Od robotskih pogonskih verig do tekočih trakov v dobavni verigi in nihanja stolpov vetrnih turbin je zaznavanje položaja ključna funkcija v številnih aplikacijah. Lahko ima različne oblike, vključno z linearnimi, rotacijskimi, kotnimi, absolutnimi, inkrementalnimi, kontaktnimi in brezkontaktnimi senzorji. Razviti so bili specializirani senzorji, ki lahko določijo položaj v treh dimenzijah. Tehnologije zaznavanja položaja vključujejo potenciometrične, induktivne, vrtinčnotokovne, kapacitivne, magnetostriktivne, Hallov efekt, optične vlakne, optične in ultrazvočne senzorje.
Ta pogosta vprašanja ponujajo kratek uvod v različne oblike zaznavanja položaja, nato pa pregledujejo vrsto tehnologij, med katerimi lahko oblikovalci izbirajo pri izvajanju rešitve za zaznavanje položaja.
Potenciometrični senzorji položaja so naprave, ki temeljijo na upornosti in združujejo fiksno uporovno tirnico z brisalcem, pritrjenim na predmet, katerega položaj je treba zaznati. Gibanje predmeta premika brisalce vzdolž tirnice. Položaj predmeta se meri z uporabo omrežja delilnikov napetosti, ki ga tvorijo tirnice in brisalci, za merjenje linearnega ali rotacijskega gibanja s fiksno enosmerno napetostjo (slika 1). Potenciometrični senzorji so poceni, vendar imajo na splošno nizko natančnost in ponovljivost.
Induktivni senzorji položaja izkoriščajo spremembe lastnosti magnetnega polja, induciranega v tuljavi senzorja. Glede na njihovo arhitekturo lahko merijo linearni ali rotacijski položaj. Senzorji položaja z linearnim spremenljivim diferencialnim transformatorjem (LVDT) uporabljajo tri tuljave, ovite okoli votle cevi; primarno tuljavo in dve sekundarni tuljavi. Tuljave so povezane zaporedno, fazni odnos sekundarne tuljave pa je 180° izven faze glede na primarno tuljavo. V cev je nameščeno feromagnetno jedro, imenovano armatura, ki je povezano s predmetom na mestu merjenja. Na primarno tuljavo se dovede vzbujevalna napetost, v sekundarni tuljavi pa se inducira elektromagnetna sila (EMF). Z merjenjem razlike napetosti med sekundarnima tuljavama je mogoče določiti relativni položaj armature in na kaj je pritrjena. Rotacijski napetostni diferencialni transformator (RVDT) uporablja isto tehniko za sledenje vrtečega se položaja. Senzorji LVDT in RVDT ponujajo dobro natančnost, linearnost, ločljivost in visoko občutljivost. So brez trenja in jih je mogoče zatesniti za uporabo v težkih okoljih.
Senzorji položaja vrtinčnih tokov delujejo s prevodnimi predmeti. Vrtinčni tokovi so inducirani tokovi, ki se pojavijo v prevodnih materialih ob prisotnosti spreminjajočega se magnetnega polja. Ti tokovi tečejo v zaprti zanki in ustvarjajo sekundarno magnetno polje. Senzorji vrtinčnih tokov so sestavljeni iz tuljav in linearizacijskih vezij. Izmenični tok napaja tuljavo in ustvarja primarno magnetno polje. Ko se predmet približa tuljavi ali se od nje oddalji, lahko njegov položaj zaznamo z interakcijo sekundarnega polja, ki ga ustvarjajo vrtinčni tokovi, kar vpliva na impedanco tuljave. Ko se predmet približa tuljavi, se izgube vrtinčnih tokov povečajo, nihajna napetost pa se zmanjša (slika 2). Nihajna napetost se usmeri in obdela z linearnim vezjem, da se ustvari linearni enosmerni izhod, sorazmeren z oddaljenostjo predmeta.
Naprave na vrtinčne tokove so robustne, brezkontaktne naprave, ki se običajno uporabljajo kot senzorji bližine. So vsesmerne in lahko določijo relativno razdaljo do predmeta, ne pa smeri ali absolutne razdalje do predmeta.
