การตรวจจับตำแหน่งเป็นฟังก์ชันที่สำคัญในแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย ตั้งแต่โซ่ขับเคลื่อนหุ่นยนต์ไปจนถึงสายพานลำเลียงในการดำเนินงานห่วงโซ่อุปทาน ไปจนถึงการแกว่งของเสากังหันลม การตรวจจับตำแหน่งสามารถทำได้หลายรูปแบบ เช่น เซ็นเซอร์เชิงเส้น เซ็นเซอร์หมุน เซ็นเซอร์เชิงมุม เซ็นเซอร์สัมบูรณ์ เซ็นเซอร์เชิงเพิ่ม เซ็นเซอร์สัมผัส เซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัส เซ็นเซอร์เฉพาะทางได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อตรวจจับตำแหน่งในสามมิติ เทคโนโลยีการตรวจจับตำแหน่ง ได้แก่ โพเทนชิโอเมตริก เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ เซ็นเซอร์กระแสวน เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟ เซ็นเซอร์แมกนีโตสตริกทีฟ เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์ ไฟเบอร์ออปติก เซ็นเซอร์ออปติคัล และเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก
คำถามที่พบบ่อยนี้จะให้คำแนะนำสั้นๆ เกี่ยวกับรูปแบบต่างๆ ของการตรวจจับตำแหน่ง จากนั้นจะทบทวนเทคโนโลยีต่างๆ ที่นักออกแบบสามารถเลือกใช้เมื่อนำโซลูชันการตรวจจับตำแหน่งไปใช้
เซนเซอร์ตำแหน่งโพเทนชิโอเมตริกเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ความต้านทานซึ่งรวมแทร็กตัวต้านทานแบบคงที่กับที่ปัดซึ่งติดอยู่กับวัตถุที่ต้องการตรวจจับตำแหน่ง การเคลื่อนไหวของวัตถุจะทำให้ที่ปัดเคลื่อนไปตามแทร็ก ตำแหน่งของวัตถุจะวัดโดยใช้เครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากรางและที่ปัดเพื่อวัดการเคลื่อนที่เชิงเส้นหรือการหมุนด้วยแรงดันไฟฟ้า DC คงที่ (รูปที่ 1) เซนเซอร์โพเทนชิโอเมตริกมีต้นทุนต่ำ แต่โดยทั่วไปจะมีความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำได้ต่ำ
เซ็นเซอร์ตำแหน่งเหนี่ยวนำใช้การเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติของสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำในขดลวดเซ็นเซอร์ โดยขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมของเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์สามารถวัดตำแหน่งเชิงเส้นหรือการหมุนได้ เซ็นเซอร์ตำแหน่งหม้อแปลงเชิงอนุพันธ์แปรผันเชิงเส้น (LVDT) ใช้ขดลวด 3 ขดลวดพันรอบท่อกลวง ขดลวดปฐมภูมิ 1 ขดลวดและขดลวดทุติยภูมิ 2 ขดลวดเชื่อมต่อแบบอนุกรม และความสัมพันธ์ของเฟสของขดลวดทุติยภูมิจะต่างเฟสกับขดลวดปฐมภูมิ 180° แกนเฟอร์โรแมกเนติกที่เรียกว่าอาร์เมเจอร์จะถูกวางไว้ภายในท่อและเชื่อมต่อกับวัตถุในตำแหน่งที่ต้องการวัด แรงดันไฟฟ้ากระตุ้นจะถูกจ่ายให้กับขดลวดปฐมภูมิ และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (EMF) จะถูกเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ ด้วยการวัดความต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างขดลวดทุติยภูมิ เราสามารถกำหนดตำแหน่งสัมพันธ์ของอาร์เมเจอร์และสิ่งที่ติดอยู่ได้ หม้อแปลงเชิงอนุพันธ์ของแรงดันไฟฟ้าหมุน (RVDT) ใช้เทคนิคเดียวกันในการติดตามตำแหน่งการหมุน เซ็นเซอร์ LVDT และ RVDT ให้ความแม่นยำ ความเป็นเส้นตรง ความละเอียด และความไวสูงที่ดี เซ็นเซอร์เหล่านี้ไม่มีแรงเสียดทานและสามารถปิดผนึกเพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้
