Từ xích truyền động rô-bốt đến băng tải trong hoạt động chuỗi cung ứng cho đến sự dao động của tháp tua-bin gió, cảm biến vị trí là một chức năng quan trọng trong nhiều ứng dụng. Nó có thể có nhiều dạng, bao gồm cảm biến tuyến tính, quay, góc, tuyệt đối, gia tăng, tiếp xúc và không tiếp xúc. Các cảm biến chuyên dụng đã được phát triển có thể xác định vị trí trong ba chiều. Các công nghệ cảm biến vị trí bao gồm cảm biến điện thế, cảm ứng, dòng điện xoáy, điện dung, từ giảo, hiệu ứng Hall, sợi quang, quang học và siêu âm.
Câu hỏi thường gặp này cung cấp phần giới thiệu ngắn gọn về các dạng cảm biến vị trí khác nhau, sau đó xem xét một loạt các công nghệ mà các nhà thiết kế có thể lựa chọn khi triển khai giải pháp cảm biến vị trí.
Cảm biến vị trí điện thế là thiết bị dựa trên điện trở kết hợp một thanh ray điện trở cố định với một cần gạt gắn vào vật thể cần cảm biến vị trí. Chuyển động của vật thể sẽ di chuyển cần gạt dọc theo thanh ray. Vị trí của vật thể được đo bằng cách sử dụng mạng lưới chia điện áp được tạo thành từ các thanh ray và cần gạt để đo chuyển động tuyến tính hoặc quay với điện áp DC cố định (Hình 1). Cảm biến điện thế có giá thành thấp, nhưng thường có độ chính xác và khả năng lặp lại thấp.
Cảm biến vị trí cảm ứng sử dụng các thay đổi trong các đặc tính của từ trường cảm ứng trong cuộn dây cảm biến. Tùy thuộc vào kiến ​​trúc của chúng, chúng có thể đo vị trí tuyến tính hoặc quay. Cảm biến vị trí Biến áp vi sai biến thiên tuyến tính (LVDT) sử dụng ba cuộn dây quấn quanh một ống rỗng; một cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp. Các cuộn dây được kết nối nối tiếp và mối quan hệ pha của cuộn dây thứ cấp lệch pha 180° so với cuộn dây sơ cấp. Một lõi sắt từ gọi là phần ứng được đặt bên trong ống và được kết nối với vật thể tại vị trí đang được đo. Một điện áp kích thích được áp dụng cho cuộn dây sơ cấp và một lực điện từ (EMF) được cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp. Bằng cách đo chênh lệch điện áp giữa các cuộn dây thứ cấp, có thể xác định được vị trí tương đối của phần ứng và vật mà nó được gắn vào. Một biến áp vi sai điện áp quay (RVDT) sử dụng cùng một kỹ thuật để theo dõi vị trí quay. Cảm biến LVDT và RVDT cung cấp độ chính xác, tính tuyến tính, độ phân giải và độ nhạy cao. Chúng không ma sát và có thể được bịt kín để sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Cảm biến vị trí dòng điện xoáy hoạt động với các vật thể dẫn điện. Dòng điện xoáy là dòng điện cảm ứng xảy ra trong các vật liệu dẫn điện khi có từ trường thay đổi. Các dòng điện này chạy trong một vòng kín và tạo ra từ trường thứ cấp. Cảm biến dòng điện xoáy bao gồm các cuộn dây và mạch tuyến tính hóa. Dòng điện xoay chiều cung cấp năng lượng cho cuộn dây để tạo ra từ trường chính. Khi một vật thể đến gần hoặc di chuyển ra xa cuộn dây, vị trí của vật thể có thể được cảm nhận bằng cách sử dụng tương tác của trường thứ cấp do dòng điện xoáy tạo ra, ảnh hưởng đến trở kháng của cuộn dây. Khi vật thể đến gần cuộn dây hơn, tổn thất dòng điện xoáy tăng lên và điện áp dao động trở nên nhỏ hơn (Hình 2). Điện áp dao động được chỉnh lưu và xử lý bởi mạch tuyến tính hóa để tạo ra đầu ra DC tuyến tính tỷ lệ thuận với khoảng cách của vật thể.
Thiết bị dòng điện xoáy là thiết bị chắc chắn, không tiếp xúc, thường được sử dụng làm cảm biến tiệm cận. Chúng là thiết bị đa hướng và có thể xác định khoảng cách tương đối đến vật thể, nhưng không xác định được hướng hoặc khoảng cách tuyệt đối đến vật thể.
