ตั้งแต่โซ่ขับเคลื่อนของหุ่นยนต์ไปจนถึงสายพานลำเลียงในห่วงโซ่อุปทาน และการแกว่งของเสากังหันลม การตรวจจับตำแหน่งเป็นฟังก์ชันที่สำคัญในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย โดยสามารถมีได้หลายรูปแบบ เช่น เซ็นเซอร์เชิงเส้น เซ็นเซอร์แบบหมุน เซ็นเซอร์เชิงมุม เซ็นเซอร์แบบสัมบูรณ์ เซ็นเซอร์แบบเพิ่มค่า เซ็นเซอร์แบบสัมผัส และเซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัส มีการพัฒนาเซ็นเซอร์เฉพาะทางที่สามารถกำหนดตำแหน่งในสามมิติได้ เทคโนโลยีการตรวจจับตำแหน่ง ได้แก่ โพเทนชิโอเมตริก อินดักทีฟ กระแสไหลวน คาปาซิทีฟ แมกนีโตสตริกทีฟ ฮอลล์เอฟเฟกต์ ไฟเบอร์ออปติก ออปติก และอัลตราโซนิก
คำถามที่พบบ่อยนี้จะให้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับรูปแบบต่างๆ ของการตรวจจับตำแหน่ง จากนั้นจะทบทวนเทคโนโลยีต่างๆ ที่นักออกแบบสามารถเลือกใช้ได้เมื่อนำโซลูชันการตรวจจับตำแหน่งไปใช้
เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบโพเทนชิโอเมตริกเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ความต้านทาน โดยประกอบด้วยรางความต้านทานคงที่และตัวเลื่อนที่ติดอยู่กับวัตถุที่ต้องการวัดตำแหน่ง การเคลื่อนที่ของวัตถุจะทำให้ตัวเลื่อนเคลื่อนที่ไปตามราง ตำแหน่งของวัตถุจะถูกวัดโดยใช้เครือข่ายตัวแบ่งแรงดันที่ประกอบด้วยรางและตัวเลื่อนเพื่อวัดการเคลื่อนที่เชิงเส้นหรือการหมุนด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงคงที่ (รูปที่ 1) เซ็นเซอร์แบบโพเทนชิโอเมตริกมีราคาถูก แต่โดยทั่วไปมีความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำต่ำ
เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบเหนี่ยวนำใช้หลักการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของสนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำในขดลวดเซ็นเซอร์ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของมัน เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถวัดตำแหน่งเชิงเส้นหรือเชิงหมุนได้ เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบหม้อแปลงดิฟเฟอเรนเชียลเชิงเส้น (LVDT) ใช้ขดลวดสามขดพันรอบท่อกลวง ได้แก่ ขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิสองขด ขดลวดเหล่านี้ต่อกันแบบอนุกรม และเฟสของขดลวดทุติยภูมิจะต่างเฟส 180° กับขดลวดปฐมภูมิ แกนเฟอร์โรแมกเนติกที่เรียกว่าอาร์มาเจอร์จะถูกวางไว้ภายในท่อและเชื่อมต่อกับวัตถุ ณ ตำแหน่งที่ต้องการวัด แรงดันกระตุ้นจะถูกจ่ายให้กับขดลวดปฐมภูมิและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (EMF) จะถูกเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ โดยการวัดความแตกต่างของแรงดันระหว่างขดลวดทุติยภูมิ สามารถกำหนดตำแหน่งสัมพัทธ์ของอาร์มาเจอร์และสิ่งที่มันเชื่อมต่ออยู่ได้ หม้อแปลงดิฟเฟอเรนเชียลแรงดันหมุน (RVDT) ใช้เทคนิคเดียวกันในการติดตามตำแหน่งเชิงหมุน เซ็นเซอร์ LVDT และ RVDT มีความแม่นยำ ความเป็นเส้นตรง ความละเอียด และความไวสูง ไม่มีแรงเสียดทาน และสามารถปิดผนึกเพื่อใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้
เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งกระแสไหลวนทำงานกับวัตถุที่เป็นตัวนำ กระแสไหลวนเป็นกระแสเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในวัสดุที่เป็นตัวนำเมื่อมีสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง กระแสเหล่านี้ไหลเป็นวงปิดและสร้างสนามแม่เหล็กทุติยภูมิ เซ็นเซอร์กระแสไหลวนประกอบด้วยขดลวดและวงจรปรับค่าเชิงเส้น กระแสสลับจะให้พลังงานแก่ขดลวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กปฐมภูมิ เมื่อวัตถุเข้าใกล้หรือเคลื่อนที่ออกห่างจากขดลวด ตำแหน่งของวัตถุสามารถตรวจจับได้โดยใช้ปฏิสัมพันธ์ของสนามทุติยภูมิที่เกิดจากกระแสไหลวน ซึ่งส่งผลต่ออิมพีแดนซ์ของขดลวด เมื่อวัตถุเข้าใกล้ขดลวดมากขึ้น การสูญเสียจากกระแสไหลวนจะเพิ่มขึ้นและแรงดันไฟฟ้าที่สั่นจะลดลง (รูปที่ 2) แรงดันไฟฟ้าที่สั่นจะถูกแปลงเป็นกระแสตรงและประมวลผลโดยวงจรปรับค่าเชิงเส้นเพื่อสร้างเอาต์พุตกระแสตรงเชิงเส้นที่แปรผันตามระยะห่างของวัตถุ
