Од роботских погонских ланаца до транспортних трака у операцијама ланца снабдевања, па све до њихања торњева ветротурбина, сензор положаја је критична функција у широком спектру примена. Може имати много облика, укључујући линеарне, ротационе, угаоне, апсолутне, инкременталне, контактне и бесконтактне сензоре. Развијени су специјализовани сензори који могу да одреде положај у три димензије. Технологије сензора положаја укључују потенциометријске, индуктивне, вртложне струјне, капацитивне, магнетостриктивне, Холов ефекат, оптичке влакнасте, оптичке и ултразвучне сензоре.
Ова често постављана питања пружају кратак увод у различите облике сензора положаја, а затим прегледају низ технологија које дизајнери могу да изаберу приликом имплементације решења за сензор положаја.
Потенциометријски сензори положаја су уређаји засновани на отпору који комбинују фиксну отпорну траку са брисачем причвршћеним за објекат чији положај треба детектовати. Кретање објекта помера брисаче дуж траке. Положај објекта се мери коришћењем мреже делитеља напона коју формирају шине и брисачи за мерење линеарног или ротационог кретања са фиксним једносмерним напоном (слика 1). Потенциометријски сензори су јефтини, али генерално имају ниску тачност и поновљивост.
Индуктивни сензори положаја користе промене у својствима магнетног поља индукованог у калему сензора. У зависности од њихове архитектуре, могу мерити линеарни или ротациони положај. Сензори положаја са линеарним променљивим диференцијалним трансформатором (LVDT) користе три калема обмотана око шупље цеви; примарни калем и два секундарна калема. Калеми су повезани серијски, а фазни однос секундарног калема је 180° ван фазе у односу на примарни калем. Феромагнетно језгро, названо арматура, постављено је унутар цеви и повезано са објектом на локацији која се мери. На примарни калем се примењује напон побуде, а у секундарном калему се индукује електромагнетна сила (ЕМС). Мерењем разлике напона између секундарних калема може се одредити релативни положај арматуре и оно на шта је причвршћена. Ротациони диференцијални трансформатор напона (RVDT) користи исту технику за праћење ротационог положаја. LVDT и RVDT сензори нуде добру тачност, линеарност, резолуцију и високу осетљивост. Без трења су и могу се заптивати за употребу у тешким условима.
Сензори положаја вртложних струја раде са проводљивим објектима. Вртложне струје су индуковане струје које се јављају у проводљивим материјалима у присуству променљивог магнетног поља. Ове струје теку у затвореној петљи и генеришу секундарно магнетно поље. Сензори вртложних струја састоје се од калема и линеаризационих кола. Наизменична струја напаја калем да би створила примарно магнетно поље. Када се објекат приближава или удаљава од калема, његов положај се може детектовати коришћењем интеракције секундарног поља које производе вртложне струје, што утиче на импедансу калема. Како се објекат приближава калему, губици вртложних струја се повећавају, а осцилујући напон постаје мањи (слика 2). Осцилујући напон се исправља и обрађује помоћу линеаризаторског кола да би се произвео линеарни једносмерни излаз пропорционалан удаљености објекта.
Уређаји са вртложним струјама су робусни, бесконтактни уређаји који се обично користе као сензори близине. Они су свесмерни и могу одредити релативну удаљеност до објекта, али не и смер или апсолутну удаљеност до објекта.
Као што и само име сугерише, капацитивни сензори положаја мере промене капацитивности како би одредили положај објекта који се детектује. Ови бесконтактни сензори могу се користити за мерење линеарног или ротационог положаја. Састоје се од две плоче раздвојене диелектричним материјалом и користе једну од две методе за детекцију положаја објекта:
Да би се изазвала промена диелектричне константе, објекат чији положај треба детектовати је причвршћен за диелектрични материјал. Како се диелектрични материјал креће, ефективна диелектрична константа кондензатора се мења због комбинације површине диелектричног материјала и диелектричне константе ваздуха. Алтернативно, објекат може бити повезан са једном од плоча кондензатора. Како се објекат креће, плоче се приближавају или удаљавају, а промена капацитета се користи за одређивање релативног положаја.
Капацитивни сензори могу да мере померање, растојање, положај и дебљину објеката. Због високе стабилности и резолуције сигнала, капацитивни сензори померања се користе у лабораторијским и индустријским окружењима. На пример, капацитивни сензори се користе за мерење дебљине филма и примене лепка у аутоматизованим процесима. У индустријским машинама користе се за праћење померања и положаја алата.
Магнетострикција је својство феромагнетних материјала које узрокује да материјал мења своју величину или облик када се примени магнетно поље. Код магнетостриктивног сензора положаја, покретни магнет за положај је причвршћен за објекат који се мери. Састоји се од таласовода који се састоји од жица које носе струјне импулсе, повезаних са сензором који се налази на крају таласовода (слика 3). Када се струјни импулс пошаље низ таласовод, у жици се ствара магнетно поље које интерагује са аксијалним магнетним пољем сталног магнета (магнет у клипу цилиндра, слика 3а). Интеракција поља је узрокована увијањем (Видеманов ефекат), које затеже жицу, производећи акустични импулс који се шири дуж таласовода и који детектује сензор на крају таласовода (слика 3б). Мерењем протеклог времена између почетка струјног импулса и детекције акустичног импулса, може се измерити релативни положај магнета за положај, а самим тим и објекта (слика 3ц).
