Từ các chuỗi truyền động robot đến băng tải trong hoạt động chuỗi cung ứng, cho đến sự rung lắc của các tháp tuabin 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 để có thể xác định vị trí trong không gian ba chiều. Các công nghệ cảm biến vị trí bao gồm điện thế, cảm ứng, dòng điện xoáy, điện dung, từ biến, hiệu ứng Hall, sợi quang, quang học và siêu âm.
Phần Hỏi đáp này cung cấp phần giới thiệu ngắn gọn về các hình thức 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 đường ray điện trở cố định với một cần gạt gắn vào vật thể cần xác định vị trí. Chuyển động của vật thể làm cho cần gạt di chuyển dọc theo đường ray. Vị trí của vật thể được đo bằng cách sử dụng mạng chia điện áp được tạo thành bởi các đường 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 chi phí thấp, nhưng nhìn chung có độ chính xác và độ lặp lại thấp.
Cảm biến vị trí cảm ứng sử dụng sự thay đổi các đặc tính của từ trường được tạo ra trong cuộn dây cảm biến. Tùy thuộc vào cấu tạo, chúng có thể đo vị trí tuyến tính hoặc vị trí quay. Cảm biến vị trí biến áp vi sai 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 mắc 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 cần đo. Một điện áp kích thích được đặt vào cuộn dây sơ cấp và một lực điện từ (EMF) được tạo ra trong cuộn dây thứ cấp. Bằng cách đo hiệu điện thế giữa các cuộn dây thứ cấp, vị trí tương đối của phần ứng và vật thể mà nó được gắn vào có thể được xác định. Biến áp vi sai điện áp quay (RVDT) sử dụng cùng kỹ thuật để theo dõi vị trí quay. Cảm biến LVDT và RVDT cung cấp độ chính xác, độ 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 vật liệu dẫn điện khi có từ trường biến đổi. Các dòng điện này chảy 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 cấp năng lượng cho cuộn dây để tạo ra từ trường sơ cấp. Khi một vật thể tiến lại gần hoặc di chuyển ra xa cuộn dây, vị trí của nó có thể được cảm nhận bằng cách sử dụng sự tương tác của từ trường thứ cấp được tạo ra bởi dòng điện xoáy, 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.
Các thiết bị dòng điện xoáy là những thiết bị bền chắc, không tiếp xúc, thường được sử dụng làm cảm biến tiệm cận. Chúng có khả năng hoạt động theo mọi hướng và có thể xác định khoảng cách tương đối đến vật thể, nhưng không thể xác định hướng hoặc khoảng cách tuyệt đối đến vật thể.
Như tên gọi cho thấy, cảm biến vị trí điện dung đo sự thay đổi điện dung để xác định vị trí của vật thể được cảm nhận. 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 một vật liệu điện môi và sử dụng một trong hai phương pháp để phát hiện vị trí của vật thể:
Để tạo ra sự thay đổi trong hằng số điện môi, vật cần xác định 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 cũng có thể được nối với một trong các bản cực của tụ điện. Khi vật thể di chuyển, các bản cực sẽ di chuyển lại gần hoặc ra xa nhau, và sự thay đổi 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. Nhờ độ ổn định tín hiệu và độ phân giải 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 hóa. Trong máy móc công nghiệp, chúng được sử dụng để giám sát độ dịch chuyển và vị trí dụng cụ.
Từ biến là một đặc tính 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 biến, một nam châm định vị di động được gắn vào vật thể cần đo. Nó bao gồm một ống dẫn sóng gồm các dây dẫn mang xung dòng điện, được kết nối với một cảm biến đặt 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 dẫn tương tác với từ trường trục của nam châm vĩnh cửu (nam châm trong piston xi lanh, Hình 3a). Sự tương tác từ trường này được gây ra bởi sự xoắn (hiệu ứng Wiedemann), làm biến dạng dây dẫn, tạo ra một xung âm thanh lan truyền dọc theo ống dẫn sóng và được phát hiện bởi một cảm biến ở cuối ống dẫn sóng (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 định vị và do đó của vật thể có thể được đo (Hình 3c).