Kot že ime pove, kapacitivni senzorji položaja merijo spremembe kapacitivnosti, da določijo položaj zaznanega predmeta. Ti brezkontaktni senzorji se lahko uporabljajo za merjenje linearnega ali rotacijskega položaja. Sestavljeni so iz dveh plošč, ločenih z dielektričnim materialom, in za zaznavanje položaja predmeta uporabljajo eno od dveh metod:
Da bi povzročili spremembo dielektrične konstante, je predmet, katerega položaj je treba zaznati, pritrjen na dielektrični material. Ko se dielektrični material premika, se efektivna dielektrična konstanta kondenzatorja spreminja zaradi kombinacije površine dielektričnega materiala in dielektrične konstante zraka. Lahko pa je predmet priključen na eno od plošč kondenzatorja. Ko se predmet premika, se plošči premikata bližje ali dlje, sprememba kapacitivnosti pa se uporabi za določitev relativnega položaja.
Kapacitivni senzorji lahko merijo premik, razdaljo, položaj in debelino predmetov. Zaradi visoke stabilnosti in ločljivosti signala se kapacitivni senzorji premika uporabljajo v laboratorijskih in industrijskih okoljih. Na primer, kapacitivni senzorji se uporabljajo za merjenje debeline filma in lepilnih aplikacij v avtomatiziranih procesih. V industrijskih strojih se uporabljajo za spremljanje premika in položaja orodja.
Magnetostrikcija je lastnost feromagnetnih materialov, zaradi katere material spremeni svojo velikost ali obliko, ko je nanj nameščeno magnetno polje. V magnetostrikcijskem senzorju položaja je na merjeni predmet pritrjen premični magnet za določanje položaja. Sestavljen je iz valovoda, ki ga sestavljajo žice, ki prenašajo tokovne impulze, povezane s senzorjem, ki se nahaja na koncu valovoda (slika 3). Ko se po valovodu pošlje tokovni impulz, se v žici ustvari magnetno polje, ki interagira z aksialnim magnetnim poljem trajnega magneta (magnet v batu valja, slika 3a). Interakcijo polja povzroči zvijanje (Wiedemannov učinek), ki napne žico in ustvari zvočni impulz, ki se širi vzdolž valovoda in ga zazna senzor na koncu valovoda (slika 3b). Z merjenjem pretečenega časa med začetkom tokovnega impulza in zaznavanjem zvočnega impulza je mogoče izmeriti relativni položaj magneta za določanje položaja in s tem predmeta (slika 3c).
Magnetostriktivni senzorji položaja so brezkontaktni senzorji, ki se uporabljajo za zaznavanje linearnega položaja. Valovodi so pogosto nameščeni v ceveh iz nerjavečega jekla ali aluminija, kar omogoča uporabo teh senzorjev v umazanem ali mokrem okolju.
Ko je tanek, ploščat prevodnik postavljen v magnetno polje, se vsak tok, ki teče skozenj, ponavadi kopiči na eni strani prevodnika, kar ustvari potencialno razliko, imenovano Hallova napetost. Če je tok v prevodniku konstanten, bo velikost Hallove napetosti odražala jakost magnetnega polja. V senzorju položaja s Hallovim efektom je predmet povezan z magnetom, ki je nameščen v gredi senzorja. Ko se predmet premika, se položaj magneta spreminja glede na Hallov element, kar povzroči spreminjanje Hallove napetosti. Z merjenjem Hallove napetosti je mogoče določiti položaj predmeta. Obstajajo specializirani senzorji položaja s Hallovim efektom, ki lahko določijo položaj v treh dimenzijah (slika 4). Senzorji položaja s Hallovim efektom so brezkontaktne naprave, ki zagotavljajo visoko zanesljivost in hitro zaznavanje ter delujejo v širokem temperaturnem območju. Uporabljajo se v različnih potrošniških, industrijskih, avtomobilskih in medicinskih aplikacijah.
Obstajata dve osnovni vrsti senzorjev iz optičnih vlaken. Pri intrinzičnih senzorjih iz optičnih vlaken se vlakno uporablja kot zaznavalni element. Pri zunanjih senzorjih iz optičnih vlaken se optična vlakna kombinirajo z drugo senzorsko tehnologijo za posredovanje signala oddaljeni elektroniki za obdelavo. V primeru meritev položaja intrinzičnih vlaken se lahko za določitev časovne zakasnitve uporabi naprava, kot je optični reflektometer v časovni domeni. Premik valovne dolžine se lahko izračuna z instrumentom, ki uporablja optični reflektometer v frekvenčni domeni. Senzorji iz optičnih vlaken so imuni na elektromagnetne motnje, so lahko zasnovani za delovanje pri visokih temperaturah in niso prevodni, zato se lahko uporabljajo v bližini visokotlačnih ali vnetljivih materialov.
