Від роботизованих приводних ланцюгів до конвеєрних стрічок в операціях ланцюга постачання та коливання веж вітрових турбін, датчик положення є критично важливою функцією в широкому спектрі застосувань. Він може приймати різні форми, включаючи лінійні, обертальні, кутові, абсолютні, інкрементальні, контактні та безконтактні датчики. Були розроблені спеціалізовані датчики, які можуть визначати положення у трьох вимірах. Технології датчиків положення включають потенціометричні, індуктивні, вихрострумові, ємнісні, магнітострикційні, на ефекті Холла, волоконно-оптичні, оптичні та ультразвукові.
У цьому розділі поширених запитань наведено короткий вступ до різних форм вимірювання положення, а також розглянуто низку технологій, які розробники можуть вибрати під час впровадження рішення для вимірювання положення.
Потенціометричні датчики положення – це пристрої на основі опору, які поєднують фіксовану резистивну доріжку зі склоочисником, прикріпленим до об'єкта, положення якого потрібно виміряти. Рух об'єкта переміщує склоочисники вздовж доріжки. Положення об'єкта вимірюється за допомогою мережі дільників напруги, утвореної рейками та склоочисниками, для вимірювання лінійного або обертального руху з фіксованою постійною напругою (Рисунок 1). Потенціометричні датчики є недорогими, але зазвичай мають низьку точність та повторюваність.
Індуктивні датчики положення використовують зміни властивостей магнітного поля, індукованого в котушці датчика. Залежно від їхньої архітектури, вони можуть вимірювати лінійне або обертальне положення. Датчики положення з лінійним змінним диференціальним трансформатором (LVDT) використовують три котушки, обмотані навколо порожнистої трубки: первинну котушку та дві вторинні котушки. Котушки з'єднані послідовно, а фазове співвідношення вторинної котушки зміщене на 180° по фазі відносно первинної котушки. Феромагнітний сердечник, який називається якорем, розміщується всередині трубки та з'єднується з об'єктом у місці вимірювання. До первинної котушки подається напруга збудження, а у вторинній котушці індукується електромагнітна сила (ЕРС). Вимірюючи різницю напруг між вторинними котушками, можна визначити відносне положення якоря та те, до чого він приєднаний. Обертовий диференціальний трансформатор напруги (RVDT) використовує ту саму техніку для відстеження обертального положення. Датчики LVDT та RVDT пропонують хорошу точність, лінійність, роздільну здатність та високу чутливість. Вони не мають тертя та можуть бути герметично захищені для використання в суворих умовах.
Датчики положення вихрових струмів працюють з провідними об'єктами. Вихрові струми - це індуковані струми, що виникають у провідних матеріалах за наявності змінного магнітного поля. Ці струми протікають у замкнутому контурі та генерують вторинне магнітне поле. Датчики вихрових струмів складаються з котушок та схем лінеаризації. Змінний струм живить котушку, створюючи первинне магнітне поле. Коли об'єкт наближається до котушки або віддаляється від неї, його положення можна визначити за допомогою взаємодії вторинного поля, що створюється вихровими струмами, що впливає на імпеданс котушки. Коли об'єкт наближається до котушки, втрати на вихрові струми збільшуються, а коливальна напруга зменшується (Рисунок 2). Коливальна напруга випрямляється та обробляється схемою лінеаризації для отримання лінійного постійного струму, пропорційного відстані до об'єкта.
Вихрострумові прилади – це міцні безконтактні пристрої, які зазвичай використовуються як датчики наближення. Вони є всеспрямованими та можуть визначати відносну відстань до об'єкта, але не напрямок або абсолютну відстань до об'єкта.