เซ็นเซอร์ตำแหน่งกระแสวนทำงานกับวัตถุที่มีสภาพเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า กระแสวนคือกระแสเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในวัสดุที่มีสภาพเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในที่ที่มีสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง กระแสเหล่านี้ไหลในวงจรปิดและสร้างสนามแม่เหล็กทุติยภูมิ เซ็นเซอร์กระแสวนประกอบด้วยขดลวดและวงจรเชิงเส้น กระแสไฟฟ้าสลับจะให้พลังงานกับขดลวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กปฐมภูมิ เมื่อวัตถุเข้าใกล้หรือเคลื่อนออกห่างจากขดลวด เราสามารถรับรู้ตำแหน่งของวัตถุได้โดยใช้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามทุติยภูมิที่เกิดจากกระแสวน ซึ่งส่งผลต่ออิมพีแดนซ์ของขดลวด เมื่อวัตถุเข้าใกล้ขดลวดมากขึ้น การสูญเสียกระแสวนจะเพิ่มขึ้นและแรงดันไฟฟ้าแกว่งก็จะน้อยลง (รูปที่ 2) แรงดันไฟฟ้าแกว่งจะถูกแก้ไขและประมวลผลโดยวงจรตัวสร้างเชิงเส้นเพื่อสร้างเอาต์พุต DC เชิงเส้นที่เป็นสัดส่วนกับระยะห่างของวัตถุ
อุปกรณ์กระแสวนเป็นอุปกรณ์ที่ทนทาน ไม่ต้องสัมผัส โดยทั่วไปใช้เป็นเซนเซอร์ตรวจจับระยะใกล้ อุปกรณ์นี้สามารถตรวจจับได้รอบทิศทางและสามารถระบุระยะทางสัมพันธ์ไปยังวัตถุได้ แต่ไม่สามารถระบุทิศทางหรือระยะทางสัมบูรณ์ไปยังวัตถุได้
ดังที่ชื่อแสดง เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบเก็บประจุจะวัดการเปลี่ยนแปลงของความจุเพื่อระบุตำแหน่งของวัตถุที่ต้องการตรวจจับ เซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสเหล่านี้สามารถใช้เพื่อวัดตำแหน่งเชิงเส้นหรือการหมุนได้ ประกอบด้วยแผ่นสองแผ่นที่คั่นด้วยวัสดุไดอิเล็กตริกและใช้วิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธีในการตรวจจับตำแหน่งของวัตถุ:
เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในค่าคงที่ไดอิเล็กตริก วัตถุที่ต้องการตรวจจับตำแหน่งจะถูกยึดไว้กับวัสดุไดอิเล็กตริก เมื่อวัสดุไดอิเล็กตริกเคลื่อนที่ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปเนื่องจากการรวมกันของพื้นที่ของวัสดุไดอิเล็กตริกและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของอากาศ อีกวิธีหนึ่งคือ วัตถุอาจเชื่อมต่อกับแผ่นตัวเก็บประจุแผ่นใดแผ่นหนึ่ง ขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ แผ่นจะเคลื่อนเข้าใกล้หรือออกห่างจากวัตถุ และการเปลี่ยนแปลงของความจุจะถูกใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งสัมพันธ์
เซ็นเซอร์แบบเก็บประจุสามารถวัดการเคลื่อนตัว ระยะทาง ตำแหน่ง และความหนาของวัตถุ เนื่องจากความเสถียรของสัญญาณและความละเอียดสูง เซ็นเซอร์แบบเก็บประจุจึงถูกใช้ในห้องปฏิบัติการและสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์แบบเก็บประจุใช้ในการวัดความหนาของฟิล์มและการใช้กาวในกระบวนการอัตโนมัติ ในเครื่องจักรในอุตสาหกรรม เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนตัวและตำแหน่งของเครื่องมือ
แมกนีโตสตริกชันเป็นคุณสมบัติของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรซึ่งทำให้วัสดุเปลี่ยนขนาดหรือรูปร่างเมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็ก ในเซ็นเซอร์ตำแหน่งแมกนีโตสตริกชัน แม่เหล็กตำแหน่งที่เคลื่อนที่ได้จะติดอยู่กับวัตถุที่ต้องการวัด ประกอบด้วยท่อนำคลื่นที่ประกอบด้วยสายไฟที่ส่งพัลส์กระแสไฟฟ้าซึ่งเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ที่อยู่ที่ปลายท่อนำคลื่น (รูปที่ 3) เมื่อส่งพัลส์กระแสไฟฟ้าลงไปตามท่อนำคลื่น สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นในสายไฟที่โต้ตอบกับสนามแม่เหล็กแนวแกนของแม่เหล็กถาวร (แม่เหล็กในลูกสูบกระบอกสูบ รูปที่ 3a) ปฏิสัมพันธ์ของสนามเกิดจากการบิด (ปรากฏการณ์ Wiedemann) ซึ่งทำให้สายไฟเครียด ส่งผลให้เกิดพัลส์เสียงที่แพร่กระจายไปตามท่อนำคลื่น และจะถูกตรวจจับโดยเซ็นเซอร์ที่ปลายท่อนำคลื่น (รูปที่ 3b) โดยการวัดเวลาที่ผ่านไประหว่างการเริ่มต้นของพัลส์กระแสไฟฟ้าและการตรวจจับพัลส์เสียง จะสามารถวัดตำแหน่งสัมพันธ์ของแม่เหล็กตำแหน่งและวัตถุได้ (รูปที่ 3c)
