Från robotdrivkedjor till transportband i leveranskedjor till svajandet av vindturbintorn är positionsavkänning en kritisk funktion i en mängd olika tillämpningar. Den kan ta sig många former, inklusive linjära, roterande, vinkel-, absoluta, inkrementella, kontakt- och beröringsfria sensorer. Specialiserade sensorer har utvecklats som kan bestämma position i tre dimensioner. Positionsavkänningstekniker inkluderar potentiometrisk, induktiv, virvelströms-, kapacitiv, magnetostriktiv, Hall-effekt, fiberoptisk, optisk och ultraljudsbaserad.
Denna FAQ ger en kort introduktion till de olika formerna av positionsavkänning och granskar sedan en rad tekniker som konstruktörer kan välja mellan när de implementerar en positionsavkänningslösning.
Potentiometriska positionssensorer är resistansbaserade enheter som kombinerar ett fast resistivt spår med en torkare fäst vid objektet vars position behöver avkännas. Objektets rörelse flyttar torkaren längs spåret. Objektets position mäts med hjälp av ett spänningsdelarnätverk som bildas av skenor och torkare för att mäta linjär eller roterande rörelse med en fast likspänning (Figur 1). Potentiometriska sensorer är billiga, men har generellt låg noggrannhet och repeterbarhet.
Induktiva positionssensorer utnyttjar förändringar i egenskaperna hos det magnetfält som induceras i sensorspolen. Beroende på deras arkitektur kan de mäta linjära eller roterande positioner. Linjära variabla differentialtransformatorer (LVDT) positionssensorer använder tre spolar lindade runt ett ihåligt rör; en primärspole och två sekundärspolar. Spolarna är seriekopplade, och sekundärspolens fasförhållande är 180° ur fas i förhållande till primärspolen. En ferromagnetisk kärna som kallas ankaret placeras inuti röret och ansluts till objektet på den plats som mäts. En excitationsspänning appliceras på primärspolen och en elektromagnetisk kraft (EMF) induceras i sekundärspolen. Genom att mäta spänningsskillnaden mellan sekundärspolarna kan ankarets relativa position och vad det är fäst vid bestämmas. En roterande spänningsdifferentialtransformator (RVDT) använder samma teknik för att spåra roterande position. LVDT- och RVDT-sensorer erbjuder god noggrannhet, linjäritet, upplösning och hög känslighet. De är friktionsfria och kan tätas för användning i tuffa miljöer.
Virvelströmspositionssensorer arbetar med ledande objekt. Virvelströmmar är inducerade strömmar som uppstår i ledande material i närvaro av ett föränderligt magnetfält. Dessa strömmar flyter i en sluten slinga och genererar ett sekundärt magnetfält. Virvelströmssensorer består av spolar och linjäriseringskretsar. Växelströmmen aktiverar spolen för att skapa det primära magnetfältet. När ett objekt närmar sig eller rör sig bort från spolen kan dess position avkännas med hjälp av interaktionen mellan det sekundära fält som produceras av virvelströmmarna, vilket påverkar spolens impedans. När objektet kommer närmare spolen ökar virvelströmsförlusterna och den oscillerande spänningen blir mindre (Figur 2). Den oscillerande spänningen likriktas och bearbetas av en linjäriseringskrets för att producera en linjär likströmsutgång proportionell mot objektets avstånd.
Virvelströmssensorer är robusta, beröringsfria enheter som vanligtvis används som närhetssensorer. De är rundstrålande och kan bestämma det relativa avståndet till objektet, men inte riktningen eller det absoluta avståndet till objektet.
Som namnet antyder mäter kapacitiva positionssensorer förändringar i kapacitans för att bestämma positionen för det avkända objektet. Dessa beröringsfria sensorer kan användas för att mäta linjär eller roterande position. De består av två plattor separerade av ett dielektriskt material och använder en av två metoder för att detektera ett objekts position:
För att orsaka en förändring i den dielektriska konstanten fästs objektet vars position ska detekteras på det dielektriska materialet. När det dielektriska materialet rör sig ändras kondensatorns effektiva dielektriska konstant på grund av kombinationen av det dielektriska materialets area och luftens dielektriska konstant. Alternativt kan objektet anslutas till en av kondensatorplattorna. När objektet rör sig rör sig rör sig plattorna närmare eller längre bort, och förändringen i kapacitans används för att bestämma den relativa positionen.
Kapacitiva sensorer kan mäta objekts förskjutning, avstånd, position och tjocklek. På grund av sin höga signalstabilitet och upplösning används kapacitiva förskjutningssensorer i laboratorie- och industrimiljöer. Till exempel används kapacitiva sensorer för att mäta filmtjocklek och limapplikationer i automatiserade processer. I industrimaskiner används de för att övervaka förskjutning och verktygsposition.
Magnetostriktion är en egenskap hos ferromagnetiska material som gör att materialet ändrar storlek eller form när ett magnetfält appliceras. I en magnetostriktiv positionssensor är en rörlig positionsmagnet fäst vid objektet som mäts. Den består av en vågledare bestående av trådar som bär strömpulser, anslutna till en sensor placerad i änden av vågledaren (Figur 3). När en strömpuls skickas ner längs vågledaren skapas ett magnetfält i tråden som interagerar med det axiella magnetfältet hos permanentmagneten (magneten i cylinderkolven, Figur 3a). Fältinteraktionen orsakas av vridning (Wiedemann-effekten), vilket spänner tråden och producerar en akustisk puls som fortplantar sig längs vågledaren och detekteras av en sensor i änden av vågledaren (Fig. 3b). Genom att mäta den förflutna tiden mellan initieringen av strömpulsen och detekteringen av den akustiska pulsen kan den relativa positionen för positionsmagneten och därmed objektet mätas (Fig. 3c).