Як випливає з назви, ємнісні датчики положення вимірюють зміни ємності, щоб визначити положення об'єкта, що сприймається. Ці безконтактні датчики можна використовувати для вимірювання лінійного або обертального положення. Вони складаються з двох пластин, розділених діелектричним матеріалом, і використовують один із двох методів для визначення положення об'єкта:
Щоб викликати зміну діелектричної проникності, об'єкт, положення якого потрібно визначити, прикріплюється до діелектричного матеріалу. Під час руху діелектричного матеріалу ефективна діелектрична проникність конденсатора змінюється завдяки поєднанню площі діелектричного матеріалу та діелектричної проникності повітря. Або ж об'єкт можна підключити до однієї з обкладок конденсатора. Під час руху об'єкта обкладки зближуються або віддаляються, і зміна ємності використовується для визначення відносного положення.
Ємнісні датчики можуть вимірювати переміщення, відстань, положення та товщину об'єктів. Завдяки високій стабільності та роздільній здатності сигналу, ємнісні датчики переміщення використовуються в лабораторних та промислових умовах. Наприклад, ємнісні датчики використовуються для вимірювання товщини плівки та клейових застосувань в автоматизованих процесах. У промислових машинах вони використовуються для контролю переміщення та положення інструменту.
Магнітострикція – це властивість феромагнітних матеріалів, яка змушує матеріал змінювати свій розмір або форму під час дії магнітного поля. У магнітострикційному датчику положення рухомий магніт положення прикріплений до об'єкта вимірювання. Він складається з хвилеводу, що складається з дротів, що переносять імпульси струму, підключених до датчика, розташованого на кінці хвилеводу (рис. 3). Коли імпульс струму подається по хвилеводу, у дроті створюється магнітне поле, яке взаємодіє з осьовим магнітним полем постійного магніту (магніт у поршні циліндра, рис. 3a). Взаємодія поля викликається скручуванням (ефект Відемана), яке напружує дріт, створюючи акустичний імпульс, що поширюється вздовж хвилеводу та виявляється датчиком на кінці хвилеводу (рис. 3b). Вимірюючи час, що минув між початком імпульсу струму та виявленням акустичного імпульсу, можна виміряти відносне положення магніту положення, а отже, і об'єкта (рис. 3c).
Магнітострикційні датчики положення – це безконтактні датчики, що використовуються для визначення лінійного положення. Хвилеводи часто розміщуються в трубках з нержавіючої сталі або алюмінію, що дозволяє використовувати ці датчики в брудному або вологому середовищі.
Коли тонкий, плоский провідник поміщається в магнітне поле, будь-який струм, що протікає, має тенденцію накопичуватися на одному боці провідника, створюючи різницю потенціалів, яка називається напругою Холла. Якщо струм у провіднику постійний, величина напруги Холла відображатиме силу магнітного поля. У датчику положення на ефекті Холла об'єкт з'єднаний з магнітом, розміщеним у стержні датчика. Під час руху об'єкта положення магніту змінюється відносно елемента Холла, що призводить до зміни напруги Холла. Вимірюючи напругу Холла, можна визначити положення об'єкта. Існують спеціалізовані датчики положення на ефекті Холла, які можуть визначати положення у трьох вимірах (рис. 4). Датчики положення на ефекті Холла - це безконтактні пристрої, які забезпечують високу надійність і швидке зондування, а також працюють у широкому діапазоні температур. Вони використовуються в різних споживчих, промислових, автомобільних та медичних застосуваннях.
Існує два основних типи волоконно-оптичних датчиків. У внутрішніх волоконно-оптичних датчиках волокно використовується як чутливий елемент. У зовнішніх волоконно-оптичних датчиках волоконна оптика поєднується з іншою сенсорною технологією для передачі сигналу на віддалену електроніку для обробки. У випадку вимірювання положення власного волокна, для визначення часової затримки можна використовувати такий пристрій, як оптичний рефлектометр у часовій області. Зсув довжини хвилі можна розрахувати за допомогою приладу, який реалізує оптичний рефлектометр у частотній області. Волоконно-оптичні датчики стійкі до електромагнітних перешкод, можуть бути розроблені для роботи за високих температур і є непровідними, тому їх можна використовувати поблизу матеріалів високого тиску або легкозаймистих матеріалів.