เซนเซอร์ตำแหน่งแมกนีโตสตริกทีฟเป็นเซนเซอร์แบบไม่สัมผัสที่ใช้ตรวจจับตำแหน่งเชิงเส้น ท่อนำคลื่นมักบรรจุอยู่ในท่อสแตนเลสหรืออลูมิเนียม ซึ่งทำให้สามารถใช้เซนเซอร์เหล่านี้ในสภาพแวดล้อมที่สกปรกหรือเปียกได้
เมื่อนำตัวนำแบนบางๆ ไปวางในสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าที่ไหลใดๆ ก็ตามจะมีแนวโน้มที่จะสะสมตัวที่ด้านใดด้านหนึ่งของตัวนำ ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เรียกว่าแรงดันฮอลล์ หากกระแสไฟฟ้าในตัวนำคงที่ ขนาดของแรงดันฮอลล์จะสะท้อนถึงความแรงของสนามแม่เหล็ก ในเซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์ วัตถุจะเชื่อมต่อกับแม่เหล็กที่อยู่ในเพลาเซ็นเซอร์ ขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ ตำแหน่งของแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับองค์ประกอบฮอลล์ ส่งผลให้แรงดันฮอลล์เปลี่ยนแปลงไป การวัดแรงดันฮอลล์ทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งของวัตถุได้ มีเซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์เฉพาะทางที่สามารถกำหนดตำแหน่งในสามมิติได้ (รูปที่ 4) เซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์เป็นอุปกรณ์ที่ไม่ต้องสัมผัส ซึ่งมีความน่าเชื่อถือสูงและตรวจจับได้รวดเร็ว ทั้งยังทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้ในแอปพลิเคชันสำหรับผู้บริโภค อุตสาหกรรม ยานยนต์ และการแพทย์
เซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกมี 2 ประเภทหลักๆ ในเซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกแบบแท้ ไฟเบอร์จะถูกใช้เป็นองค์ประกอบการตรวจจับ ในเซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกแบบภายนอก ไฟเบอร์ออปติกจะถูกผสมผสานกับเทคโนโลยีเซนเซอร์อื่นเพื่อถ่ายทอดสัญญาณไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระยะไกลเพื่อประมวลผล ในกรณีของการวัดตำแหน่งไฟเบอร์แบบแท้ อาจใช้เครื่องมือเช่นรีเฟลกโตมิเตอร์โดเมนเวลาแบบออปติกเพื่อกำหนดระยะเวลาหน่วง การเลื่อนความยาวคลื่นสามารถคำนวณได้โดยใช้เครื่องมือที่ใช้งานรีเฟลกโตมิเตอร์โดเมนความถี่ออปติก เซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกไม่ไวต่อสัญญาณรบกวนจากแม่เหล็กไฟฟ้า ออกแบบมาให้ทำงานที่อุณหภูมิสูงได้ และไม่นำไฟฟ้า จึงสามารถใช้ใกล้กับแรงดันสูงหรือวัสดุติดไฟได้
การตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกอีกประเภทหนึ่งที่ใช้เทคโนโลยีไฟเบอร์แบรกก์เกรตติ้ง (FBG) ยังสามารถใช้สำหรับการวัดตำแหน่งได้อีกด้วย FBG ทำหน้าที่เป็นตัวกรองรอยหยัก สะท้อนแสงเพียงเศษเสี้ยวเดียวที่อยู่ตรงกลางความยาวคลื่นแบรกก์ (λB) เมื่อได้รับแสงที่มีสเปกตรัมกว้าง FBG ผลิตขึ้นจากโครงสร้างจุลภาคที่แกะสลักไว้บนแกนไฟเบอร์ FBG สามารถใช้วัดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความเครียด แรงดัน การเอียง การเคลื่อนตัว การเร่งความเร็ว และภาระ
เซ็นเซอร์ตำแหน่งออปติกมี 2 ประเภท หรือที่เรียกว่าตัวเข้ารหัสออปติก ในกรณีหนึ่ง แสงจะถูกส่งไปยังตัวรับที่ปลายอีกด้านหนึ่งของเซ็นเซอร์ ส่วนประเภทที่สอง สัญญาณแสงที่ปล่อยออกมาจะสะท้อนจากวัตถุที่ตรวจสอบและส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิดแสง การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของแสง เช่น ความยาวคลื่น ความเข้ม เฟส หรือโพลาไรเซชัน จะถูกใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งของวัตถุ ขึ้นอยู่กับการออกแบบเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์ตำแหน่งออปติกแบบใช้ตัวเข้ารหัสมีให้เลือกใช้สำหรับการเคลื่อนที่เชิงเส้นและหมุน เซ็นเซอร์เหล่านี้แบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่ ตัวเข้ารหัสออปติกแบบส่งผ่าน ตัวเข้ารหัสออปติกแบบสะท้อนแสง และตัวเข้ารหัสออปติกแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริก
เซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิกใช้ตัวแปลงสัญญาณคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกในการปล่อยคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง เซ็นเซอร์จะวัดเสียงที่สะท้อนออกมา เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์วัดระยะใกล้แบบง่าย หรือการออกแบบที่ซับซ้อนกว่าก็สามารถให้ข้อมูลระยะทางได้ เซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิกทำงานกับวัตถุเป้าหมายที่ทำจากวัสดุและลักษณะพื้นผิวที่หลากหลาย และสามารถตรวจจับวัตถุขนาดเล็กในระยะไกลได้มากกว่าเซ็นเซอร์ตำแหน่งประเภทอื่นๆ เซ็นเซอร์เหล่านี้ทนทานต่อการสั่นสะเทือน เสียงแวดล้อม รังสีอินฟราเรด และสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างการใช้งานเซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิก ได้แก่ การตรวจจับระดับของเหลว การนับวัตถุด้วยความเร็วสูง ระบบนำทางหุ่นยนต์ และการตรวจจับของยานยนต์ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสำหรับยานยนต์ทั่วไปประกอบด้วยตัวเรือนพลาสติก ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกพร้อมเมมเบรนเพิ่มเติม และแผงวงจรพิมพ์ที่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์และไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับการส่ง รับ และประมวลผลสัญญาณ (รูปที่ 5)
เซ็นเซอร์ตำแหน่งสามารถวัดการเคลื่อนที่เชิงเส้นแบบสัมบูรณ์หรือสัมพันธ์กัน การเคลื่อนที่แบบหมุนและเชิงมุมของวัตถุ เซ็นเซอร์ตำแหน่งสามารถวัดการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ เช่น ตัวกระตุ้นหรือมอเตอร์ นอกจากนี้ยังใช้ในแพลตฟอร์มเคลื่อนที่ เช่น หุ่นยนต์และรถยนต์ เซ็นเซอร์ตำแหน่งใช้เทคโนโลยีหลากหลายชนิดโดยมีการผสมผสานระหว่างความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม ต้นทุน ความแม่นยำ ความสามารถในการทำซ้ำ และคุณสมบัติอื่นๆ ที่หลากหลาย
เซ็นเซอร์ตำแหน่งแม่เหล็ก 3 มิติ, Allegro Microsystems การวิเคราะห์และเพิ่มประสิทธิภาพการรักษาความปลอดภัยของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิคสำหรับยานยนต์ไร้คนขับ, IEEE Internet of Things Journal วิธีเลือกเซ็นเซอร์ตำแหน่ง, Cambridge Integrated Circuits ประเภทของเซ็นเซอร์ตำแหน่ง, Ixthus Instrumentation เซ็นเซอร์ตำแหน่งเหนี่ยวนำคืออะไร?, Keyence การตรวจจับตำแหน่งแมกนีโตสตริกทีฟคืออะไร?, AMETEK
เรียกดูฉบับล่าสุดของ Design World และฉบับย้อนหลังในรูปแบบที่ใช้งานง่ายและมีคุณภาพสูง แก้ไข แชร์ และดาวน์โหลดวันนี้ด้วยนิตยสารวิศวกรรมการออกแบบชั้นนำ
ฟอรัม EE ชั้นนำของโลกที่เน้นแก้ไขปัญหาต่างๆ เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ DSP ระบบเครือข่าย การออกแบบแอนะล็อกและดิจิทัล RF อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การเดินสาย PCB และอื่นๆ อีกมากมาย
ลิขสิทธิ์ © 2022 WTWH Media LLC.สงวนลิขสิทธิ์ ห้ามทำซ้ำ แจกจ่าย ส่งต่อ แคช หรือใช้เนื้อหาบนเว็บไซต์นี้ด้วยวิธีอื่นใด เว้นแต่จะได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษรล่วงหน้าจาก WTWH Media นโยบายความเป็นส่วนตัว | การโฆษณา | เกี่ยวกับเรา