Cảm biến vị trí | Position Sensors

Các loại và công dụng của cảm biến vị trí thông dụng trên thị trường hiện nay

Cảm biến vị trí là một chức năng quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ xích truyền động rô-bốt đến băng tải trong hoạt động chuỗi cung ứng cho đến sự lắc lư của tháp tua-bin gió. 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 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 trình bày tóm tắt các dạng cảm biến vị trí khác nhau và 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.

Có nhiều yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn cảm biến vị trí. Một số ví dụ bao gồm
- Các phép đo vị trí có thể là tuyến tính, quay hoặc góc và có thể là tĩnh hoặc động (đo tốc độ và/hoặc gia tốc).

- Cảm biến tuyến tính thường bị giới hạn trong một phạm vi đo cụ thể, trong khi cảm biến quay thường cung cấp các phép đo theo vòng quay hoặc độ.

- Các cảm biến này có thể dựa trên công nghệ tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Cảm biến tiếp xúc thường rẻ hơn, trong khi cảm biến không tiếp xúc có xu hướng đáng tin cậy hơn.

- Bộ giải quyết là cảm biến quay không tiếp xúc chuyên dụng có thể cung cấp cả phản hồi vị trí và vận tốc.

- Một số cảm biến chỉ cung cấp các phép đo gia tăng từ điểm này đến điểm khác, trong khi những cảm biến khác cung cấp thông tin vị trí tuyệt đối so với một điểm tham chiếu cụ thể.
 

Cảm biến vị trí điện thế

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 có vị trí cần cảm biến. Chuyển động của vật thể sẽ di chuyển cần gạt dọc theo đường ray. Vị trí của vật thể được đo bằng điện áp DC cố định bằng cách sử dụng đường ray và cần gạt để tạo thành mạng chia điện áp để đo chuyển động tuyến tính hoặc quay (Hình 1). Cảm biến điện thế có giá thành thấp nhưng thường có độ chính xác và khả năng lặp lại thấp.


Hình 1: Cảm biến vị trí điện thế cho bộ chia điện áp có thể được thiết kế để đo chuyển động tròn (trái) hoặc tuyến tính (phải). (Ảnh: Cambridge Integrated Circuits)
Cảm biến vị trí cảm ứng

Cảm biến vị trí cảm ứng sử dụng các thay đổi về đặc tính của từ trường được tạo ra trong các cuộn dây của cảm biến. Tùy thuộc vào cấu trúc của chúng, chúng có thể đo vị trí tuyến tính hoặc quay. Cảm biến vị trí biến áp vi sai tuyến tính (LVDT) sử dụng ba cuộn dây quấn trên một ống rỗng; một cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp. Các cuộn dây được kết nối nối tiếp với mối quan hệ pha của các cuộn dây thứ cấp lệch pha 180° so với cuộn dây sơ cấp. Một lõi sắt từ gọi là cốt thép được đặt bên trong ống và được kết nối với vật thể có vị trí đang được đo. Một điện áp kích thích được áp dụng cho cuộn dây sơ cấp, tạo ra lực điện từ (EMF) trong các 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 cốt thép và vật thể mà nó được gắn vào. Máy biến áp vi sai điện áp quay (RVDT) sử dụng cùng công nghệ để theo dõi vị trí quay. Cảm biến LVDT và RVDT cung cấp độ chính xác, 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

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 thay đổi. Các dòng điện này chạy trong các vòng kín và tạo ra từ trường thứ cấp. Cảm biến dòng điện xoáy bao gồm một 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 vật thể di chuyển gần hoặc xa cuộn dây, vị trí của vật thể có thể được cảm nhận bằng cách sử dụng tương tác của từ trường thứ cấp do dòng điện xoáy tạo ra, tác động 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 thông qua mạch tuyến tính hóa để tạo ra đầu ra DC tuyến tính tỷ lệ thuận với khoảng cách của vật thể.


Hình 2: Khi mục tiêu tiếp cận cảm biến (bên trái), tổn thất dòng điện xoáy tăng lên và biên độ dao động co lại (bên phải). (Ảnh: Keyence)
Thiết bị dòng điện xoáy là thiết bị không tiếp xúc mạnh mẽ và 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.
 

Cảm biến vị trí điện dung

Như tên gọi của chúng, cảm biến vị trí điện dung đo các thay đổi về điện dung để xác định vị trí của vật thể đang được cảm biến. Các cảm biến không tiếp xúc này có thể được chế tạo để đo các vị trí tuyến tính hoặc quay. Chúng bao gồm hai tấm được ngăn cách bằng vật liệu điện môi và sử dụng một trong hai phương pháp để phát hiện vị trí của vật thể:
 

Thay đổi hằng số điện môi của tụ điện

Thay đổi diện tích chồng lấn của các tấm tụ điện

Để gây ra những thay đổi trong hằng số điện môi, vật thể có vị trí cần phát hiện 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 thay đổi của diện tích vật liệu điện môi và hằng số điện môi của không khí. Ngoài ra, vật thể có thể được gắn vào một trong các tấm tụ điện. Khi vật thể di chuyển, các tấm sẽ 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 phòng thí nghiệm cũng như trong các môi trường 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 của dụng cụ.
 