Magnetostriktiva positionssensorer är beröringsfria sensorer som används för att detektera linjär position. Vågledare är ofta inrymda i rör av rostfritt stål eller aluminium, vilket gör att dessa sensorer kan användas i smutsiga eller våta miljöer.
När en tunn, platt ledare placeras i ett magnetfält tenderar all ström som flyter att byggas upp på ena sidan av ledaren, vilket skapar en potentialskillnad som kallas Hallspänning. Om strömmen i ledaren är konstant kommer Hallspänningens storlek att återspegla magnetfältets styrka. I en Hall-effektpositionssensor är objektet anslutet till en magnet som är inrymd i sensoraxeln. När objektet rör sig ändras magnetens position i förhållande till Hall-elementet, vilket resulterar i en förändrad Hallspänning. Genom att mäta Hallspänningen kan ett objekts position bestämmas. Det finns specialiserade Hall-effektpositionssensorer som kan bestämma position i tre dimensioner (Figur 4). Hall-effektpositionssensorer är beröringsfria enheter som ger hög tillförlitlighet och snabb avkänning och arbetar över ett brett temperaturområde. De används i en rad konsument-, industri-, fordons- och medicinska applikationer.
Det finns två grundläggande typer av fiberoptiska sensorer. I intrinsiska fiberoptiska sensorer används fibern som avkänningselement. I externa fiberoptiska sensorer kombineras fiberoptik med en annan sensorteknik för att vidarebefordra signalen till fjärrelektronik för bearbetning. Vid mätning av intrinsiska fiberpositioner kan en anordning som en optisk tidsdomänreflektometer användas för att bestämma tidsfördröjningen. Våglängdsförskjutningen kan beräknas med hjälp av ett instrument som implementerar en optisk frekvensdomänreflektometer. Fiberoptiska sensorer är immuna mot elektromagnetisk störning, kan utformas för att arbeta vid höga temperaturer och är icke-ledande, så de kan användas nära högtryck eller brandfarliga material.
En annan fiberoptisk avkänning baserad på fiber Bragg-gitterteknik (FBG) kan också användas för positionsmätning. FBG fungerar som ett skårfilter som reflekterar en liten del av ljuset centrerat på Bragg-våglängden (λB) när det belyses av bredspektrumljus. Det är tillverkat med mikrostrukturer etsade i fiberkärnan. FBG:er kan användas för att mäta olika parametrar såsom temperatur, töjning, tryck, lutning, förskjutning, acceleration och belastning.
Det finns två typer av optiska positionssensorer, även kända som optiska kodare. I det ena fallet skickas ljus till en mottagare i andra änden av sensorn. I den andra typen reflekteras den utsända ljussignalen av det övervakade objektet och återförs till ljuskällan. Beroende på sensorns design används förändringar i ljusegenskaper, såsom våglängd, intensitet, fas eller polarisering, för att bestämma ett objekts position. Kodarbaserade optiska positionssensorer finns tillgängliga för linjär och roterande rörelse. Dessa sensorer delas in i tre huvudkategorier; transmissiva optiska kodare, reflekterande optiska kodare och interferometriska optiska kodare.
Ultraljudspositionssensorer använder piezoelektriska kristallomvandlare för att avge högfrekventa ultraljudsvågor. Sensorn mäter det reflekterade ljudet. Ultraljudssensorer kan användas som enkla närhetssensorer, eller mer komplexa konstruktioner kan ge avståndsinformation. Ultraljudspositionssensorer arbetar med målobjekt av en mängd olika material och ytegenskaper och kan detektera små föremål på större avstånd än många andra typer av positionssensorer. De är resistenta mot vibrationer, omgivningsbuller, infraröd strålning och elektromagnetisk störning. Exempel på tillämpningar som använder ultraljudspositionssensorer inkluderar vätskenivådetektering, höghastighetsräkning av objekt, robotnavigationssystem och fordonsavkänning. En typisk ultraljudssensor för fordon består av ett plasthölje, en piezoelektrisk omvandlare med ett extra membran och ett kretskort med elektroniska kretsar och mikrokontroller för att sända, ta emot och bearbeta signaler (Figur 5).
Positionssensorer kan mäta absolut eller relativ linjär, rotations- och vinkelrörelse hos objekt. Positionssensorer kan mäta rörelsen hos enheter som ställdon eller motorer. De används också i mobila plattformar som robotar och bilar. En mängd olika tekniker används i positionssensorer med olika kombinationer av miljömässig hållbarhet, kostnad, noggrannhet, repeterbarhet och andra attribut.
3D-magnetiska positionssensorer, Allegro MicrosystemsAnalysera och förbättra säkerheten hos ultraljudssensorer för autonoma fordon, IEEE Internet of Things Journal Hur man väljer en positionssensor, Cambridge Integrated CircuitsPositionssensortyper, Ixthus InstrumentationVad är en induktiv positionssensor?, Keyence Vad är magnetostriktiv positionsavkänning?, AMETEK
Bläddra bland de senaste numren av Design World och tidigare nummer i ett lättanvänt och högkvalitativt format. Redigera, dela och ladda ner idag med den ledande design- och ingenjörstidningen.
Världens främsta problemlösande EE-forum som täcker mikrokontroller, DSP, nätverk, analog och digital design, RF, kraftelektronik, PCB-routing och mer.
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. Alla rättigheter förbehållna. Materialet på denna webbplats får inte reproduceras, distribueras, överföras, cachas eller på annat sätt användas utan föregående skriftligt tillstånd från WTWH Media. Integritetspolicy | Annonsering | Om oss