Od robotických hnacích reťazí cez dopravné pásy v dodávateľských reťazcoch až po kývanie veží veterných turbín je snímanie polohy kritickou funkciou v širokej škále aplikácií. Môže mať mnoho foriem vrátane lineárnych, rotačných, uhlových, absolútnych, inkrementálnych, kontaktných a bezkontaktných senzorov. Boli vyvinuté špecializované senzory, ktoré dokážu určiť polohu v troch rozmeroch. Technológie snímania polohy zahŕňajú potenciometrické, indukčné, vírivoprúdové, kapacitné, magnetostrikčné, Hallov jav, optické vláknové, optické a ultrazvukové.
Táto často kladená otázka poskytuje stručný úvod do rôznych foriem snímania polohy a potom prehľadáva celý rad technológií, z ktorých si môžu konštruktéri vybrať pri implementácii riešenia snímania polohy.
Potenciometrické snímače polohy sú zariadenia založené na odpore, ktoré kombinujú pevnú odporovú dráhu so stieračom pripevneným k objektu, ktorého polohu je potrebné snímať. Pohyb objektu pohybuje stieračmi pozdĺž dráhy. Poloha objektu sa meria pomocou siete deličov napätia tvorenej koľajnicami a stieračmi na meranie lineárneho alebo rotačného pohybu s pevným jednosmerným napätím (obrázok 1). Potenciometrické snímače sú lacné, ale vo všeobecnosti majú nízku presnosť a opakovateľnosť.
Indukčné snímače polohy využívajú zmeny vo vlastnostiach magnetického poľa indukovaného v cievke snímača. V závislosti od ich architektúry môžu merať lineárnu alebo rotačnú polohu. Snímače polohy s lineárnym variabilným diferenciálnym transformátorom (LVDT) používajú tri cievky omotané okolo dutej trubice; primárnu cievku a dve sekundárne cievky. Cievky sú zapojené sériovo a fázový vzťah sekundárnej cievky je o 180° mimo fázy vzhľadom na primárnu cievku. Vo vnútri trubice je umiestnené feromagnetické jadro nazývané kotva a je pripojené k objektu v meranom mieste. Na primárnu cievku sa privádza budiace napätie a v sekundárnej cievke sa indukuje elektromagnetická sila (EMF). Meraním rozdielu napätia medzi sekundárnymi cievkami je možné určiť relatívnu polohu kotvy a to, k čomu je pripojená. Rotačný diferenciálny transformátor napätia (RVDT) používa rovnakú techniku ​​na sledovanie rotačnej polohy. Snímače LVDT a RVDT ponúkajú dobrú presnosť, linearitu, rozlíšenie a vysokú citlivosť. Sú bez trenia a môžu byť utesnené pre použitie v náročných prostrediach.
Senzory polohy vírivých prúdov pracujú s vodivými objektmi. Vírivé prúdy sú indukované prúdy, ktoré sa vyskytujú vo vodivých materiáloch v prítomnosti meniaceho sa magnetického poľa. Tieto prúdy pretekajú v uzavretej slučke a generujú sekundárne magnetické pole. Senzory vírivých prúdov pozostávajú z cievok a linearizačných obvodov. Striedavý prúd napája cievku a vytvára primárne magnetické pole. Keď sa objekt priblíži k cievke alebo sa od nej vzdiali, jeho polohu je možné snímať pomocou interakcie sekundárneho poľa vytvoreného vírivými prúdmi, ktoré ovplyvňuje impedanciu cievky. Ako sa objekt približuje k cievke, straty vírivými prúdmi sa zvyšujú a oscilačné napätie sa zmenšuje (obrázok 2). Oscilačné napätie je usmernené a spracované linearizačným obvodom, čím sa vytvorí lineárny jednosmerný výstup úmerný vzdialenosti objektu.
Zariadenia na meranie vírivých prúdov sú robustné, bezkontaktné zariadenia, ktoré sa zvyčajne používajú ako senzory priblíženia. Sú všesmerové a dokážu určiť relatívnu vzdialenosť k objektu, ale nie smer alebo absolútnu vzdialenosť k objektu.
