Robotik tahrik zincirlerinden tedarik zinciri operasyonlarındaki konveyör bantlarına ve rüzgar türbini kulelerinin salınımına kadar, konum algılama çok çeşitli uygulamalarda kritik bir işlevdir. Doğrusal, döner, açısal, mutlak, artımlı, temaslı ve temassız sensörler dahil olmak üzere birçok form alabilir. Üç boyutta konumu belirleyebilen özel sensörler geliştirilmiştir. Konum algılama teknolojileri arasında potansiyometrik, endüktif, girdap akımı, kapasitif, manyetostriktif, Hall etkisi, fiber optik, optik ve ultrasonik bulunur.
Bu SSS, konum algılamanın çeşitli biçimlerine ilişkin kısa bir giriş sağlar ve ardından tasarımcıların bir konum algılama çözümü uygularken seçebilecekleri bir dizi teknolojiyi inceler.
Potansiyometrik konum sensörleri, sabit dirençli bir rayı, konumu algılanması gereken nesneye bağlı bir silecekle birleştiren direnç tabanlı cihazlardır. Nesnenin hareketi silecekleri ray boyunca hareket ettirir. Nesnenin konumu, doğrusal veya dönme hareketini sabit bir DC voltajıyla ölçmek için raylar ve sileceklerden oluşan bir voltaj bölücü ağı kullanılarak ölçülür (Şekil 1). Potansiyometrik sensörler düşük maliyetlidir, ancak genellikle düşük doğruluk ve tekrarlanabilirliğe sahiptir.
Endüktif konum sensörleri, sensör bobininde indüklenen manyetik alanın özelliklerindeki değişiklikleri kullanır. Mimarilerine bağlı olarak doğrusal veya dönme konumunu 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 transformatörü (RVDT), dönen konumu izlemek için aynı tekniği kullanır. LVDT ve RVDT sensörleri iyi doğruluk, doğrusallık, çözünürlük ve yüksek hassasiyet sunar. Sürtünmesizdir ve zorlu ortamlarda kullanım için kapatılabilirler.
Eddy akımı konum sensörleri iletken nesnelerle çalışır. Eddy akımları, değişen bir manyetik alanın varlığında iletken malzemelerde oluşan indüklenen akımlardır. Bu akımlar kapalı bir devrede akar ve ikincil bir manyetik alan oluşturur. Eddy akımı sensörleri bobinlerden ve doğrusallaştırma devrelerinden oluşur. Alternatif akım, birincil manyetik alanı oluşturmak için bobini harekete geçirir. Bir nesne bobine yaklaştığında veya uzaklaştığında, bobinin empedansını etkileyen eddy akımları tarafından üretilen ikincil alanın etkileşimi kullanılarak konumu algılanabilir. Nesne bobine yaklaştıkça, eddy akımı kayıpları artar ve salınımlı voltaj küçülür (Şekil 2). Salınımlı voltaj, nesnenin mesafesine orantılı doğrusal bir DC çıkışı üretmek için bir doğrusallaştırıcı devre tarafından doğrultulur ve işlenir.
Eddy akımı cihazları, genellikle yakınlık sensörleri olarak kullanılan sağlam, temassız cihazlardır. Çok yönlüdürler ve nesneye olan göreceli mesafeyi belirleyebilirler, ancak nesneye olan yönü veya mutlak mesafeyi 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. Bunlar dielektrik bir malzeme ile ayrılmış iki plakadan oluşur ve bir nesnenin konumunu algılamak için iki yöntemden birini kullanır:
Dielektrik sabitinde bir değişikliğe neden olmak için, konumu algılanacak nesne dielektrik malzemeye bağlanır. Dielektrik malzeme hareket ettikçe, dielektrik malzemenin alanı ile 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 otomatikleştirilmiş proseslerde film kalınlığını ve yapıştırıcı uygulamalarını ölçmek için kullanılır. Endüstriyel makinelerde, yer değiştirmeyi ve takım konumunu izlemek için kullanılırlar.
Manyetostriksiyon, bir manyetik alan uygulandığında malzemenin boyutunu veya şeklini değiştirmesine neden olan ferromanyetik malzemelerin bir özelliğidir. Bir manyetostriktif konum sensöründe, ölçülen nesneye hareketli bir konum mıknatısı tutturulur. Akım darbeleri taşıyan tellerden oluşan ve dalga kılavuzunun ucunda bulunan bir sensöre bağlı bir dalga kılavuzundan oluşur (Şekil 3). Dalga kılavuzundan aşağıya bir akım darbesi gönderildiğinde, telde kalıcı mıknatısın eksenel manyetik alanıyla (silindir pistonundaki mıknatıs, Şekil 3a) etkileşime giren bir manyetik alan oluşur. Alan etkileşimi, teli zorlayan ve dalga kılavuzu boyunca yayılan ve dalga kılavuzunun ucundaki bir sensör tarafından algılanan bir akustik darbe üreten bükülme (Wiedemann etkisi) tarafından oluşturulur (Şekil 3b). Akım darbesinin başlatılması ile akustik darbenin algılanması arasındaki geçen süre ölçülerek, konum mıknatısının ve dolayısıyla nesnenin göreli konumu ölçülebilir (Şekil 3c).
Manyetostriktif pozisyon sensörleri, doğrusal pozisyonu algılamak için kullanılan temassız sensörlerdir. Dalga kılavuzları genellikle paslanmaz çelik veya alüminyum tüpler içinde bulunur ve bu sayede bu sensörler kirli veya ıslak ortamlarda kullanılabilir.