Như tên gọi của nó, cảm biến vị trí điện dung đo những thay đổi về điện dung để xác định vị trí của vật thể được cảm biến. Các cảm biến không tiếp xúc này có thể được sử dụng để đo vị trí tuyến tính hoặc vị trí quay. Chúng bao gồm hai tấm được ngăn cách bởi vật liệu điện môi và sử dụng một trong hai phương pháp để phát hiện vị trí của vật thể:
Để gây ra sự thay đổi hằng số điện môi, vật thể cần phát hiện vị trí được gắn vào vật liệu điện môi. Khi vật liệu điện môi di chuyển, hằng số điện môi hiệu dụng của tụ điện thay đổi do sự kết hợp giữa diện tích của vật liệu điện môi và hằng số điện môi của không khí. Ngoài ra, vật thể có thể được kết nối với một trong các tấm tụ điện. Khi vật thể di chuyển, các tấm di chuyển gần hơn hoặc xa hơn và sự thay đổi về điện dung được sử dụng để xác định vị trí tương đối.
Cảm biến điện dung có thể đo độ dịch chuyển, khoảng cách, vị trí và độ dày của vật thể. Do độ ổn định và độ phân giải tín hiệu cao, cảm biến dịch chuyển điện dung được sử dụng trong môi trường phòng thí nghiệm và công nghiệp. Ví dụ, cảm biến điện dung được sử dụng để đo độ dày màng và ứng dụng chất kết dính trong các quy trình tự động. Trong các máy công nghiệp, chúng được sử dụng để theo dõi độ dịch chuyển và vị trí dụng cụ.
Từ giảo là một tính chất của vật liệu sắt từ khiến vật liệu thay đổi kích thước hoặc hình dạng khi có từ trường tác dụng. Trong cảm biến vị trí từ giảo, một nam châm vị trí di động được gắn vào vật thể đang được đo. Nó bao gồm một ống dẫn sóng gồm các dây dẫn xung dòng điện, được kết nối với một cảm biến nằm ở cuối ống dẫn sóng (Hình 3). Khi một xung dòng điện được truyền xuống ống dẫn sóng, một từ trường được tạo ra trong dây tương tác với từ trường dọc trục của nam châm vĩnh cửu (nam châm trong piston xi lanh, Hình 3a). Tương tác từ trường được gây ra bởi sự xoắn (hiệu ứng Wiedemann), làm căng dây, tạo ra xung âm thanh lan truyền dọc theo ống dẫn sóng và được cảm biến ở cuối ống dẫn sóng phát hiện (Hình 3b). Bằng cách đo thời gian trôi qua giữa thời điểm bắt đầu xung dòng điện và thời điểm phát hiện xung âm thanh, vị trí tương đối của nam châm vị trí và do đó là vật thể có thể được đo (Hình 3c).
Cảm biến vị trí từ giảo là cảm biến không tiếp xúc được sử dụng để phát hiện vị trí tuyến tính. Ống dẫn sóng thường được đặt trong ống thép không gỉ hoặc nhôm, cho phép sử dụng các cảm biến này trong môi trường bẩn hoặc ẩm ướt.
Khi một dây dẫn mỏng, phẳng được đặt trong từ trường, bất kỳ dòng điện nào chạy qua đều có xu hướng tích tụ ở một bên của dây dẫn, tạo ra một hiệu điện thế gọi là điện áp Hall. Nếu dòng điện trong dây dẫn không đổi, độ lớn của điện áp Hall sẽ phản ánh cường độ của từ trường. Trong cảm biến vị trí hiệu ứng Hall, vật thể được kết nối với một nam châm được đặt trong trục cảm biến. Khi vật thể di chuyển, vị trí của nam châm thay đổi so với phần tử Hall, dẫn đến điện áp Hall thay đổi. Bằng cách đo điện áp Hall, vị trí của vật thể có thể được xác định. Có các cảm biến vị trí hiệu ứng Hall chuyên dụng có thể xác định vị trí trong ba chiều (Hình 4). Cảm biến vị trí hiệu ứng Hall là thiết bị không tiếp xúc, cung cấp độ tin cậy cao và cảm biến nhanh, và hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng tiêu dùng, công nghiệp, ô tô và y tế.
Có hai loại cảm biến sợi quang cơ bản. Trong cảm biến sợi quang nội tại, sợi quang được sử dụng làm thành phần cảm biến. Trong cảm biến sợi quang ngoài, sợi quang được kết hợp với công nghệ cảm biến khác để chuyển tiếp tín hiệu đến thiết bị điện tử từ xa để xử lý. Trong trường hợp đo vị trí sợi quang nội tại, một thiết bị như máy đo phản xạ miền thời gian quang học có thể được sử dụng để xác định độ trễ thời gian. Độ dịch chuyển bước sóng có thể được tính toán bằng một thiết bị thực hiện máy đo phản xạ miền tần số quang học. Cảm biến sợi quang không bị nhiễu điện từ, có thể được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ cao và không dẫn điện, do đó chúng có thể được sử dụng gần vật liệu có áp suất cao hoặc dễ cháy.
