Cảm biến vị trí

Cảm biến vị trí

Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ xem xét một loạt các thiết bị được phân loại là Thiết bị đầu vào và do đó được gọi là Cảm biến cảm biến và đặc biệt là các cảm biến có vị trí tự nhiên.

Như tên của chúng ngụ ý, Bộ cảm biến vị trí phát hiện vị trí của một thứ gì đó có nghĩa là chúng được tham chiếu đến hoặc từ một số điểm hoặc vị trí cố định. Những loại cảm biến này cung cấp thông tin phản hồi về vị trí của người dùng.


Một phương pháp để xác định vị trí, là sử dụng một trong hai khoảng cách, có thể là khoảng cách giữa hai điểm như khoảng cách di chuyển hoặc di chuyển ra khỏi một số điểm cố định hoặc bằng cách xoay Xoay (chuyển động góc). Ví dụ, vòng quay của bánh xe robot để xác định khoảng cách di chuyển dọc theo mặt đất. Dù bằng cách nào, Cảm biến vị trí có thể phát hiện chuyển động của một vật thể theo đường thẳng bằng cách sử dụng Cảm biến tuyến tính hoặc bằng chuyển động góc của nó bằng Cảm biến quay .
Máy đo điện thế


Được sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các cảm biến vị trí trên máy ảnh, là chiết áp vì nó là một cảm biến vị trí rẻ tiền và dễ sử dụng. Nó có một tiếp điểm gạt nước được liên kết với một trục cơ học có thể là góc (quay) hoặc tuyến tính (loại trượt) và làm cho giá trị điện trở giữa gạt nước / thanh trượt và hai đầu nối thay đổi tạo ra tín hiệu điện đầu ra có mối quan hệ tỷ lệ giữa vị trí gạt nước thực tế trên rãnh điện trở và giá trị điện trở của nó. Nói cách khác, sức đề kháng tỷ lệ thuận với vị trí.






Chiết áp


Potentiometer có nhiều kiểu dáng và kích cỡ khác nhau như kiểu quay tròn thường có sẵn hoặc các loại thanh trượt tuyến tính dài và phẳng hơn. Khi được sử dụng làm cảm biến vị trí, đối tượng có thể di chuyển được kết nối trực tiếp với trục quay hoặc thanh trượt của chiết áp.


Một điện áp tham chiếu DC được đặt trên hai kết nối cố định bên ngoài tạo thành phần tử điện trở. Tín hiệu điện áp đầu ra được lấy từ cực gạt nước của tiếp điểm trượt như hình bên dưới.


Cấu hình này tạo ra một đầu ra mạch loại tiềm năng hoặc điện áp tỷ lệ với vị trí trục. Sau đó, ví dụ, nếu bạn đặt điện áp khoảng 10v trên phần tử điện trở của chiết áp, điện áp đầu ra tối đa sẽ bằng với điện áp cung cấp ở 10 volt, với điện áp đầu ra tối thiểu bằng 0 volt. Sau đó, gạt nước chiết áp sẽ thay đổi tín hiệu đầu ra từ 0 đến 10 volt, với 5 volt cho thấy cần gạt nước hoặc thanh trượt ở vị trí nửa đường hoặc trung tâm.
Xây dựng Potentiometer






Tín hiệu đầu ra (Vout) từ chiết áp được lấy từ kết nối gạt nước trung tâm khi nó di chuyển dọc theo đường điện trở và tỷ lệ thuận với vị trí góc của trục.
Ví dụ về mạch cảm biến vị trí đơn giản






Trong khi cảm biến vị trí chiết áp điện trở có nhiều ưu điểm: giá rẻ, công nghệ thấp, dễ sử dụng, v.v., vì cảm biến vị trí chúng cũng có nhiều nhược điểm: hao mòn do bộ phận chuyển động, độ chính xác thấp, độ lặp lại thấp và đáp ứng tần số hạn chế.


Nhưng có một nhược điểm chính của việc sử dụng chiết áp làm cảm biến vị trí. Phạm vi chuyển động của cần gạt hoặc thanh trượt của nó (và do đó tín hiệu đầu ra thu được) bị giới hạn ở kích thước vật lý của chiết áp được sử dụng.


