Robotik tahrik zincirlerinden tedarik zinciri operasyonlarındaki konveyör bantlarına ve rüzgar türbini kulelerinin salınımına kadar, konum algılama çok çeşitli uygulamalarda kritik bir fonksiyondur. Doğrusal, döner, açısal, mutlak, artımlı, temaslı ve temassız sensörler dahil olmak üzere birçok biçimde olabilir. Üç boyutlu konum belirleyebilen özel sensörler geliştirilmiştir. Konum algılama teknolojileri arasında potansiyometrik, indüktif, girdap akımı, kapasitif, manyetostriktif, Hall etkisi, fiber optik, optik ve ultrasonik yer almaktadır.
Bu SSS, konum algılamanın çeşitli biçimlerine kısa bir giriş yaptıktan sonra, tasarımcıların bir konum algılama çözümü uygularken seçebilecekleri bir dizi teknolojiyi incelemektedir.
Potansiyometrik konum sensörleri, sabit bir direnç yolu ile konumu algılanması gereken nesneye bağlı bir silecekten oluşan direnç tabanlı cihazlardır. Nesnenin hareketi, sileceği yol boyunca hareket ettirir. Nesnenin konumu, sabit bir DC voltajı ile doğrusal veya dönme hareketini ölçmek için raylar ve silecekler tarafından oluşturulan bir voltaj bölücü ağı kullanılarak ölçülür (Şekil 1). Potansiyometrik sensörler düşük maliyetlidir, ancak genellikle düşük doğruluk ve tekrarlanabilirliğe sahiptirler.
Endüktif konum sensörleri, sensör bobininde indüklenen manyetik alanın özelliklerindeki değişikliklerden yararlanır. Mimarilerine bağlı olarak, doğrusal veya dönme konumlarını ölçebilirler. Doğrusal Değişken Diferansiyel Transformatör (LVDT) konum sensörleri, içi boş bir tüpün etrafına sarılmış üç bobin kullanır; birincil bobin ve iki ikincil bobin. Bobinler seri olarak bağlanır ve ikincil bobinin faz ilişkisi, birincil bobine göre 180° faz dışıdır. Armatür adı verilen ferromanyetik bir çekirdek tüpün içine yerleştirilir ve ölçülen konumdaki nesneye bağlanır. Birincil bobine bir uyarma voltajı uygulanır ve ikincil bobinde bir elektromanyetik kuvvet (EMF) indüklenir. İkincil bobinler arasındaki voltaj farkı ölçülerek, armatürün ve bağlı olduğu nesnenin göreceli konumu belirlenebilir. Dönen voltaj diferansiyel transformatör (RVDT), dönme konumunu izlemek için aynı tekniği kullanır. LVDT ve RVDT sensörleri iyi doğruluk, doğrusallık, çözünürlük ve yüksek hassasiyet sunar. Sürtünmesizdirler ve zorlu ortamlarda kullanım için sızdırmaz hale getirilebilirler.
Girdap akımı konum sensörleri iletken nesnelerle çalışır. Girdap akımları, değişen bir manyetik alanın varlığında iletken malzemelerde oluşan indüklenmiş akımlardır. Bu akımlar kapalı bir döngüde akar ve ikincil bir manyetik alan oluşturur. Girdap akımı sensörleri bobinlerden ve doğrusallaştırma devrelerinden oluşur. Alternatif akım, birincil manyetik alanı oluşturmak için bobini enerjilendirir. Bir nesne bobine yaklaştığında veya uzaklaştığında, girdap akımlarının ürettiği ikincil alanın etkileşimi kullanılarak konumu algılanabilir; bu da bobinin empedansını etkiler. Nesne bobine yaklaştıkça, girdap akımı kayıpları artar ve salınım gerilimi küçülür (Şekil 2). Salınım gerilimi doğrultulur ve bir doğrusallaştırıcı devre tarafından işlenerek nesnenin mesafesiyle orantılı doğrusal bir DC çıkışı üretilir.
Girdap akımı cihazları, genellikle yakınlık sensörü olarak kullanılan, dayanıklı ve temassız cihazlardır. Çok yönlüdürler ve nesneye olan göreceli mesafeyi belirleyebilirler, ancak nesnenin yönünü veya mutlak mesafesini belirleyemezler.
