Cảm biến vị trí là gì?

Một phương pháp xác định vị trí, là sử dụng “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 “xoay” (chuyển động góc). Ví dụ, vòng quay của một bánh xe robot để xác định khoảng cách của nó đi dọc theo mặt đất. Dù bằng cách nào, cảm biến vị trí có thể phát hiện chuyển động của vật thể theo đường thẳng sử dụng cảm biến tuyến tính hoặc bằng chuyển động góc của nó bằng cách sử dụng cảm biến quay .

Chiết áp. Cảm biến vị trí là gì?:

Cảm biến vị trí được sử dụng phổ biến nhất trong thiết bị điện đó là chiết áp. Vì nó là một cảm biến vị trí rẻ tiền và dễ sử dụng. Nó có một tiếp xúc gạt nước liên kết với một trục cơ khí có thể là góc (quay) hoặc tuyến tính (dạng trượt) trong chuyển động của nó. Tín hiệu điện trở gây ra giữa gạt nước / thanh trượt và hai kết nối cuối có mối quan hệ tỷ lệ thuận. Giữa vị trí gạt nước thực tế giữa điện trở và giá trị điện trở của nó. Nói cách khác, mức điện trở là tỷ lệ thuận với vị trí.

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

Cấu hình này tạo ra đầu ra mạch kiểu điện áp chia hoặc điện áp tỷ lệ thuận với vị trí trục. Sau đó, ví dụ, nếu bạn áp dụng một điện áp của nói 10v qua các yếu tố điện trở của Potentiometer. Điện áp đầu ra tối đa sẽ bằng 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 vôn.Với 5 vôn cho biết gạt nước hoặc thanh trượt nằm ở vị trí nửa đường hoặc giữa của nó.

Cấu tạo chiết áp: 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 các cảm biến vị trí chiết áp điện trở có nhiều ưu điểm.: chi phí thấp, công nghệ thấp, dễ sử dụng, vv. Như cảm biến vị trí, chúng cũng có nhiều nhược điểm: mòn do các bộ phận chuyển động, độ chính xác thấp, độ lặp lại thấp và đáp ứng tần số giới hạn.

Nhưng có một nhược điểm chính của việc cách sử dụng Potentiometer như một cảm biến vị trí. Phạm vi di chuyển của gạt nước hoặc thanh trượt của nó (và do đó tín hiệu đầu ra thu được) được 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 từ 0 ^o đến khoảng 240 đến 330 ^o tối đa. Tuy nhiên, các đầu nối xoay lên đến 3600 ^o (10 x 360 ^o ) vòng quay cơ học cũng có sẵn.

Hầu hết các loại chiết áp đều sử dụng màng carbon để theo dõi điện trở của chúng. Nhưng những loại này thường nhiễu điện (tiếng ồn trên điều khiển âm lượng vô tuyến), và cũng có tuổi thọ cơ học ngắn.

Cuộn dây quấn (Wire-wound) còn được gọi là biến trở. dưới dạng dây điện trở hoặc cuộn dây điện trở cũng có thể được sử dụng. Cuộn dây quấn thường bị các vấn đề về độ phân giải khi gạt nước từ một đoạn dây này sang đoạn tiếp theo. Và nó tạo ra logarit ( LOG) đầu ra dẫn đến lỗi trong tín hiệu đầu ra. Chúng cũng bị nhiễu điện.

Đối với các ứng dụng có độ chính xác cao, độ ồn thấp. Các loại điện trở màng polymer hoặc loại gốm kim loại có độ bền cao hiện có sẵn.

Những cuộn này có một đường rãnh trơn ma sát thấp.Vì thế chúng có độ ồn thấp, tuổi thọ cao và độ phân giải tuyệt vời và có sẵn ở cả hai thiết bị nhiều và một lần. Các ứng dụng điển hình của cảm biến vị trí có độ chính xác cao này nằm trong cần điều khiển trò chơi trên máy tính, vô lăng, ứng dụng công nghiệp và rô bốt.

Cảm biến vị trí cảm ứng

Biến áp vi sai biến tuyến tính

Một loại cảm biến vị trí không bị các vấn đề về cơ khí là “Biến áp biến thiên tuyến tính” hoặc LVDT . Đây là cảm biến vị trí cảm ứng loại hoạt động trên nguyên tắc tương tự như máy biến áp AC được sử dụng để đo chuyển động. Nó là một thiết bị rất chính xác để đo chuyển vị tuyến tính. Đầu ra của nó tỉ lệ thuận với vị trí của lõi di chuyển của nó.

Về cơ bản nó bao gồm ba cuộn dây điện trở trên một ống rỗng trước đây. một cuộn cuộn dây chính và hai cuộn dây khác tạo thành các dây tương tự giống hệt nhau được kết nối bằng điện với nhau với góc 180 ^o với cuộn dây chính.