Ví dụ, một chiết áp xoay vòng đơn thường chỉ có một vòng quay cơ học cố định trong khoảng từ 0 o đến tối đa khoảng 240 đến 330 o . Tuy nhiên, nồi nhiều vòng lên đến 3600 o (10 x 360 o ) xoay cơ học cũng có sẵn.


Hầu hết các loại chiết áp sử dụng màng carbon cho rãnh điện trở của chúng, nhưng các loại này là nhiễu điện (tiếng kêu trên điều khiển âm lượng radio), và cũng có tuổi thọ cơ học ngắn.


Các nồi vết thương dây còn được gọi là rheostats, dưới dạng dây điện trở thẳng hoặc dây điện trở cuộn dây cũng có thể được sử dụng, nhưng nồi vết thương dây bị các vấn đề về độ phân giải khi gạt nước nhảy từ đoạn dây này sang đoạn tiếp theo tạo ra logarit ( LOG) đầu ra dẫn đến lỗi trong tín hiệu đầu ra. Những người quá chịu đựng tiếng ồn điện.


Đối với các ứng dụng độ ồn thấp có độ chính xác cao, màng polymer loại yếu tố kháng điện hoặc loại chiết xuất gốm kim loại hiện có sẵn. Những nồi này có rãnh điện trở tuyến tính ma sát thấp (LIN) cho độ ồn thấp, tuổi thọ cao và độ phân giải tuyệt vời và có sẵn ở cả hai thiết bị quay nhiều vòng và một lượt. Các ứng dụng điển hình cho loại cảm biến vị trí có độ chính xác cao này là trong các phím điều khiển trò chơi máy tính, vô lăng, các ứng dụng công nghiệp và robot.
Cảm biến vị trí cảm ứng
Biến áp vi sai tuyến tính


Một loại cảm biến vị trí không gặp phải các vấn đề hao mòn cơ học là viết tắt biến đổi tuyến tính biến đổi tuyến tính hay LVDT . Đây là một cảm biến vị trí loại cảm ứng hoạt động theo nguyên tắc tương tự như biến áp AC được sử dụng để đo chuyển động. Nó là một thiết bị rất chính xác để đo chuyển vị tuyến tính và có đầu ra tỷ lệ thuận với vị trí của lõi di động của nó.


Về cơ bản, nó bao gồm ba cuộn dây được quấn trên một ống rỗng trước đây, một cuộn tạo thành cuộn sơ cấp và hai cuộn dây còn lại tạo thành các cuộn thứ hai giống hệt nhau được nối với nhau thành chuỗi nhưng lệch pha 180 o ở hai bên của cuộn sơ cấp.


Lõi sắt từ mềm có thể di chuyển được (đôi khi được gọi là phần ứng dụng sắt cứng) được kết nối với vật thể được đo, trượt hoặc di chuyển lên xuống bên trong thân hình ống của LVDT.


Một điện áp tham chiếu AC nhỏ gọi là tín hiệu kích thích, một (2 - 20V rms, 2 - 20kHz) được đặt vào cuộn sơ cấp, từ đó tạo ra tín hiệu EMF vào hai cuộn dây thứ cấp liền kề (nguyên lý biến áp).


Nếu phần ứng lõi từ sắt mềm nằm chính xác ở trung tâm của ống và cuộn dây, thì vị trí null null, hai phần tử cảm ứng trong hai cuộn thứ cấp triệt tiêu lẫn nhau khi chúng lệch pha 180 o , do đó đầu ra kết quả điện áp bằng không. Khi lõi được dịch chuyển một chút sang một bên hoặc từ vị trí không hoặc không này, điện áp cảm ứng ở một trong các phụ sẽ trở nên lớn hơn so với bên thứ cấp khác và một đầu ra sẽ được tạo ra.


Độ phân cực của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào hướng và sự dịch chuyển của lõi di chuyển. Chuyển động của lõi sắt mềm từ vị trí null trung tâm của nó càng lớn thì tín hiệu đầu ra sẽ càng lớn. Kết quả là một đầu ra điện áp vi sai thay đổi tuyến tính với vị trí lõi. Do đó, tín hiệu đầu ra từ loại cảm biến vị trí này có cả biên độ là hàm tuyến tính của sự dịch chuyển lõi và cực tính biểu thị hướng chuyển động.