Adından da anlaşılacağı gibi, kapasitif konum sensörleri, algılanan nesnenin konumunu belirlemek için kapasitanstaki değişiklikleri ölçer. Bu temassız sensörler, doğrusal veya dönme konumunu ölçmek için kullanılabilir. İki plakadan ve bunları ayıran bir dielektrik malzemeden oluşurlar ve bir nesnenin konumunu tespit etmek için iki yöntemden birini kullanırlar:
Dielektrik sabitinde bir değişikliğe neden olmak için, konumu tespit edilecek nesne dielektrik malzemeye bağlanır. Dielektrik malzeme hareket ettikçe, dielektrik malzemenin alanı ve havanın dielektrik sabitinin birleşimi nedeniyle kapasitörün etkin dielektrik sabiti değişir. Alternatif olarak, nesne kapasitör plakalarından birine bağlanabilir. Nesne hareket ettikçe, plakalar birbirine yaklaşır veya uzaklaşır ve kapasitanstaki değişim, göreceli konumu belirlemek için kullanılır.
Kapasitif sensörler, nesnelerin yer değiştirmesini, mesafesini, konumunu ve kalınlığını ölçebilir. Yüksek sinyal kararlılığı ve çözünürlüğü nedeniyle, kapasitif yer değiştirme sensörleri laboratuvar ve endüstriyel ortamlarda kullanılır. Örneğin, kapasitif sensörler otomatik süreçlerde film kalınlığını ve yapıştırıcı uygulamalarını ölçmek için kullanılır. Endüstriyel makinelerde ise yer değiştirmeyi ve takım konumunu izlemek için kullanılırlar.
Manyetostriksiyon, manyetik alan uygulandığında malzemenin boyutunu veya şeklini değiştirmesine neden olan ferromanyetik malzemelerin bir özelliğidir. Manyetostriktif bir konum sensöründe, ölçülen nesneye hareketli bir konum mıknatısı bağlanır. Bu sensör, akım darbeleri taşıyan tellerden oluşan ve dalga kılavuzunun ucunda bulunan bir sensöre bağlı bir dalga kılavuzundan oluşur (Şekil 3). Dalga kılavuzundan bir akım darbesi gönderildiğinde, telde kalıcı mıknatısın (silindir pistonundaki mıknatıs, Şekil 3a) eksenel manyetik alanı ile etkileşime giren bir manyetik alan oluşur. Alan etkileşimi, teli geren ve dalga kılavuzu boyunca yayılan ve dalga kılavuzunun ucundaki bir sensör tarafından algılanan akustik bir darbe üreten bükülme (Wiedemann etkisi) nedeniyle oluşur (Şekil 3b). Akım darbesinin başlatılması ile akustik darbenin algılanması arasındaki geçen süre ölçülerek, konum mıknatısının ve dolayısıyla nesnenin göreceli konumu ölçülebilir (Şekil 3c).
Manyetostriktif konum sensörleri, doğrusal konumu tespit etmek için kullanılan temassız sensörlerdir. Dalga kılavuzları genellikle paslanmaz çelik veya alüminyum tüpler içinde bulunur, bu da bu sensörlerin kirli veya ıslak ortamlarda kullanılmasını sağlar.
İnce, düz bir iletken manyetik alana yerleştirildiğinde, akan herhangi bir akım iletkenin bir tarafında birikme eğilimindedir ve Hall voltajı adı verilen bir potansiyel farkı oluşturur. İletkendeki akım sabit ise, Hall voltajının büyüklüğü manyetik alanın gücünü yansıtacaktır. Bir Hall etkisi konum sensöründe, nesne sensör milinde bulunan bir mıknatısa bağlanır. Nesne hareket ettikçe, mıknatısın konumu Hall elemanına göre değişir ve bu da değişen bir Hall voltajına neden olur. Hall voltajı ölçülerek, bir nesnenin konumu belirlenebilir. Üç boyutlu konum belirleyebilen özel Hall etkisi konum sensörleri vardır (Şekil 4). Hall etkisi konum sensörleri, yüksek güvenilirlik ve hızlı algılama sağlayan ve geniş bir sıcaklık aralığında çalışan temassız cihazlardır. Tüketici, endüstriyel, otomotiv ve tıbbi uygulamaların çeşitli alanlarında kullanılırlar.
İki temel fiber optik sensör türü vardır. İçsel fiber optik sensörlerde, fiber algılama elemanı olarak kullanılır. Dışsal fiber optik sensörlerde ise, sinyali işleme için uzaktaki elektroniklere iletmek üzere fiber optikler başka bir sensör teknolojisiyle birleştirilir. İçsel fiber konum ölçümlerinde, zaman gecikmesini belirlemek için optik zaman alanı reflektometresi gibi bir cihaz kullanılabilir. Dalga boyu kayması, optik frekans alanı reflektometresi uygulayan bir cihaz kullanılarak hesaplanabilir. Fiber optik sensörler elektromanyetik girişime karşı bağışıklıdır, yüksek sıcaklıklarda çalışacak şekilde tasarlanabilir ve iletken değildir, bu nedenle yüksek basınçlı veya yanıcı maddelerin yakınında kullanılabilirler.