อุปกรณ์กระแสไหลวนเป็นอุปกรณ์ที่ทนทานและไม่สัมผัสกับวัตถุ โดยทั่วไปใช้เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับระยะใกล้ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถตรวจจับได้รอบทิศทางและกำหนดระยะห่างสัมพัทธ์จากวัตถุได้ แต่ไม่สามารถระบุทิศทางหรือระยะห่างสัมบูรณ์จากวัตถุได้
อย่างที่ชื่อบ่งบอก เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบคาปาซิทีฟจะวัดการเปลี่ยนแปลงของค่าคาปาซิแตนซ์เพื่อกำหนดตำแหน่งของวัตถุที่กำลังตรวจจับ เซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสเหล่านี้สามารถใช้ในการวัดตำแหน่งเชิงเส้นหรือเชิงหมุนได้ ประกอบด้วยแผ่นโลหะสองแผ่นที่คั่นด้วยวัสดุไดอิเล็กทริก และใช้หนึ่งในสองวิธีในการตรวจจับตำแหน่งของวัตถุ:
เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในค่าคงที่ไดอิเล็กตริก วัตถุที่ต้องการตรวจจับตำแหน่งจะถูกติดเข้ากับวัสดุไดอิเล็กตริก เมื่อวัสดุไดอิเล็กตริกเคลื่อนที่ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากการรวมกันของพื้นที่ของวัสดุไดอิเล็กตริกและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของอากาศ หรืออีกวิธีหนึ่ง วัตถุสามารถเชื่อมต่อเข้ากับแผ่นตัวเก็บประจุแผ่นใดแผ่นหนึ่งได้ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ แผ่นตัวเก็บประจุจะเคลื่อนเข้าใกล้หรือห่างออกจากกัน และการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุจะถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งสัมพัทธ์
เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟสามารถวัดการเคลื่อนที่ ระยะทาง ตำแหน่ง และความหนาของวัตถุได้ เนื่องจากมีความเสถียรของสัญญาณและความละเอียดสูง เซ็นเซอร์วัดการเคลื่อนที่แบบคาปาซิทีฟจึงถูกนำไปใช้ในห้องปฏิบัติการและสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟถูกใช้ในการวัดความหนาของฟิล์มและการใช้งานกาวในกระบวนการอัตโนมัติ ในเครื่องจักรทางอุตสาหกรรม เซ็นเซอร์เหล่านี้ถูกใช้เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่และตำแหน่งของเครื่องมือ
ปรากฏการณ์แมกนีโตสตริกชัน (Magnetostriction) เป็นคุณสมบัติของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกที่ทำให้วัสดุเปลี่ยนขนาดหรือรูปร่างเมื่อมีสนามแม่เหล็กมากระทำ ในเซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบแมกนีโตสตริกชัน จะมีแม่เหล็กวัดตำแหน่งที่เคลื่อนที่ได้ติดอยู่กับวัตถุที่ต้องการวัด เซ็นเซอร์นี้ประกอบด้วยท่อนำคลื่นที่ประกอบด้วยลวดที่นำกระแสไฟฟ้าเป็นพัลส์ เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ที่อยู่ปลายท่อนำคลื่น (ภาพที่ 3) เมื่อกระแสไฟฟ้าเป็นพัลส์ถูกส่งผ่านท่อนำคลื่น จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นในลวดและทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กตามแนวแกนของแม่เหล็กถาวร (แม่เหล็กในลูกสูบกระบอกสูบ ภาพที่ 3a) ปฏิกิริยาของสนามเกิดจากการบิด (ปรากฏการณ์วีเดมันน์) ซึ่งทำให้ลวดเกิดความเครียด ส่งผลให้เกิดคลื่นเสียงที่แพร่กระจายไปตามท่อนำคลื่นและถูกตรวจจับโดยเซ็นเซอร์ที่ปลายท่อนำคลื่น (ภาพที่ 3b) โดยการวัดเวลาที่ผ่านไประหว่างการเริ่มต้นของกระแสไฟฟ้าเป็นพัลส์และการตรวจจับคลื่นเสียง ตำแหน่งสัมพัทธ์ของแม่เหล็กวัดตำแหน่งและวัตถุจึงสามารถวัดได้ (ภาพที่ 3c)
เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบแมกนีโตสตริกทีฟเป็นเซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสที่ใช้ตรวจจับตำแหน่งเชิงเส้น โดยทั่วไปตัวนำคลื่นมักบรรจุอยู่ในท่อสแตนเลสหรืออลูมิเนียม ทำให้สามารถใช้เซ็นเซอร์เหล่านี้ในสภาพแวดล้อมที่สกปรกหรือเปียกชื้นได้
เมื่อวางตัวนำบางและแบนราบไว้ในสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะสะสมอยู่ด้านใดด้านหนึ่งของตัวนำ ทำให้เกิดความต่างศักย์ที่เรียกว่าแรงดันฮอลล์ หากกระแสไฟฟ้าในตัวนำคงที่ ขนาดของแรงดันฮอลล์จะสะท้อนถึงความแรงของสนามแม่เหล็ก ในเซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ วัตถุจะเชื่อมต่อกับแม่เหล็กที่อยู่ในแกนของเซ็นเซอร์ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ ตำแหน่งของแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับองค์ประกอบฮอลล์ ส่งผลให้แรงดันฮอลล์เปลี่ยนแปลง การวัดแรงดันฮอลล์ทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งของวัตถุได้ มีเซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ชนิดพิเศษที่สามารถกำหนดตำแหน่งในสามมิติได้ (รูปที่ 4) เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบฮอลล์เอฟเฟกต์เป็นอุปกรณ์แบบไม่สัมผัสที่ให้ความน่าเชื่อถือสูง ตรวจจับได้รวดเร็ว และทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง มีการใช้งานในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมทั่วไป อุตสาหกรรมยานยนต์ และอุตสาหกรรมการแพทย์
เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงมีสองประเภทพื้นฐาน ในเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงแบบภายใน ใยแก้วนำแสงถูกใช้เป็นองค์ประกอบในการตรวจจับ ในเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงแบบภายนอก ใยแก้วนำแสงจะถูกรวมเข้ากับเทคโนโลยีเซ็นเซอร์อื่นเพื่อส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระยะไกลเพื่อประมวลผล ในกรณีของการวัดตำแหน่งด้วยใยแก้วนำแสงแบบภายใน สามารถใช้อุปกรณ์เช่นเครื่องวัดการสะท้อนแสงแบบโดเมนเวลา (Optical Time Domain Reflectometer) เพื่อกำหนดความล่าช้าของเวลาได้ การเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นสามารถคำนวณได้โดยใช้เครื่องมือที่ใช้เครื่องวัดการสะท้อนแสงแบบโดเมนความถี่ (Optical Frequency Domain Reflectometer) เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงทนต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถออกแบบให้ทำงานได้ที่อุณหภูมิสูง และไม่นำไฟฟ้า ดังนั้นจึงสามารถใช้ใกล้กับวัสดุที่มีแรงดันสูงหรือวัสดุไวไฟได้
นอกจากนี้ ยังมีเทคโนโลยีการตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงอีกวิธีหนึ่งที่ใช้เทคโนโลยีไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง (FBG) ซึ่งสามารถใช้ในการวัดตำแหน่งได้เช่นกัน FBG ทำหน้าที่เป็นตัวกรองแบบรอยบาก โดยสะท้อนแสงเพียงส่วนน้อยที่ความยาวคลื่นแบร็ก (λB) เมื่อได้รับแสงที่มีสเปกตรัมกว้าง FBG ถูกสร้างขึ้นโดยการสลักโครงสร้างขนาดเล็กเข้าไปในแกนใยแก้ว FBG สามารถใช้ในการวัดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความเครียด ความดัน การเอียง การเคลื่อนที่ ความเร่ง และภาระ
เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งด้วยแสง หรือที่เรียกว่าตัวเข้ารหัสแสง มีสองประเภท ในกรณีแรก แสงจะถูกส่งไปยังตัวรับที่ปลายอีกด้านของเซ็นเซอร์ ในประเภทที่สอง สัญญาณแสงที่ปล่อยออกมาจะสะท้อนจากวัตถุที่ต้องการตรวจสอบและส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิดแสง ขึ้นอยู่กับการออกแบบเซ็นเซอร์ การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของแสง เช่น ความยาวคลื่น ความเข้ม เฟส หรือโพลาไรเซชัน จะถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งของวัตถุ เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งด้วยแสงแบบใช้ตัวเข้ารหัสมีให้เลือกใช้สำหรับการเคลื่อนที่เชิงเส้นและเชิงหมุน เซ็นเซอร์เหล่านี้แบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ ตัวเข้ารหัสแสงแบบส่งผ่าน ตัวเข้ารหัสแสงแบบสะท้อน และตัวเข้ารหัสแสงแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริก
เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งอัลตราโซนิกใช้ตัวแปลงสัญญาณผลึกเพียโซอิเล็กทริกในการปล่อยคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง เซ็นเซอร์จะวัดเสียงสะท้อน เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับระยะใกล้แบบง่าย หรือออกแบบที่ซับซ้อนกว่าเพื่อให้ข้อมูลระยะทางได้ เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งอัลตราโซนิกทำงานได้กับวัตถุเป้าหมายที่มีวัสดุและลักษณะพื้นผิวที่หลากหลาย และสามารถตรวจจับวัตถุขนาดเล็กได้ในระยะทางที่ไกลกว่าเซ็นเซอร์วัดตำแหน่งประเภทอื่นๆ หลายชนิด เซ็นเซอร์เหล่านี้ทนต่อการสั่นสะเทือน เสียงรบกวนรอบข้าง รังสีอินฟราเรด และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างการใช้งานเซ็นเซอร์วัดตำแหน่งอัลตราโซนิก ได้แก่ การตรวจจับระดับของเหลว การนับวัตถุความเร็วสูง ระบบนำทางหุ่นยนต์ และการตรวจจับในยานยนต์ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสำหรับยานยนต์ทั่วไปประกอบด้วยตัวเรือนพลาสติก ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกที่มีเมมเบรนเพิ่มเติม และแผงวงจรพิมพ์ที่มีวงจรไฟฟ้าและไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับการส่ง รับ และประมวลผลสัญญาณ (รูปที่ 5)
เซ็นเซอร์ตำแหน่งสามารถวัดการเคลื่อนที่เชิงเส้น การหมุน และเชิงมุมแบบสัมบูรณ์หรือสัมพัทธ์ของวัตถุได้ เซ็นเซอร์ตำแหน่งสามารถวัดการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น แอคชูเอเตอร์หรือมอเตอร์ได้ นอกจากนี้ยังใช้ในแพลตฟอร์มเคลื่อนที่ เช่น หุ่นยนต์และรถยนต์ เทคโนโลยีต่างๆ ถูกนำมาใช้ในเซ็นเซอร์ตำแหน่ง โดยมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปในด้านความทนทานต่อสภาพแวดล้อม ต้นทุน ความแม่นยำ ความสามารถในการทำซ้ำ และคุณลักษณะอื่นๆ
เซ็นเซอร์ตำแหน่งแม่เหล็ก 3 มิติ, Allegro Microsystems การวิเคราะห์และเพิ่มประสิทธิภาพความปลอดภัยของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสำหรับยานยนต์ไร้คนขับ, IEEE Internet of Things Journal วิธีการเลือกเซ็นเซอร์ตำแหน่ง, Cambridge Integrated Circuits ประเภทของเซ็นเซอร์ตำแหน่ง, Ixthus Instrumentation เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบเหนี่ยวนำคืออะไร?, Keyence การตรวจจับตำแหน่งแบบแมกนีโตสตริกทีฟคืออะไร?, AMETEK
เรียกดูนิตยสาร Design World ฉบับล่าสุดและฉบับเก่าๆ ในรูปแบบคุณภาพสูงที่ใช้งานง่าย แก้ไข แชร์ และดาวน์โหลดได้แล้ววันนี้กับนิตยสารด้านวิศวกรรมการออกแบบชั้นนำ
ฟอรัมด้านวิศวกรรมไฟฟ้าชั้นนำระดับโลกที่มุ่งเน้นการแก้ปัญหา ครอบคลุมหัวข้อต่างๆ เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์, DSP, ระบบเครือข่าย, การออกแบบอนาล็อกและดิจิทัล, RF, อิเล็กทรอนิกส์กำลัง, การวางเส้นทาง PCB และอื่นๆ
ลิขสิทธิ์ © 2022 WTWH Media LLC สงวนลิขสิทธิ์ทุกประการ เนื้อหาในเว็บไซต์นี้ห้ามทำซ้ำ แจกจ่าย ส่งต่อ จัดเก็บ หรือใช้งานในลักษณะอื่นใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษรจาก WTWH Media ก่อน นโยบายความเป็นส่วนตัว | การโฆษณา | เกี่ยวกับเรา