Cảm biến vị trí từ giảo

Từ giảo 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 giảo, một nam châm vị trí có thể di chuyển được gắn vào vật thể đang được đo. Nó bao gồm một ống dẫn sóng, bao gồm một dây dẫn mà xung dòng điện được truyền qua, 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 trục của nam châm vĩnh cửu (nam châm trong piston xi lanh, trong Hình 3a). Tương tác từ trường là kết quả của sự xoắn (hiệu ứng Wiedemann) gây ra sự căng thẳng trong dây, tạo ra xung âm thanh 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, vật thể có thể được đo (Hình 3c).


Hình 3: Từ giảo tạo ra cảm biến vị trí không tiếp xúc có độ chính xác cao mà không làm mòn phần tử cảm biến. (Ảnh: Ametek)
Cảm biến vị trí từ giảo là cảm biến không tiếp xúc và 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.
 

Cảm biến vị trí hiệu ứng Hall

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 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, một 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, tạo ra điện áp Hall thay đổi. Bằng cách đo điện áp Hall, có thể xác định vị trí của vật thể. Có các cảm biến vị trí hiệu ứng Hall chuyên dụng có thể xác định vị trí theo 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 có thể 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.


Hình 4: Có các cảm biến hiệu ứng Hall chuyên dụng có thể xác định vị trí 3D. (Ảnh: Allegro Microsystems)
Cảm biến vị trí sợi quang

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 ngoại tại, sợi quang được kết hợp với công nghệ cảm biến khác để chuyển tiếp tín hiệu đến các thiết bị điện tử từ xa để xử lý. Trong trường hợp đo vị trí sợi quang nội tại, độ trễ thời gian có thể được xác định bằng thiết bị như máy đo phản xạ miền thời gian quang học. Độ dịch chuyển bước sóng có thể được tính toán bằng thiết bị thực hiện phép 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 nên có thể sử dụng ở gần điện áp cao hoặc vật liệu dễ cháy.

Một loại cảm biến sợi quang khác dựa trên công nghệ mạng Bragg sợi quang (FBG) cũng có thể được sử dụng để đo vị trí. FBG hoạt động như một bộ lọc khía phản xạ một phần hẹp của ánh sáng tập trung xung quanh bước sóng Bragg (λB) khi được chiếu sáng bằng quang phổ rộng. Nó được chế tạo như một cấu trúc vi mô được khắc vào lõi của sợi quang. FBG có thể được chế tạo để đo nhiều thông số khác nhau như nhiệt độ, độ biến dạng, áp suất, độ nghiêng, độ dịch chuyển, gia tốc và tải.
 

Cảm biến vị trí quang học

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 từ vật thể được giám sát và trả về nguồn sáng. Tùy thuộc vào thiết kế cảm biến, sự thay đổi về đặc điểm 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 cả chuyển động tuyến tính và chuyển động 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

Cảm biến vị trí siêu âm sử dụng bộ chuyển đổi tinh thể áp điện để phát ra sóng âm 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 tinh vi 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 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 gắn kèm và bảng mạch in có mạch điện tử và bộ vi điều khiển để truyền, nhận và xử lý tín hiệu (Hình 5).


Hình 5: Thiết kế hệ thống cảm biến vị trí siêu âm áp điện ô tô điển hình. (Ảnh: Tạp chí IEEE Internet of Things)
Tóm tắt

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 trên các nền tảng di động như rô-bốt và ô tô. Nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng trong cảm biến vị trí có nhiều sự kết hợp khác nhau về độ bền của môi trường, chi phí, độ chính xác, khả năng lặp lại và các thuộc tính khác.

 

Cảm biến vị trí | Position Sensors gì và của hãng nào phù hợp với nhu cầu sử dụng của bạn

Khi đang cần tìm mua chính xác Cảm biến vị trí | Position Sensors phù hợp với nhu cầu đang cần, https://DienElectric.Com phân phối bán, với cách phân loại theo hãng: Siemens, Schneider, ABB, AB, TE, IFM, SICK, Telemecanique, Balluff; Pepperl+Fuchs, Omron, Autonics, Honeywell, Emerson, Plumberstar, ABB, Yokogawa, Azbil, Badger Meter, Krohne Messtechnik, Danfoss, Rexroth, Sensirion, Krohne, Badger Meter, McCrometer, Wyatt Engineering, NIVUS, Merrytek, ..; theo mục đích sử dụng; cung cấp đầy đủ, chi tiết, chính xác thông tin, cũng như những tư vấn chính xác, tận tình, và ngay lập tức sẽ cho bạn kết quả như ý muốn. Vì sự hài lòng của khách hàng chính là thành công của chúng tôi.

 

Cảm biến vị trí | Position Sensors đang được phân phối tại ANH TY Co., LTD | https://DienElectric.com