Một lõi sắt từ sắt mềm có thể di chuyển được (đôi khi được gọi là “phần ứng”) được nối với vật thể đang được đo, trượt hoặc di chuyển lên xuống trong thân hình ống của LVDT.

Một điện áp tham chiếu AC nhỏ gọi là “tín hiệu kích thích” (2 – 20V rms, 2 – 20kHz) được áp dụng cho cuộn dây chính, tạo ra tín hiệu EMF vào hai cuộn dây phụ kế tiếp (các nguyên lý biến áp).

Nếu phần lõi lõi sắt từ mềm chính xác ở giữa ống và cuộn dây, “vị trí rỗng”. Hai emf cảm ứng trong hai cuộn dây thứ cấp triệt tiêu nhau khi chúng lệch 180 ^o . Do đó kết quả đầu ra điện áp bằng không. Khi lõi được dịch chuyển nhẹ sang một bên hoặc vị trí  khác 0 hoặc. Điện áp cảm ứng thiết bị thứ hai sẽ lớn hơn điện áp chính và đầu ra sẽ được tạo ra.

Độ phân cực của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào hướng và dịch chuyển của lõi chuyển động. Sự chuyển động của lõi sắt mềm từ vị trí rỗng 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 dịch chuyển lõi và cực phân cực cho biết hướng chuyển động.

Giai đoạn của tín hiệu đầu ra có thể được so sánh với pha kích thích cuộn dây chính cho phép các mạch điện tử thích hợp như Bộ khuếch đại cảm biến LVDT AD592 để biết một nửa cuộn dây lõi từ tính ở đâu và do đó biết hướng đi.Bộ khuếch đại cảm biến LVDTAD592 để biết một nửa của cuộn dây lõi từ tính đang ở trong và do đó biết hướng đi.

Biến áp vi sai biến tuyến tính

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

Một ứng dụng điển hình của một biến áp tuyến tính biến áp (LVDT) cảm biến sẽ là một bộ chuyển đổi áp suất, là áp lực được đo đẩy chống lại một cơ hoành để tạo ra một lực lượng. Sau đó lực được chuyển thành tín hiệu điện áp có thể đọc được bằng cảm biến.

Ưu điểm của biến áp tuyến tính biến thiên, hoặc LVDT so với chiết áp điện trở tuyến tính của nó, đó là đầu ra điện áp của nó để chuyển là tuyệt vời, độ chính xác rất tốt, độ phân giải tốt, độ nhạy cao cũng như hoạt động 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 sử dụng phổ biến là cảm biến tiệm cận cảm ứngcũng được gọi là cảm biến dòng xoáy . Trong khi họ không thực sự đo chuyển dịch hoặc xoay góc, chúng chủ yếu được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một vật ở trước mặt chúng hoặc trong một khoảng cách gần, do đó tên của chúng là “cảm biến tiệm cận”.

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

Khi một vật liệu sắt từ được đặt trong trường dòng xoáy tạo ra xung quanh cảm biến cảm ứng, chẳng hạn như một tấm kim loại sắt từ hoặc kim loại vít, điện 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, cảm biến tiệm cận cảm ứng hoạt động theo nguyên lý điện của Luật tự cảmcủa Faraday .

Cảm biến tiệm cận cảm ứng

Một cảm biến tiệm cận cảm ứng có bốn thành phần chính; Các dao động mà tạo ra trường điện từ, các cuộn dây mà tạo ra từ trường, các mạch phát hiện trong đó phát hiện bất kỳ thay đổi trong lĩnh vực này khi một đối tượng vào nó và mạch đầu ra trong đó sản xuất tín hiệu đầu ra, hoặc với thường đóng (NC) hay thường mở (NO) địa chỉ liên lạc.

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 đối tượng được phát hiện. Điều này làm cho chúng lý tưởng để sử dụng trong môi trường ẩm ướt hoặc ẩm ướt. Phạm vi cảm biến “cảm biến” rất nhỏ, thường là 0.1mm đến 12mm.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 nhau và đường giao nhau. Các vòng dây điện cảm ứng hình chữ nhật được chôn vào bề mặt đường nhựa.

Khi một chiếc xe hoặc xe đường khác đi qua vòng quy nạp này, thân kim loại của chiếc xe thay đổi độ tự cảm của vòng và kích hoạt cảm biến bằng cách cảnh báo bộ điều khiển đèn giao thông có xe đang đợi.

Một bất lợi chính của các loại cảm biến vị trí này là chúng là “đa hướng”, nghĩa là chúng sẽ cảm nhận một vật kim loại ở trên, bên dưới hoặc bên cạnh nó. Ngoài ra, họ không phát hiện các vật thể phi kim loại mặc dù cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến tiệm cận siêu âm có sẵn. Các cảm biến vị trí từ tính phổ biến khác bao gồm: thiết bị chuyển mạch sậy, cảm biến hiệu ứng Hall và cảm biến miễn cưỡng biến.