Pha của tín hiệu đầu ra có thể được so sánh với pha kích thích cuộn sơ cấp cho phép các mạch điện tử phù hợp như Bộ khuếch đại cảm biến AD592 LVDT để biết một nửa cuộn dây của lõi từ tính và từ đó biết hướng di chuyển.
Biến áp vi sai tuyến tính






Khi phần ứng được di chuyển từ đầu này sang đầu kia qua vị trí trung tâm, điện áp đầu ra thay đổi từ cực đại thành 0 và trở lại cực đại một lần nữa nhưng trong quá trình này thay đổi góc pha của nó 180 độ. Điều này cho phép LVDT tạo ra tín hiệu AC đầu ra có cường độ đại diện cho lượng chuyển động từ vị trí trung tâm và góc pha của nó đại diện cho hướng chuyển động của lõi.


Một ứng dụng điển hình của cảm biến biến áp vi sai biến tuyến tính (LVDT) sẽ là một bộ chuyển đổi áp suất, là áp suất được đo đẩy vào một màng ngăn để tạo ra một lực. Lực sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp có thể đọc được bằng cảm biến.


Ưu điểm của biến áp vi sai biến tuyến tính, hay LVDT so với chiết áp điện trở là tính tuyến tính của nó, đó là đầu ra điện áp của nó để dịch chuyển là tuyệt vời, độ chính xác rất tốt, độ phân giải tốt, độ nhạy cao cũng như hoạt động không ma sát. Chúng cũng được niêm phong để sử dụng trong môi trường thù địch.
Cảm biến tiệm cận cảm ứng.


Một loại cảm biến vị trí cảm ứng khác được sử dụng phổ biến là Cảm biến tiệm cận cảm ứng còn được gọi là cảm biến dòng điện Eddy . Mặc dù chúng không thực sự đo chuyển vị hoặc xoay góc, chúng chủ yếu được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một vật thể ở phía trước chúng hoặc trong một khoảng cách gần, do đó tên của chúng là cảm biến độ gần nhau.


Cảm biến tiệm cận, là cảm biến vị trí không tiếp xúc sử dụng từ trường để phát hiện với cảm biến từ đơn giản nhất là công tắc sậy. Trong một cảm biến cảm ứng, một cuộn dây được quấn quanh lõi sắt trong trường điện từ để tạo thành một vòng cảm ứng.


Khi vật liệu sắt từ được đặt trong trường dòng xoáy được tạo ra xung quanh cảm biến cảm ứng, chẳng hạn như tấm kim loại sắt từ hoặc vít kim loại, độ tự cảm của cuộn dây thay đổi đáng kể. Mạch phát hiện cảm biến tiệm cận phát hiện sự thay đổi này tạo ra điện áp đầu ra. Do đó, các cảm biến tiệm cận điện cảm hoạt động theo nguyên lý điện của Định luật tự cảm của Faraday .
Cảm biến tiệm cận cảm ứng






Một cảm biến tiệm cận cảm ứng có bốn thành phần chính; Bộ tạo dao động tạo ra trường điện từ, cuộn dây tạo ra từ trường, mạch phát hiện phát hiện bất kỳ thay đổi nào trong trường khi một vật đi vào nó và mạch đầu ra tạo ra tín hiệu đầu ra, với mức đóng bình thường (NC) hoặc bình thường mở (NO) danh bạ.


Cảm biến tiệm cận cảm ứng cho phép phát hiện các vật kim loại ở phía trước đầu cảm biến mà không có bất kỳ tiếp xúc vật lý nào của chính vật thể được phát hiện. Điều này làm cho chúng lý tưởng để sử dụng trong môi trường bẩn hoặc ẩm ướt. Phạm vi cảm biến tầm cao của các cảm biến lân cận rất nhỏ, thường là 0,1mm đến 12 mm.