Fiber Bragg ızgarası (FBG) teknolojisine dayalı bir diğer fiber optik algılama yöntemi de konum ölçümü için kullanılabilir. FBG, geniş spektrumlu ışıkla aydınlatıldığında Bragg dalga boyuna (λB) odaklanan ışığın küçük bir bölümünü yansıtan bir çentik filtresi görevi görür. Fiber çekirdeğine kazınmış mikro yapılarla üretilir. FBG'ler sıcaklık, gerilim, basınç, eğim, yer değiştirme, ivme ve yük gibi çeşitli parametreleri ölçmek için kullanılabilir.
Optik konum sensörleri veya optik kodlayıcılar olarak da bilinen iki tür sensör vardır. Birinde, ışık sensörün diğer ucundaki bir alıcıya gönderilir. İkinci türde ise, yayılan ışık sinyali izlenen nesne tarafından yansıtılır ve ışık kaynağına geri döner. Sensör tasarımına bağlı olarak, dalga boyu, yoğunluk, faz veya polarizasyon gibi ışık özelliklerindeki değişiklikler, bir nesnenin konumunu belirlemek için kullanılır. Kodlayıcı tabanlı optik konum sensörleri, doğrusal ve döner hareket için mevcuttur. Bu sensörler üç ana kategoriye ayrılır: geçirgen optik kodlayıcılar, yansıtıcı optik kodlayıcılar ve interferometrik optik kodlayıcılar.
Ultrasonik konum sensörleri, yüksek frekanslı ultrasonik dalgalar yaymak için piezoelektrik kristal dönüştürücüler kullanır. Sensör, yansıyan sesi ölçer. Ultrasonik sensörler, basit yakınlık sensörleri olarak kullanılabileceği gibi, daha karmaşık tasarımlar mesafe bilgisi de sağlayabilir. Ultrasonik konum sensörleri, çeşitli malzemelerden ve yüzey özelliklerinden oluşan hedef nesnelerle çalışır ve diğer birçok konum sensörü türünden daha uzak mesafelerde küçük nesneleri algılayabilir. Titreşime, ortam gürültüsüne, kızılötesi radyasyona ve elektromanyetik girişime karşı dayanıklıdırlar. Ultrasonik konum sensörlerinin kullanıldığı uygulamalara örnek olarak sıvı seviyesi tespiti, nesnelerin yüksek hızlı sayımı, robotik navigasyon sistemleri ve otomotiv algılama verilebilir. Tipik bir otomotiv ultrasonik sensörü, plastik bir gövde, ek bir membrana sahip piezoelektrik bir dönüştürücü ve sinyalleri iletmek, almak ve işlemek için elektronik devreler ve mikrodenetleyiciler içeren bir baskılı devre kartından oluşur (Şekil 5).
Konum sensörleri, nesnelerin mutlak veya göreceli doğrusal, dönme ve açısal hareketlerini ölçebilir. Aktüatörler veya motorlar gibi cihazların hareketini ölçebilirler. Ayrıca robotlar ve otomobiller gibi mobil platformlarda da kullanılırlar. Konum sensörlerinde, çevresel dayanıklılık, maliyet, doğruluk, tekrarlanabilirlik ve diğer özelliklerin çeşitli kombinasyonlarıyla çeşitli teknolojiler kullanılmaktadır.
3D Manyetik Konum Sensörleri, Allegro Microsystems; Otonom Araçlar için Ultrasonik Sensörlerin Güvenliğinin Analizi ve Geliştirilmesi, IEEE Nesnelerin İnterneti Dergisi; Konum Sensörü Nasıl Seçilir, Cambridge Integrated Circuits; Konum Sensörü Tipleri, Ixthus Instrumentation; İndüktif Konum Sensörü Nedir?, Keyence; Manyetostriktif Konum Algılama Nedir?, AMETEK
Tasarım mühendisliği alanında lider dergi Design World'ün en yeni ve eski sayılarına, kullanımı kolay ve yüksek kaliteli bir formatta göz atın. Düzenleyin, paylaşın ve indirin.
Mikrokontrolcüler, DSP, ağ iletişimi, analog ve dijital tasarım, RF, güç elektroniği, PCB yönlendirme ve daha fazlasını kapsayan, dünyanın en iyi problem çözme odaklı elektrik mühendisliği forumu.
Telif hakkı © 2022 WTWH Media LLC. Tüm hakları saklıdır. Bu sitedeki materyaller, WTWH Media'nın önceden yazılı izni olmadan çoğaltılamaz, dağıtılamaz, iletilemez, önbelleğe alınamaz veya başka şekilde kullanılamaz. Gizlilik Politikası | Reklam | Hakkımızda