Bộ mã hóa quay

Bộ mã hóa quay là một loại cảm biến vị trí khác giống như chiết áp đã 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 một mã dữ liệu tương tự hoặc kỹ thuật số. Nói cách khác, chúng 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 nguyên tắc cơ bản giống nhau. Ánh sáng từ nguồn sáng LED hoặc tia hồng ngoại được truyền qua đĩa mã hóa có độ phân giải cao xoay có chứa các mẫu mã yêu cầu, 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 số dưới dạng luồng đầu ra nhị phân được cấp cho bộ đếm hoặc bộ điều khiển xác định vị trí góc thực tế của trục.

Có hai loại mã hóa quang học cơ bản, Bộ mã hóa gia tăng và Bộ mã hóa vị trí tuyệt đối .

Mã hóa gia tăng

Bộ mã hóa gia tăng , còn được gọi là bộ mã hóa cầu phương hoặc bộ mã hóa vòng quay tương đối. Là bộ cảm biến hai vị trí đơn giản nhất. Đầu ra của chúng là một loạt các xung sóng vuông được tạo ra bởi sự sắp xếp quang điện như đĩa được mã hóa, với các đường trong suốt và đen đều nhau được gọi là các phân đoạn trên bề mặt của nó, di chuyển hoặc quay qua nguồn ánh sáng. Bộ mã hóa tạo ra một luồng các xung sóng vuông. Khi được đếm cho biết vị trí góc của trục quay.

Bộ mã hóa gia tăng có hai đầu ra riêng biệt được gọi là “đầu ra vuông góc”. Hai đầu ra này được di dời ở 90 ^o ra khỏi pha với hướng quay của trục được xác định từ trình tự đầu ra.

Số lượng các phân đoạn trong suốt và tối hoặc các khe trên đĩa xác định độ phân giải của thiết bị và tăng số lượng các dòng trong mẫu làm tăng độ phân giải cho mỗi độ quay. Các đĩa mã hóa điển hình có độ phân giải lên đến 256 xung hoặc 8 bit cho 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 đơn và thường được sử dụng trong các ứng dụng một chiều. Nơi chỉ cần thông tin về vị trí cơ bản hoặc thông tin tốc độ. Các “Quadrature” hoặc “sóng Sine” encoder là phổ biến hơn và có hai sóng đầu ra vuông thường được gọi là kênh A và kênh B . Thiết bị này sử dụng hai thiết bị dò ảnh, hơi lệch nhau 90 ^o do đó tạo ra hai tín hiệu đầu ra sin và sin riêng biệt.

Bộ mã hóa gia tăng đơn giản

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

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

Đầu ra bộ mã hóa gia tăng

Một nhược điểm chính của bộ mã hóa gia tăng khi được sử dụng như một bộ cảm biến vị trí, là chúng yêu cầu các bộ đếm bên ngoài để xác định góc tuyệt đối của trục trong vòng quay đã cho. Nếu nguồn bị ngắt trong giây lát, hoặc nếu bộ mã hóa nhớ một xung do nhiễu hoặc đĩa bẩn, thông tin góc 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 mã đầu ra duy nhất cho mỗi vị trí quay duy nhất cho biết cả vị trí và hướng. Đĩa mã hóa của chúng bao gồm nhiều “rãnh” đồng tâm của các phân đoạn ánh sáng và bóng tối. Mỗi bản nhạc độc lập với trình phát hiện ảnh của riêng nó để đọc đồng thời giá trị vị trí được mã hóa duy nhất cho mỗi góc chuyển động. Số lượng bản nhạc trên đĩa tương ứng với giải mã “bit” nhị phân của bộ mã hóa, vì vậy bộ mã hóa tuyệt đối 12 bit sẽ có 12 rãnh và giá trị được mã hóa giống nhau chỉ xuất hiện một lần cho mỗi cuộc cách mạng.

Đĩa mã hóa nhị phân 4 bit

Một ưu điểm chính của bộ mã hóa tuyệt đối là bộ nhớ không bị mất. Nó giữ lại vị trí chính xác của bộ mã hóa mà không cần phải quay lại vị trí “home” nếu mất điện. Hầu hết các bộ mã hóa quay được định nghĩa là các thiết bị “một lần”. Nhưng các thiết bị đa biến tuyệt đối có sẵn. Có các 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 nằm 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 về cảm biến vị trí này. Chúng tôi đã 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 nhiệt độ như thermistors, thermostats và thermocouples. Và như vậy thường được biết đến là cảm biến nhiệt