Ako už názov napovedá, kapacitné snímače polohy merajú zmeny kapacity na určenie polohy snímaného objektu. Tieto bezkontaktné snímače sa dajú použiť na meranie lineárnej alebo rotačnej polohy. Pozostávajú z dvoch dosiek oddelených dielektrickým materiálom a na detekciu polohy objektu používajú jednu z dvoch metód:
Aby sa vyvolala zmena dielektrickej konštanty, objekt, ktorého poloha sa má zistiť, sa pripojí k dielektrickému materiálu. Ako sa dielektrický materiál pohybuje, efektívna dielektrická konštanta kondenzátora sa mení v dôsledku kombinácie plochy dielektrického materiálu a dielektrickej konštanty vzduchu. Prípadne môže byť objekt pripojený k jednej z dosiek kondenzátora. Ako sa objekt pohybuje, dosky sa pohybujú bližšie alebo ďalej a zmena kapacity sa používa na určenie relatívnej polohy.
Kapacitné senzory dokážu merať posunutie, vzdialenosť, polohu a hrúbku objektov. Vďaka vysokej stabilite a rozlíšeniu signálu sa kapacitné senzory posunutia používajú v laboratórnom a priemyselnom prostredí. Napríklad kapacitné senzory sa používajú na meranie hrúbky filmu a lepidiel v automatizovaných procesoch. V priemyselných strojoch sa používajú na monitorovanie posunutia a polohy nástroja.
Magnetostrikcia je vlastnosť feromagnetických materiálov, ktorá spôsobuje zmenu veľkosti alebo tvaru materiálu pri pôsobení magnetického poľa. V magnetostrikčnom snímači polohy je k meranému objektu pripevnený pohyblivý magnet. Pozostáva z vlnovodu pozostávajúceho z drôtov, ktoré prenášajú prúdové impulzy a sú pripojené k snímaču umiestnenému na konci vlnovodu (obrázok 3). Keď je prúdový impulz vysielaný vlnovodom, v drôte sa vytvorí magnetické pole, ktoré interaguje s axiálnym magnetickým poľom permanentného magnetu (magnet vo valcovom pieste, obrázok 3a). Interakcia poľa je spôsobená skrútením (Wiedemannov efekt), ktoré napína drôt a vytvára akustický impulz, ktorý sa šíri pozdĺž vlnovodu a je detekovaný snímačom na konci vlnovodu (obr. 3b). Meraním času, ktorý uplynul medzi začiatkom prúdového impulzu a detekciou akustického impulzu, je možné zmerať relatívnu polohu magnetu, a teda aj objektu (obr. 3c).
Magnetostrikčné snímače polohy sú bezkontaktné snímače používané na detekciu lineárnej polohy. Vlnovody sú často umiestnené v rúrkach z nehrdzavejúcej ocele alebo hliníka, čo umožňuje použitie týchto snímačov v znečistenom alebo mokrom prostredí.
Keď je tenký, plochý vodič umiestnený v magnetickom poli, akýkoľvek pretekajúci prúd má tendenciu hromadiť sa na jednej strane vodiča, čím vytvára potenciálový rozdiel nazývaný Hallovo napätie. Ak je prúd vo vodiči konštantný, veľkosť Hallovho napätia bude odrážať silu magnetického poľa. V Hallovom snímači polohy je objekt pripojený k magnetu umiestnenému v hriadeli snímača. Ako sa objekt pohybuje, poloha magnetu sa mení vzhľadom na Hallov prvok, čo vedie k zmene Hallovho napätia. Meraním Hallovho napätia je možné určiť polohu objektu. Existujú špecializované Hallove snímače polohy, ktoré dokážu určiť polohu v troch rozmeroch (obrázok 4). Hallove snímače polohy sú bezkontaktné zariadenia, ktoré poskytujú vysokú spoľahlivosť a rýchle snímanie a pracujú v širokom teplotnom rozsahu. Používajú sa v rôznych spotrebiteľských, priemyselných, automobilových a lekárskych aplikáciách.
Existujú dva základné typy senzorov z optických vlákien. Vo vnútorných senzoroch z optických vlákien sa vlákno používa ako snímací prvok. Vo vonkajších senzoroch z optických vlákien sa optické vlákna kombinujú s inou senzorovou technológiou na prenos signálu do vzdialenej elektroniky na spracovanie. V prípade merania polohy vnútorných vlákien sa na určenie časového oneskorenia môže použiť zariadenie, ako napríklad optický reflektometer v časovej doméne. Posun vlnovej dĺžky sa dá vypočítať pomocou prístroja, ktorý implementuje optický reflektometer vo frekvenčnej doméne. Senzory z optických vlákien sú imúnne voči elektromagnetickému rušeniu, môžu byť navrhnuté na prevádzku pri vysokých teplotách a sú nevodivé, takže sa môžu používať v blízkosti vysokého tlaku alebo horľavých materiálov.