Cảm biến vị trí từ biến là loại cảm biến không tiếp xúc được sử dụng để phát hiện vị trí tuyến tính. Các ống dẫn sóng thường được đặt trong ống thép không gỉ hoặc nhôm, cho phép các cảm biến này được sử dụng 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 phía của dây dẫn, tạo ra 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 những cảm biến vị trí hiệu ứng Hall chuyên dụng có thể xác định vị trí trong không gian ba chiều (Hình 4). Cảm biến vị trí hiệu ứng Hall là thiết bị không tiếp xúc, cung cấp độ tin cậy cao và khả năng cảm biến nhanh, 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 quang học cơ bản. Trong cảm biến quang học nội tại, sợi quang được sử dụng làm phần tử cảm biến. Trong cảm biến quang học ngoại lai, sợi quang được kết hợp với công nghệ cảm biến khác để truyền 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 (OPT-DVR) có thể được sử dụng để xác định độ trễ thời gian. Độ dịch chuyển bước sóng có thể được tính toán bằng cách sử dụng một thiết bị thực hiện phép đo phản xạ miền tần số quang học (OFDR). Cảm biến quang học không bị ảnh hưởng bởi 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 các vật liệu có áp suất cao hoặc dễ cháy.
Một phương pháp cảm biến quang học khác dựa trên công nghệ mạng tinh thể Bragg sợi quang (FBG) cũng có thể được sử dụng để đo vị trí. FBG hoạt động như một bộ lọc loại bỏ dải tần, 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 với các cấu trúc vi mô được khắc vào lõi sợi quang. FBG có thể được sử dụng để đo các thông số khác nhau như nhiệt 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 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 theo dõi và quay trở lại nguồn sáng. Tùy thuộc vào thiết kế của cảm biến, sự thay đổi các thuộc tính của 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 chuyển động quay. Các cảm biến này được chia thành ba loại chính: bộ mã hóa quang học truyền dẫn, 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 khoảng cách. 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 môi trường, 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 điều hướng robot và cảm biến ô tô. Một cảm biến siêu âm ô tô điển hình bao gồm vỏ nhựa, bộ chuyển đổi áp điện với màng bổ sung và bảng mạch in với các mạch điện tử và bộ 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 robot 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, độ lặp lại và các thuộc tính khác.
Cảm biến vị trí từ tính 3D, Allegro Microsystems; Phân tích và nâng cao tính bảo mật của cảm biến siêu âm cho xe tự hành, Tạp chí Internet vạn vật IEEE; Cách chọn cảm biến vị trí, Cambridge Integrated Circuits; Các loại cảm biến vị trí, Ixthus Instrumentation; Cảm biến vị trí cảm ứng là gì?, Keyence; Cảm biến vị trí từ biến là gì?, AMETEK
Xem các số mới nhất và các số cũ của Design World ở định dạng chất lượng cao, dễ sử dụng. Chỉnh sửa, chia sẻ và tải xuống ngay hôm nay với tạp chí kỹ thuật thiết kế hàng đầu.
Diễn đàn kỹ thuật điện hàng đầu thế giới chuyên giải quyết các vấn đề về vi điều khiển, xử lý tín hiệu số (DSP), mạng máy tính, thiết kế mạch tương tự và số, tần số vô tuyến (RF), điện tử công suất, thiết kế mạch in (PCB) và nhiều lĩnh vực khác.
Bản quyền © 2022 WTWH Media LLC. Mọi quyền được bảo lưu. Không được phép sao chép, phân phối, truyền tải, lưu trữ hoặc sử dụng bất kỳ nội dung nào trên trang web này mà không có sự cho phép bằng văn bản trước của WTWH Media. Chính sách bảo mật | Quảng cáo | Giới thiệu