Cảm biến tiệm cận


Cũng như các ứng dụng công nghiệp, cảm biến tiệm cận cảm ứng cũng thường được sử dụng để kiểm soát lưu lượng giao thông bằng cách thay đổi đèn giao thông tại các nút giao và đường giao nhau. Các vòng dây cảm ứng hình chữ nhật của dây được chôn vào mặt đường nhựa.


Khi một chiếc xe hơi hoặc phương tiện giao thông đường bộ khác đi qua vòng quy nạp này, thân kim loại của xe sẽ thay đổi độ tự cảm của vòng và kích hoạt cảm biến từ đó cảnh báo cho bộ điều khiển đèn giao thông rằng có một chiếc xe đang chờ.


Một nhược điểm chính của các loại cảm biến vị trí này là chúng là Om Om-directional, đó là chúng sẽ cảm nhận được một vật kim loại ở phía trên, bên dưới hoặc bên cạnh của nó. Ngoài ra, họ không phát hiện các vật thể phi kim mặc dù Cảm biến tiệm cận điện dung và Cảm biến tiệm cận siêu âm có sẵn. Các cảm biến vị trí từ tính thường có sẵn khác bao gồm: công tắc sậy, Cảm biến hiệu ứng Hall và cảm biến miễn cưỡng biến đổi.
Bộ mã hóa quay


Bộ mã hóa quay là một loại cảm biến vị trí khác giống với chiết áp được đề cập trước đó nhưng là thiết bị quang không tiếp xúc được sử dụng để chuyển đổi vị trí góc của trục quay thành mã dữ liệu tương tự hoặc kỹ thuật số. Nói cách khác, họ chuyển đổi chuyển động cơ học thành tín hiệu điện (tốt nhất là kỹ thuật số).


Tất cả các bộ mã hóa quang học hoạt động trên cùng một nguyên tắc cơ bản. Ánh sáng từ nguồn sáng LED hoặc hồng ngoại được truyền qua một đĩa được mã hóa độ phân giải cao xoay có chứa các mẫu mã được yêu cầu, là mã nhị phân, mã màu xám hoặc BCD. Máy dò ảnh quét đĩa khi nó quay và mạch điện tử xử lý thông tin thành dạng kỹ thuật số dưới dạng luồng xung đầu ra nhị phân được đưa đến các bộ đếm hoặc bộ điều khiển xác định vị trí góc thực của trục.


Có hai loại bộ mã hóa quang quay cơ bản, Bộ mã hóa tăng dần và Bộ mã hóa vị trí tuyệt đối .
Mã hóa gia tăng






Đĩa mã hóa


Bộ mã hóa tăng dần , còn được gọi là bộ mã hóa cầu phương hoặc bộ mã hóa quay tương đối, là đơn giản nhất trong hai cảm biến vị trí. Đầu ra của chúng là một chuỗi các xung sóng vuông được tạo ra bởi sự sắp xếp tế bào quang học dưới dạng đĩa được mã hóa, với các vạch trong suốt và tối cách đều nhau gọi là các phân đoạn trên bề mặt của nó, di chuyển hoặc xoay qua nguồn sáng. Bộ mã hóa tạo ra một luồng các xung sóng vuông, khi được tính, chỉ ra vị trí góc của trục quay.


Bộ mã hóa tăng dần có hai đầu ra riêng biệt được gọi là đầu ra hình cầu bậc ba. Hai đầu ra này được dịch chuyển ở 90 o lệch pha với nhau theo hướng quay của trục được xác định từ chuỗi đầu ra.


Số lượng các phân đoạn hoặc khe trong suốt và tối trên đĩa xác định độ phân giải của thiết bị và tăng số lượng dòng trong mẫu sẽ tăng độ phân giải trên mỗi mức độ xoay. Các đĩa được mã hóa thông thường có độ phân giải lên tới 256 xung hoặc 8 bit mỗi vòng quay.


