависимости от их архитектуры они могут измерять линейное или вращательное положение. Датчики положения с линейным дифференциальным трансформатором (LVDT) используют три катушки, обернутые вокруг полой трубки: первичную катушку и две вторичные катушки. Катушки соединены последовательно, а фазовое соотношение вторичной катушки смещено на 180° относительно первичной катушки. Ферромагнитный сердечник, называемый якорем, помещается внутрь трубки и подключается к объекту в месте измерения. Напряжение возбуждения подается на первичную катушку, и во вторичной катушке индуцируется электромагнитная сила (ЭДС). Измеряя разность напряжений между вторичными катушками, можно определить относительное положение якоря и того, к чему он прикреплен. Вращающийся дифференциальный трансформатор напряжения (RVDT) использует ту же технику для отслеживания вращающегося положения. Датчики LVDT и RVDT обеспечивают хорошую точность, линейность, разрешение и высокую чувствительность. Они не имеют трения и могут быть герметизированы для использования в суровых условиях.
Датчики положения вихревых токов работают с проводящими объектами. Вихревые токи — это индуцированные токи, которые возникают в проводящих материалах в присутствии изменяющегося магнитного поля. Эти токи текут в замкнутом контуре и создают вторичное магнитное поле. Датчики вихревых токов состоят из катушек и цепей линеаризации. Переменный ток возбуждает катушку, создавая первичное магнитное поле. Когда объект приближается к катушке или удаляется от нее, его положение можно определить с помощью взаимодействия 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 (рисунок 2). Колебательное напряжение выпрямляется и обрабатывается схемой линеаризации для получения линейного постоянного выходного сигнала, пропорционального расстоянию до объекта.
Устройства вихревых токов — это прочные бесконтактные устройства, обычно используемые в качестве датчиков приближения. Они являются всенаправленными 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 объекта, который обнаруживается. 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:
Чтобы вызвать изменение диэлектрической проницаемости, объект, положение которого необходимо определить, прикрепляется к диэлектрическому материалу. При перемещении диэлектрического материала эффективная диэлектрическая проницаемость конденсатора изменяется из-за комбинации площади диэлектрического материала и диэлектрической проницаемости воздуха. В качестве альтернативы объект может быть подключен к одной из пластин конденсатора. При перемещении объекта пластины перемещаются ближе или дальше, и изменение емкости используется для определения относительного положения.
Емкостные датчики могут измерять смещение, расстояние, положение и толщину объектов. Благодаря высокой стабильности сигнала и разрешению емкостные датчики смещения используются в лабораторных и промышленных условиях. Например, емкостные датчики используются для измерения толщины пленки и нанесения клея в автоматизированных процессах. В промышленных машинах они используются для контроля смещения и положения инструмента.
Магнитострикция — это свойство ферромагнитных материалов, которое заставляет материал изменять свой размер или форму при приложении магнитного поля. В магнитострикционном датчике положения подвижный позиционный магнит прикреплен к измеряемому объекту. Он состоит из волновода, состоящего из проводов, по которым проходят импульсы тока, соединенных с датчиком, расположенным на конце волновода (рисунок 3). Когда импульс тока посылается по волноводу, в проводе создается магнитное поле, которое взаимодействует с осевым магнитным полем постоянного магнита (магнит в поршне цилиндра, рисунок 3а). Взаимодействие полей вызывается скручиванием (эффект Видемана), которое натягивает провод, создавая акустический импульс, который распространяется вдоль волновода и обнаруживается датчиком на конце волновода (рисунок 3б). Измеряя прошедшее время между инициированием импульса тока и обнаружением акустического импульса, можно измерить относительное положение позиционного магнита и, следовательно, объекта (рисунок 3в).
Магнитострикционные датчики положения — это бесконтактные датчики, используемые для определения линейного положения. Волноводы часто помещаются в трубки из нержавеющей стали или алюминия, что позволяет использовать эти датчики в грязных или влажных средах.
Когда тонкий плоский проводник помещается в магнитное поле, любой протекающий ток имеет тенденцию накапливаться 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 эффекте Холла объект подключен к магниту, размещенному в валу датчика. По мере перемещения 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 эффекте Холла, которые могут определять положение в трех измерениях (рисунок 4). Датчики положения на эффекте Холла представляют собой бесконтактные устройства, которые обеспечивают высокую надежность и быстрое обнаружение и работают в широком диапазоне температур. Они используются в различных потребительских, промышленных, автомобильных и медицинских приложениях.
Существует два основных типа волоконно-оптических датчиков. Во внутренних волоконно-оптических датчиках в качестве чувствительного элемента используется волокно. Во внешних волоконно-оптических датчиках волоконная оптика объединена с другой сенсорной технологией для передачи сигнала на удаленную электронику для обработки. В случае внутренних измерений положения волокна для определения временной задержки может использоваться такое устройство, как оптический рефлектометр временной области. Сдвиг длины волны можно рассчитать с помощью прибора, который реализует 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 материалов с высоким давлением или легковоспламеняющихся материалов.
Другое волоконно-оптическое зондирование, основанное на технологии волоконной брэгговской решетки (FBG), также может использоваться для измерения положения. FBG действует как режекторный фильтр, отражая небольшую часть света, центрированного на длине волны Брэгга (λB) при освещении светом широкого спектра. Он изготовлен с использованием микроструктур, вытравленных в сердцевине волокна. FBG можно использовать 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 отправляется на приемник на другом конце датчика. Во втором случае излучаемый световой сигнал отражается контролируемым объектом 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 энкодера 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, или более сложные конструкции могут предоставлять информацию о дальности. Ультразвуковые датчики положения работают с целевыми объектами из различных материалов и с различными особенностями поверхности и могут обнаруживать небольшие объекты на больших расстояниях, чем многие другие типы датчиков положения. Они устойчивы к вибрации, окружающему шуму, инфракрасному излучению и электромагнитным помехам. Примеры приложений, использующих ультразвуковые датчики 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 (рисунок 5).
Датчики положения могут измерять абсолютное или относительное линейное, вращательное и угловое движение объектов. Датчики положения могут измерять движение устройств, таких как приводы или двигатели. Они также используются в мобильных платформах, таких как роботы и автомобили. В датчиках положения используются различные технологии с различными сочетаниями устойчивости к воздействию окружающей среды, стоимости, точности, повторяемости и других характеристик.
3D-магнитные датчики положения, Allegro MicrosystemsАнализ и повышение безопасности ультразвуковых датчиков для автономных транспортных средств, Журнал IEEE Internet of Things Как выбрать датчик положения, Cambridge Integrated CircuitsТипы датчиков положения, Ixthus InstrumentationЧто такое индуктивный датчик положения?, KeyenceЧто такое магнитострикционное определение положения?, AMETEK
Просматривайте последние выпуски Design World и предыдущие выпуски в удобном для использования высококачественном формате. Редактируйте, делитесь и загружайте материалы уже сегодня с ведущим журналом по дизайну и инжинирингу.
Ведущий в мире форум по решению проблем в области электротехники, охватывающий микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры, сетевые технологии, аналоговое и цифровое проектирование, радиочастоты, силовую электронику, трассировку печатных плат и многое другое.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC.Все права защищены.Материалы на этом сайте не могут быть воспроизведены, распространены, переданы, кэшированы или иным образом использованы без предварительного письменного разрешения WTWH MediaПолитика конфиденциальности |Реклама | О нас