Магнетостриктивни сензори положаја су бесконтактни сензори који се користе за детекцију линеарног положаја. Таласоводи су често смештени у цевима од нерђајућег челика или алуминијума, што омогућава употребу ових сензора у прљавим или влажним окружењима.
Када се танак, раван проводник постави у магнетно поље, свака струја која тече тежи да се нагомила на једној страни проводника, стварајући потенцијалну разлику која се назива Холов напон. Ако је струја у проводнику константна, величина Холовог напона ће одражавати јачину магнетног поља. Код сензора положаја са Холовим ефектом, објекат је повезан са магнетом смештеним у осовини сензора. Како се објекат креће, положај магнета се мења у односу на Холов елемент, што резултира променом Холовог напона. Мерењем Холовог напона може се одредити положај објекта. Постоје специјализовани сензори положаја са Холовим ефектом који могу да одреде положај у три димензије (слика 4). Сензори положаја са Холовим ефектом су бесконтактни уређаји који пружају високу поузданост и брзо детектовање и раде у широком температурном опсегу. Користе се у низу потрошачких, индустријских, аутомобилских и медицинских примена.
Постоје два основна типа сензора од оптичких влакана. Код унутрашњих сензора од оптичких влакана, влакно се користи као сензорски елемент. Код екстерних сензора од оптичких влакана, оптичка влакна се комбинују са другом сензорском технологијом за пренос сигнала до удаљене електронике ради обраде. У случају унутрашњих мерења положаја влакана, уређај као што је оптички рефлектометар у временском домену може се користити за одређивање временског кашњења. Померање таласне дужине може се израчунати помоћу инструмента који имплементира оптички рефлектометар у фреквентном домену. Сензори од оптичких влакана су имуни на електромагнетне сметње, могу бити дизајнирани за рад на високим температурама и нису проводљиви, тако да се могу користити у близини високог притиска или запаљивих материјала.
Још једно оптичко сензорско мерење засновано на технологији влакнасте Брагове решетке (FBG) такође се може користити за мерење положаја. FBG делује као зарезни филтер, рефлектујући мали део светлости центриране на Браговој таласној дужини (λB) када је осветљена светлошћу широког спектра. Направљена је са микроструктурама угравираним у језгро влакна. FBG се могу користити за мерење различитих параметара као што су температура, напрезање, притисак, нагиб, померање, убрзање и оптерећење.
Постоје две врсте оптичких сензора положаја, познатих и као оптички енкодери. У једном случају, светлост се шаље пријемнику на другом крају сензора. Код другог типа, емитовани светлосни сигнал се рефлектује од праћеног објекта и враћа се извору светлости. У зависности од дизајна сензора, промене у својствима светлости, као што су таласна дужина, интензитет, фаза или поларизација, користе се за одређивање положаја објекта. Оптички сензори положаја засновани на енкодерима доступни су за линеарно и ротационо кретање. Ови сензори се деле у три главне категорије: трансмисивни оптички енкодери, рефлективни оптички енкодери и интерферометријски оптички енкодери.
Ултразвучни сензори положаја користе пиезоелектричне кристалне претвараче за емитовање ултразвучних таласа високе фреквенције. Сензор мери рефлектовани звук. Ултразвучни сензори могу се користити као једноставни сензори близине, или сложенији дизајни могу пружити информације о домету. Ултразвучни сензори положаја раде са циљним објектима од различитих материјала и површинских карактеристика и могу детектовати мале објекте на већим удаљеностима од многих других врста сензора положаја. Отпорни су на вибрације, амбијенталну буку, инфрацрвено зрачење и електромагнетне сметње. Примери примене која користи ултразвучне сензоре положаја укључују детекцију нивоа течности, брзо бројање објеката, роботске навигационе системе и аутомобилско сензорство. Типичан аутомобилски ултразвучни сензор састоји се од пластичног кућишта, пиезоелектричног претварача са додатном мембраном и штампане плоче са електронским колима и микроконтролерима за пренос, пријем и обраду сигнала (слика 5).
Сензори положаја могу да мере апсолутно или релативно линеарно, ротационо и угаоно кретање објеката. Сензори положаја могу да мере кретање уређаја као што су актуатори или мотори. Такође се користе у мобилним платформама као што су роботи и аутомобили. У сензорима положаја користи се низ технологија са различитим комбинацијама еколошке издржљивости, трошкова, тачности, поновљивости и других атрибута.
3Д магнетни сензори положаја, Allegro Microsystems, Анализа и побољшање безбедности ултразвучних сензора за аутономна возила, IEEE Internet of Things Journal, Како одабрати сензор положаја, Cambridge Integrated Circuits, Типови сензора положаја, Ixthus Instrumentation, Шта је индуктивни сензор положаја?, Keyence, Шта је магнетостриктивно мерење положаја?, AMETEK
Прегледајте најновија издања часописа Design World и претходна издања у једноставном за коришћење, висококвалитетном формату. Уредите, делите и преузмите данас помоћу водећег часописа за инжењерство дизајна.
Најбољи светски форум за решавање проблема у области електротехнике и електронике, који покрива микроконтролере, DSP, умрежавање, аналогни и дигитални дизајн, РФ, енергетску електронику, рутирање штампаних плоча и још много тога.
Ауторска права © 2022 WTWH Media LLC. Сва права задржана. Материјал на овој страници не сме се репродуковати, дистрибуирати, преносити, кеширати или на други начин користити без претходне писмене дозволе WTWH Media. Политика приватности | Оглашавање | О нама