Một cảm biến sợi quang khác dựa trên công nghệ mạng Bragg sợi (FBG) cũng có thể được sử dụng để đo vị trí. FBG hoạt động như một bộ lọc khía, phản xạ một phần nhỏ ánh sáng tập trung vào bước sóng Bragg (λB) khi được chiếu sáng bằng ánh sáng phổ rộng. Nó được chế tạo bằng các cấu trúc vi mô được khắc vào lõi sợi. FBG có thể được sử dụng để đo nhiều thông số khác nhau như nhiệt độ, độ biến dạng, áp suất, độ nghiêng, độ dịch chuyển, gia tốc và tải trọng.
Có hai loại cảm biến vị trí quang học, còn được gọi là bộ mã hóa quang học. Trong trường hợp thứ nhất, ánh sáng được gửi đến một bộ thu ở đầu kia của cảm biến. Trong loại thứ hai, tín hiệu ánh sáng phát ra được phản xạ bởi vật thể được giám sát và trả về nguồn sáng. Tùy thuộc vào thiết kế cảm biến, những thay đổi về đặc tính ánh sáng, chẳng hạn như bước sóng, cường độ, pha hoặc phân cực, được sử dụng để xác định vị trí của vật thể. Cảm biến vị trí quang học dựa trên bộ mã hóa có sẵn cho chuyển động tuyến tính và quay. Các cảm biến này thuộc ba loại chính; bộ mã hóa quang học truyền qua, bộ mã hóa quang học phản xạ và bộ mã hóa quang học giao thoa.
Cảm biến vị trí siêu âm sử dụng bộ chuyển đổi tinh thể áp điện để phát ra sóng siêu âm tần số cao. Cảm biến đo âm thanh phản xạ. Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng như cảm biến tiệm cận đơn giản hoặc các thiết kế phức tạp hơn có thể cung cấp thông tin về phạm vi. Cảm biến vị trí siêu âm hoạt động với các vật thể mục tiêu có nhiều loại vật liệu và đặc điểm bề mặt khác nhau và có thể phát hiện các vật thể nhỏ ở khoảng cách xa hơn nhiều loại cảm biến vị trí khác. Chúng có khả năng chống rung, tiếng ồn xung quanh, bức xạ hồng ngoại và nhiễu điện từ. Ví dụ về các ứng dụng sử dụng cảm biến vị trí siêu âm bao gồm phát hiện mức chất lỏng, đếm vật thể tốc độ cao, hệ thống dẫn đường bằng rô bốt và cảm biến ô tô. Một cảm biến siêu âm ô tô thông thường bao gồm vỏ nhựa, bộ chuyển đổi áp điện có màng bổ sung và bảng mạch in có mạch điện tử và vi điều khiển để truyền, nhận và xử lý tín hiệu (Hình 5).
Cảm biến vị trí có thể đo chuyển động tuyến tính, quay và góc tuyệt đối hoặc tương đối của các vật thể. Cảm biến vị trí có thể đo chuyển động của các thiết bị như bộ truyền động hoặc động cơ. Chúng cũng được sử dụng trong các nền tảng di động như rô-bốt và ô tô. Nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng trong cảm biến vị trí với nhiều sự kết hợp khác nhau về độ bền môi trường, chi phí, độ chính xác, khả năng lặp lại và các thuộc tính khác.
Cảm biến vị trí từ tính 3D, Allegro MicrosystemsPhân tích và tăng cường bảo mật của cảm biến siêu âm cho xe tự hành, Tạp chí IEEE Internet vạn vật Cách chọn cảm biến vị trí, Mạch tích hợp CambridgeCác loại cảm biến vị trí, Ixthus InstrumentationCảm biến vị trí cảm ứng là gì?, KeyenceCảm biến vị trí từ tính là gì?, AMETEK
Duyệt qua các số mới nhất của Design World và các số trước theo định dạng dễ sử dụng, chất lượng cao. Chỉnh sửa, chia sẻ và tải xuống ngay hôm nay với tạp chí kỹ thuật thiết kế hàng đầu.
Diễn đàn EE giải quyết vấn đề hàng đầu thế giới bao gồm vi điều khiển, DSP, mạng, thiết kế tương tự và kỹ thuật số, RF, điện tử công suất, định tuyến PCB, v.v.
Bản quyền © 2022 WTWH Media LLC. mọi quyền được bảo lưu. Tài liệu trên trang web này không được sao chép, phân phối, truyền tải, lưu trữ hoặc sử dụng theo cách khác mà không có sự cho phép trước bằng văn bản của WTWH Media Chính sách bảo mật | Quảng cáo | Giới thiệu về chúng tôi