Za merjenje položaja se lahko uporabi tudi drugo optično zaznavanje, ki temelji na tehnologiji Braggove rešetke (FBG). FBG deluje kot zarezni filter, ki odbija majhen del svetlobe, osredotočene na Braggovo valovno dolžino (λB), ko je osvetljena s svetlobo širokega spektra. Izdelan je z mikrostrukturami, vgraviranimi v jedro vlakna. FBG se lahko uporabljajo za merjenje različnih parametrov, kot so temperatura, deformacija, tlak, nagib, premik, pospešek in obremenitev.
Obstajata dve vrsti optičnih senzorjev položaja, znanih tudi kot optični dajalniki. V enem primeru se svetloba pošlje sprejemniku na drugem koncu senzorja. Pri drugi vrsti se oddani svetlobni signal odbije od nadzorovanega predmeta in vrne v vir svetlobe. Glede na zasnovo senzorja se za določanje položaja predmeta uporabljajo spremembe lastnosti svetlobe, kot so valovna dolžina, intenzivnost, faza ali polarizacija. Optični senzorji položaja na osnovi dajalnikov so na voljo za linearno in rotacijsko gibanje. Ti senzorji spadajo v tri glavne kategorije: transmisivni optični dajalniki, odsevni optični dajalniki in interferometrični optični dajalniki.
Ultrazvočni senzorji položaja uporabljajo piezoelektrične kristalne pretvornike za oddajanje visokofrekvenčnih ultrazvočnih valov. Senzor meri odbiti zvok. Ultrazvočni senzorji se lahko uporabljajo kot preprosti senzorji bližine ali pa lahko bolj kompleksne zasnove zagotavljajo informacije o dosegu. Ultrazvočni senzorji položaja delujejo s ciljnimi predmeti iz različnih materialov in površinskih značilnosti ter lahko zaznajo majhne predmete na večjih razdaljah kot mnoge druge vrste senzorjev položaja. Odporni so na vibracije, hrup iz okolice, infrardeče sevanje in elektromagnetne motnje. Primeri uporabe ultrazvočnih senzorjev položaja vključujejo zaznavanje nivoja tekočine, hitro štetje predmetov, robotske navigacijske sisteme in avtomobilsko zaznavanje. Tipičen avtomobilski ultrazvočni senzor je sestavljen iz plastičnega ohišja, piezoelektričnega pretvornika z dodatno membrano in tiskanega vezja z elektronskimi vezji in mikrokrmilniki za oddajanje, sprejemanje in obdelavo signalov (slika 5).
Senzorji položaja lahko merijo absolutno ali relativno linearno, rotacijsko in kotno gibanje predmetov. Senzorji položaja lahko merijo gibanje naprav, kot so aktuatorji ali motorji. Uporabljajo se tudi v mobilnih platformah, kot so roboti in avtomobili. V senzorjih položaja se uporablja vrsta tehnologij z različnimi kombinacijami okoljske vzdržljivosti, stroškov, natančnosti, ponovljivosti in drugih lastnosti.
3D magnetni senzorji položaja, Allegro MicrosystemsAnaliza in izboljšanje varnosti ultrazvočnih senzorjev za avtonomna vozila, IEEE Internet of Things JournalKako izbrati senzor položaja, Cambridge Integrated CircuitsVrste senzorjev položaja, Ixthus InstrumentationKaj je induktivni senzor položaja?, KeyenceKaj je magnetostriktivno zaznavanje položaja?, AMETEK
Prebrskajte najnovejše in starejše številke revije Design World v enostavni za uporabo, visokokakovostni obliki. Uredite, delite in prenesite še danes z vodilno revijo o oblikovalskem inženirstvu.
Vodilni svetovni forum za reševanje problemov na področju elektronske opreme, ki zajema mikrokontrolerje, DSP, mreženje, analogno in digitalno načrtovanje, radiofrekvenčne tehnologije, energetsko elektroniko, usmerjanje tiskanih vezij in še več.
Avtorske pravice © 2022 WTWH Media LLC. Vse pravice pridržane. Gradiva na tej strani ni dovoljeno reproducirati, distribuirati, prenašati, shranjevati v predpomnilniku ali kako drugače uporabljati brez predhodnega pisnega dovoljenja WTWH Media. Pravilnik o zasebnosti | Oglaševanje | O nas