Bộ mã hóa gia tăng đơn giản nhất được gọi là máy đo tốc độ. Nó có một đầu ra sóng vuông duy nhất và thường được sử dụng trong các ứng dụng đơn hướng trong đó chỉ yêu cầu thông tin vị trí hoặc tốc độ cơ bản. Các “Quadrature” hoặc “sóng Sine” encoder là phổ biến hơn và có sóng vuông hai đầu ra thường được gọi là kênh A và kênh B . Thiết bị này sử dụng hai máy dò ảnh, hơi bù đắp lẫn nhau bằng 90 o do đó tạo ra hai sin và cosin đầu ra tín hiệu riêng biệt.
Bộ mã hóa tăng dần đơn giản






Bằng cách sử dụng hàm toán học Arc Tangent , góc của trục tính theo radian có thể được tính toán. Thông thường, đĩa quang được sử dụng trong các bộ mã hóa vị trí quay là hình tròn, sau đó độ phân giải của đầu ra sẽ được đưa ra là: = 360 / n , trong đó n bằng số lượng phân đoạn trên đĩa được mã hóa.


Ví dụ, số lượng phân đoạn cần thiết để cung cấp bộ mã hóa tăng dần độ phân giải 1 o sẽ là: 1 o = 360 / n, do đó, n = 360 cửa sổ, v.v. Ngoài ra, hướng quay được xác định bằng cách lưu ý kênh nào tạo ra một đầu ra đầu tiên, kênh A hoặc kênh B cho hai hướng quay, A dẫn B hoặc B dẫn A. Sự sắp xếp này được hiển thị bên dưới.
Đầu ra bộ mã hóa tăng dần






Một nhược điểm chính của bộ mã hóa gia tăng khi được sử dụng làm cảm biến vị trí, là chúng yêu cầu các bộ đếm bên ngoài để xác định góc tuyệt đối của trục trong một vòng quay cho trước. Nếu nguồn bị tắt trong giây lát hoặc nếu bộ mã hóa bị mất xung do nhiễu hoặc đĩa bẩn, thông tin góc dẫn đến sẽ tạo ra lỗi. Một cách khắc phục nhược điểm này là sử dụng bộ mã hóa vị trí tuyệt đối.
Bộ mã hóa vị trí tuyệt đối


Bộ mã hóa vị trí tuyệt đối phức tạp hơn bộ mã hóa cầu phương. Chúng cung cấp một mã đầu ra duy nhất cho mỗi vị trí xoay duy nhất cho biết cả vị trí và hướng. Đĩa được mã hóa của họ bao gồm nhiều bản nhạc đồng tâm, đường ray sáng và tối. Mỗi bản nhạc độc lập với trình phát hiện ảnh riêng để đọc đồng thời một giá trị vị trí được mã hóa duy nhất cho từng góc di chuyển. Số lượng rãnh trên đĩa tương ứng với độ phân giải nhị phân bit bit của bộ mã hóa, do đó, bộ mã hóa tuyệt đối 12 bit sẽ có 12 rãnh và cùng một giá trị được mã hóa chỉ xuất hiện một lần trên mỗi vòng quay.
Đĩa mã hóa nhị phân 4 bit






Một ưu điểm chính của bộ mã hóa tuyệt đối là bộ nhớ không bay hơi của nó vẫn giữ được vị trí chính xác của bộ mã hóa mà không cần phải quay về vị trí nhà ở nhà nếu bị mất điện. Hầu hết các bộ mã hóa quay được định nghĩa là các thiết bị quay một chiều của Cameron, nhưng các thiết bị đa vòng tuyệt đối có sẵn, có được phản hồi qua một số vòng quay bằng cách thêm các đĩa mã bổ sung.


Ứng dụng điển hình của bộ mã hóa vị trí tuyệt đối là trong ổ cứng máy tính và ổ đĩa CD / DVD là vị trí tuyệt đối của đầu đọc / ghi ổ đĩa được theo dõi hoặc trong máy in / máy vẽ để định vị chính xác đầu in trên giấy.


Trong hướng dẫn này về Cảm biến vị trí , chúng tôi đã xem xét một số ví dụ về cảm biến có thể được sử dụng để đo vị trí hoặc sự hiện diện của các đối tượng. Trong hướng dẫn tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ như nhiệt điện trở, bộ điều nhiệt và cặp nhiệt điện, và như vậy thường được gọi là Cảm biến nhiệt độ.