Інший волоконно-оптичний датчик, заснований на технології волоконної брагівської решітки (ВБГ), також може бути використаний для вимірювання положення. ВБГ діє як режекторний фільтр, відбиваючи невелику частку світла, зосередженого на довжині хвилі Брегга (λB), коли воно освітлене світлом широкого спектру. Він виготовлений з мікроструктурами, вигравіруваними в серцевині волокна. ВБГ можуть бути використані для вимірювання різних параметрів, таких як температура, деформація, тиск, нахил, зміщення, прискорення та навантаження.
Існує два типи оптичних датчиків положення, також відомих як оптичні енкодери. В одному випадку світло надсилається на приймач на іншому кінці датчика. У другому типі випромінюваний світловий сигнал відбивається від контрольованого об'єкта та повертається до джерела світла. Залежно від конструкції датчика, для визначення положення об'єкта використовуються зміни властивостей світла, таких як довжина хвилі, інтенсивність, фаза або поляризація. Оптичні датчики положення на основі енкодера доступні для лінійного та обертального руху. Ці датчики поділяються на три основні категорії: пропускаючі оптичні енкодери, відбивні оптичні енкодери та інтерферометричні оптичні енкодери.
Ультразвукові датчики положення використовують п'єзоелектричні кристалічні перетворювачі для випромінювання високочастотних ультразвукових хвиль. Датчик вимірює відбитий звук. Ультразвукові датчики можуть використовуватися як прості датчики наближення, або більш складні конструкції можуть надавати інформацію про дальність. Ультразвукові датчики положення працюють з цільовими об'єктами з різних матеріалів та поверхневих елементів і можуть виявляти невеликі об'єкти на більших відстанях, ніж багато інших типів датчиків положення. Вони стійкі до вібрації, навколишнього шуму, інфрачервоного випромінювання та електромагнітних перешкод. Приклади застосувань з використанням ультразвукових датчиків положення включають виявлення рівня рідини, високошвидкісний підрахунок об'єктів, роботизовані навігаційні системи та автомобільні датчики. Типовий автомобільний ультразвуковий датчик складається з пластикового корпусу, п'єзоелектричного перетворювача з додатковою мембраною та друкованої плати з електронними схемами та мікроконтролерами для передачі, прийому та обробки сигналів (рисунок 5).
Датчики положення можуть вимірювати абсолютний або відносний лінійний, обертальний та кутовий рух об'єктів. Датчики положення можуть вимірювати рух пристроїв, таких як виконавчі механізми або двигуни. Вони також використовуються в мобільних платформах, таких як роботи та автомобілі. У датчиках положення використовується різноманітна технологія з різними комбінаціями екологічної стійкості, вартості, точності, повторюваності та інших атрибутів.
3D-магнітні датчики положення, Allegro Microsystems. Аналіз та підвищення безпеки ультразвукових датчиків для автономних транспортних засобів, IEEE Internet of Things Journal. Як вибрати датчик положення, Cambridge Integrated Circuits. Типи датчиків положення, Ixthus Instrumentation. Що таке індуктивний датчик положення?, Keyence. Що таке магнітострикційне зондування положення?, AMETEK.
Переглядайте останні випуски Design World та попередні випуски у зручному для використання, високоякісному форматі. Редагуйте, діліться та завантажуйте вже сьогодні за допомогою провідного журналу з проектування.
Найкращий у світі форум з електроніки та електроніки, що охоплює мікроконтролери, цифрові сигнальні процеси (DSP), мережі, аналогове та цифрове проектування, радіочастотні технології, силову електроніку, трасування друкованих плат тощо.
Авторське право © 2022 WTWH Media LLC. Усі права захищено. Матеріали цього сайту не можуть бути відтворені, розповсюджені, передані, кешовані або використані іншим чином без попереднього письмового дозволу WTWH Media. Політика конфіденційності | Реклама | Про нас