Na meranie polohy sa môže použiť aj iný systém snímania optickými vláknami založený na technológii vláknovej Braggovej mriežky (FBG). FBG funguje ako zárezový filter, ktorý odráža malú časť svetla so stredom na Braggovej vlnovej dĺžke (λB) pri osvetlení širokospektrálnym svetlom. Je vyrobený s mikroštruktúrami vyleptanými do jadra vlákna. FBG sa môžu použiť na meranie rôznych parametrov, ako je teplota, deformácia, tlak, sklon, posunutie, zrýchlenie a zaťaženie.
Existujú dva typy optických snímačov polohy, známe aj ako optické enkodéry. V jednom prípade je svetlo vysielané do prijímača na druhom konci snímača. V druhom type je vyžarovaný svetelný signál odrážaný monitorovaným objektom a vracaný do zdroja svetla. V závislosti od konštrukcie snímača sa na určenie polohy objektu používajú zmeny vlastností svetla, ako je vlnová dĺžka, intenzita, fáza alebo polarizácia. Optické snímače polohy založené na enkodéroch sú k dispozícii pre lineárny a rotačný pohyb. Tieto snímače spadajú do troch hlavných kategórií: transmisné optické enkodéry, reflexné optické enkodéry a interferometrické optické enkodéry.
Ultrazvukové snímače polohy používajú piezoelektrické kryštálové meniče na vyžarovanie vysokofrekvenčných ultrazvukových vĺn. Senzor meria odrazený zvuk. Ultrazvukové snímače sa môžu použiť ako jednoduché snímače priblíženia alebo zložitejšie konštrukcie môžu poskytovať informácie o vzdialenosti. Ultrazvukové snímače polohy pracujú s cieľovými objektmi z rôznych materiálov a povrchových prvkov a dokážu detekovať malé objekty vo väčších vzdialenostiach ako mnohé iné typy snímačov polohy. Sú odolné voči vibráciám, okolitému hluku, infračervenému žiareniu a elektromagnetickému rušeniu. Medzi príklady aplikácií využívajúcich ultrazvukové snímače polohy patrí detekcia hladiny kvapaliny, vysokorýchlostné počítanie objektov, robotické navigačné systémy a automobilové snímanie. Typický automobilový ultrazvukový senzor pozostáva z plastového puzdra, piezoelektrického meniča s prídavnou membránou a dosky plošných spojov s elektronickými obvodmi a mikrokontrolérmi na prenos, príjem a spracovanie signálov (obrázok 5).
Snímače polohy dokážu merať absolútny alebo relatívny lineárny, rotačný a uhlový pohyb objektov. Snímače polohy dokážu merať pohyb zariadení, ako sú akčné členy alebo motory. Používajú sa aj v mobilných platformách, ako sú roboty a autá. V snímačoch polohy sa používa množstvo technológií s rôznymi kombináciami environmentálnej odolnosti, nákladov, presnosti, opakovateľnosti a ďalších atribútov.
3D magnetické snímače polohy, Allegro Microsystems, Analýza a zvýšenie bezpečnosti ultrazvukových snímačov pre autonómne vozidlá, IEEE Internet of Things Journal, Ako vybrať snímač polohy, Cambridge Integrated Circuits, Typy snímačov polohy, Ixthus Instrumentation, Čo je indukčný snímač polohy?, Keyence, Čo je magnetostrikčné snímanie polohy?, AMETEK
Prezrite si najnovšie a staršie čísla časopisu Design World v ľahko použiteľnom a vysokokvalitnom formáte. Upravujte, zdieľajte a sťahujte ešte dnes s popredným časopisom o konštrukčnom inžinierstve.
Najlepšie svetové fórum pre riešenie problémov v oblasti elektrotechniky, ktoré sa zaoberá mikrokontrolérmi, DSP, sieťami, analógovým a digitálnym návrhom, RF, výkonovou elektronikou, smerovaním DPS a ďalšími témami.
Autorské práva © 2022 WTWH Media LLC. Všetky práva vyhradené. Materiál na tejto stránke sa nesmie reprodukovať, distribuovať, prenášať, ukladať do vyrovnávacej pamäte ani inak používať bez predchádzajúceho písomného súhlasu spoločnosti WTWH Media. Zásady ochrany osobných údajov | Reklama | O nás