İnce ve düz bir iletken bir manyetik alana yerleştirildiğinde, akan herhangi bir akım iletkenin bir tarafında birikerek Hall voltajı adı verilen bir potansiyel farkı yaratma eğilimindedir. İletkendeki akım sabitse, Hall voltajının büyüklüğü manyetik alanın gücünü yansıtır. Bir Hall etkili konum sensöründe, nesne sensör şaftında bulunan bir mıknatısa bağlanır. Nesne hareket ettikçe, mıknatısın konumu Hall elemanına göre değişir ve bu da değişen bir Hall voltajıyla sonuçlanır. Hall voltajı ölçülerek bir nesnenin konumu belirlenebilir. Konumu üç boyutta belirleyebilen özel Hall etkili konum sensörleri vardır (Şekil 4). Hall etkili konum sensörleri, yüksek güvenilirlik ve hızlı algılama sağlayan ve geniş bir sıcaklık aralığında çalışan temassız cihazlardır. Tüketici, endüstriyel, otomotiv ve tıbbi uygulamalarda kullanılırlar.
İki temel fiber optik sensör türü vardır. İçsel fiber optik sensörlerde, fiber algılama elemanı olarak kullanılır. Dışsal fiber optik sensörlerde, fiber optik, işleme için sinyali uzak elektronik cihazlara iletmek üzere başka bir sensör teknolojisiyle birleştirilir. İçsel fiber konum ölçümleri durumunda, 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 bağışıktır, yüksek sıcaklıklarda çalışacak şekilde tasarlanabilir ve iletken değildir, bu nedenle yüksek basınçlı veya yanıcı malzemelerin yakınında kullanılabilirler.
Fiber Bragg kafes (FBG) teknolojisine dayanan başka bir fiber optik algılama da pozisyon ölçümü için kullanılabilir. FBG, geniş spektrumlu ışıkla aydınlatıldığında Bragg dalga boyu (λB) merkezli ışığın küçük bir kısmını yansıtan bir çentik filtresi görevi görür. Fiber çekirdeğe kazınmış mikro yapılarla üretilir. FBG'ler sıcaklık, gerinim, basınç, eğim, yer değiştirme, ivme ve yük gibi çeşitli parametreleri ölçmek için kullanılabilir.
Optik kodlayıcılar olarak da bilinen iki tip optik konum sensörü vardır. Bir durumda, ışık sensörün diğer ucundaki bir alıcıya gönderilir. İkinci tipte, yayılan ışık sinyali izlenen nesne tarafından yansıtılır ve ışık kaynağına geri döndürülür. Sensör tasarımına bağlı olarak, dalga boyu, yoğunluk, faz veya polarizasyon gibi ışık özelliklerindeki değişiklikler, bir nesnenin konumunu belirlemek için kullanılır. Doğrusal ve döner hareket için kodlayıcı tabanlı optik konum sensörleri 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 kullanılabilir veya daha karmaşık tasarımlar mesafe bilgisi sağlayabilir. Ultrasonik konum sensörleri, çeşitli malzemelerden ve yüzey özelliklerinden oluşan hedef nesnelerle çalışır ve diğer birçok konum sensörü türünden daha büyük mesafelerdeki küçük nesneleri tespit edebilir. Titreşime, ortam gürültüsüne, kızılötesi radyasyona ve elektromanyetik girişime karşı dayanıklıdırlar. Ultrasonik konum sensörlerinin kullanıldığı uygulama örnekleri arasında sıvı seviyesi tespiti, nesnelerin yüksek hızlı sayımı, robotik navigasyon sistemleri ve otomotiv algılama yer alır. Tipik bir otomotiv ultrasonik sensörü, plastik bir gövdeden, ek bir membrana sahip bir piezoelektrik dönüştürücüden ve sinyalleri iletmek, almak ve işlemek için elektronik devreler ve mikrodenetleyiciler içeren bir baskılı devre kartından oluşur (Şekil 5).
Konum sensörleri, nesnelerin mutlak veya bağıl doğrusal, dönme ve açısal hareketlerini ölçebilir. Konum sensörleri, aktüatörler veya motorlar gibi cihazların hareketini ölçebilir. Ayrıca robotlar ve arabalar gibi mobil platformlarda da kullanılırlar. Konum sensörlerinde, çevresel dayanıklılık, maliyet, doğruluk, tekrarlanabilirlik ve diğer özelliklerin çeşitli kombinasyonlarına sahip çeşitli teknolojiler kullanılır.
3D Manyetik Pozisyon Sensörleri, Allegro MicrosystemsOtonom Araçlar için Ultrasonik Sensörlerin Güvenliğinin Analizi ve Geliştirilmesi, IEEE Nesnelerin İnterneti DergisiBir pozisyon sensörü nasıl seçilir, Cambridge Entegre DevreleriPozisyon sensörü tipleri, Ixthus EnstrümantasyonuEndüktif pozisyon sensörü nedir?, Keyence Manyetostriktif Pozisyon Algılama Nedir?, AMETEK
Design World'ün son sayılarına ve eski sayılarına kullanımı kolay, yüksek kaliteli bir formatta göz atın. Önde gelen tasarım mühendisliği dergisiyle bugün düzenleyin, paylaşın ve indirin.
Mikrodenetleyiciler, DSP, ağ, analog ve dijital tasarım, RF, güç elektroniği, PCB yönlendirme ve daha fazlasını kapsayan dünyanın en iyi sorun çözme EE forumu
Telif Hakkı © 2022 WTWH Media LLC.tüm hakları saklıdır.Bu sitedeki materyal, WTWH Media'nın önceden yazılı izni olmadan çoğaltılamaz, dağıtılamaz, iletilemez, önbelleğe alınamaz veya başka şekilde kullanılamazGizlilik Politikası |Reklam | Hakkımızda