În acest tutorial vom analiza o varietate de dispozitive care sunt clasificate ca dispozitive de intrare și, prin urmare, sunt denumite "senzori" și în special acei senzori care sunt poziționali în natură.

După cum sugerează și numele lor, senzorii de poziție detectează poziția unui element, ceea ce înseamnă că sunt raportați la (sau de la) un anumit punct fix sau poziție. Aceste tipuri de senzori oferă un feedback "pozițional".

O metodă de determinare a unei poziții este de a folosi fie "distanța", care ar putea fi distanța dintre două puncte, cum ar fi distanța parcursă sau deplasată de la un punct fix, sau prin "rotație" (mișcare unghiulară). De exemplu, rotirea roții roboților pentru a determina distanța parcursă de-a lungul solului. În orice caz, senzorii de poziție pot detecta mișcarea unui obiect într-o linie dreaptă utilizând senzorii liniari sau în mișcare unghiulară utilizând senzorii rotativi.

Potențiometrele se găsesc într-o gamă largă de modele și mărimi, cum ar fi tipul de rotație rotund disponibil în mod obișnuit sau tipurile de glisoare liniare mai lungi și plate. Când este utilizat ca senzor de poziție, obiectul mobil este conectat direct la arborele rotativ sau la glisorul potențiometrului.

O tensiune de referință DC este aplicată pe cele două conexiuni fixe exterioare care formează elementul rezistiv. Semnalul de tensiune de ieșire este preluat de la borna ștergătorului contactului de alunecare, după cum se arată mai jos.Această configurație produce o ieșire de circuit de tip divizor de potențial sau de tensiune care este proporțională cu poziția arborelui. Atunci, de exemplu, dacă aplicați o tensiune de 10 V peste elementul rezistiv al potențiometrului, tensiunea maximă de ieșire ar fi egală cu tensiunea de alimentare la 10 volți, și cu tensiunea minimă de ieșire egală cu 0 volți. Deci, cursorul potențiometrului va modifica semnalul de ieșire de la 0 la 10 volți, cu 5 volți indicând faptul că cursorul se află în poziția sa centrală.

Construcția potențiometrului

Semnalul de ieșire (Vout) de la potențiometru este preluat de la racordul central al cursorului în timp ce se deplasează de-a lungul liniei de rezistență și este proporțional cu poziția unghiulară a arborelui.

Exemplu de simplu circuit de sesizare pozițională

În timp ce senzorii de poziție cu potențiometru rezistiv au numeroase avantaje: cost redus, tehnologie scăzută, ușor de utilizat etc., ca senzor de poziție au și multe dezavantaje: uzură datorată pieselor în mișcare, acuratețe scăzută, repetabilitate redusă și răspuns limitat în frecvență.

Dar există un dezavantaj principal al utilizării potențiometrului ca senzor de poziție. Domeniul de deplasare a cursorului (și, prin urmare, semnalul de ieșire obținut) este limitat la dimensiunea fizică a potențiometrului utilizat.

De exemplu, un potențiometru rotativ cu o singură tură, în general, nu are decât o rotație mecanică fixă între 0° și aproximativ 240-330° maxim. Cu toate acestea, sunt disponibile și potențiometre multi-tură cu rotație de până la 3600° (10 x 360°) de rotație mecanică.

Majoritatea tipurilor de potențiometre folosesc pelicula de carbon pentru traseul lor rezistiv, dar aceste tipuri sunt zgomotoase din punct de vedere electric (pârâituri pe butonul de volum radio) și au, de asemenea, o durată mecanică scurtă.

Se folosesc, de asemenea, potențiometre cu sârmă bobinată, cunoscute sub denumirea de reostate, sub formă de sârmă dreaptă sau sârmă rezistivă bobinată, dar potențiometrele de sârmă bobinată suferă de probleme de rezoluție, deoarece cursorul său sare de la un segment de fir la altul producând o ieșire logaritmică (LOG) rezultând erori în semnalul de ieșire. Și acestea suferă de zgomot electric.

Pentru aplicații cu zgomot redus de înaltă precizie, sunt acum disponibile elemente rezistive din plastic conductiv tip potențiometre tip cermet sau peliculă de polimer. Aceste potențiometre au o pistă rezistivă liniară electrică cu frecare redusă (LIN), oferindu-le un zgomot redus, o durată lungă de viață și o rezoluție excelentă și sunt disponibile atât ca dispozitive multi-tură, cât și cu o singură tură. Aplicații tipice pentru acest tip de senzor de poziție de înaltă precizie sunt joystick-uri pentru jocuri, volane, aplicațiile industriale și robotice.

Senzori de poziție inductivi

Transformator diferențial liniar variabil

Un tip de senzor de poziție care nu suferă de probleme mecanice de uzură este "Transformatorul diferențial liniar variabil" sau LVDT pe scurt. Acesta este un senzor de poziție tip inductiv care funcționează pe același principiu ca și transformatorul AC care este utilizat pentru măsurarea mișcării. Este un dispozitiv foarte exact pentru măsurarea deplasării liniare și a cărui ieșire este proporțională cu poziția miezului său mobil.

Acesta constă în principal în trei bobine înfășurate pe un tub, una care formează bobina primară, iar celelalte două bobine formând secundare identice conectate electric în serie, dar defazate la 180° de fiecare parte a bobinei primare.

Un miez feromagnetic de fier moale deplasabil (uneori numit "armătură") care este conectat la obiectul măsurat, alunecă sau se deplasează în sus și în jos în interiorul corpului tubular al LVDT.

O tensiune mică de referință AC numită "semnal de excitație" (2 - 20 Vrms, 2 - 20 kHz) este aplicată la înfășurarea primară care la rândul său induce un semnal EMF în cele două înfășurări secundare adiacente (principiile transformatorului).

Dacă armătura miezului magnetic cu fier moale este exact în centrul tubului și al înfășurărilor "poziție de nul", cele două emf induse în cele două înfășurări secundare se anulează reciproc, deoarece sunt defazate cu 180°, astfel încât tensiunea de ieșire rezultantă este zero. Pe măsură ce miezul este deplasat ușor de o parte sau de alta din această poziție de nul sau zero, tensiunea indusă în unul din secundare va deveni mai mare decât cea a celuilalt secundar și va fi produsă o ieșire.

Polaritatea semnalului de ieșire depinde de direcția și deplasarea miezului mobil. Cu cât este mai mare mișcarea miezului de fier moale de la poziția centrală nulă, cu atât mai mare va fi semnalul de ieșire rezultat. Rezultatul este o ieșire de tensiune diferențială care variază liniar cu poziția miezului. Prin urmare, semnalul de ieșire de la acest tip de senzor de poziție are atât o amplitudine, care este o funcție liniară de deplasarea miezului, cât și o polaritate care indică direcția de mișcare.

Faza semnalului de ieșire poate fi comparată cu faza de excitație a bobinei primare, permițând circuitelor electronice adecvate, cum ar fi amplificatorul de senzori LVDT AD592, să știe în care jumătate din bobină este miezul magnetic și astfel să cunoască direcția de deplasare.

Transformatorul diferențial liniar variabil

Atunci când armătura se deplasează de la un capăt la altul prin poziția centrală, tensiunile de ieșire se modifică de la maxim la zero și din nou la maxim, dar în timpul procesului își schimbă unghiul de fază cu 180 de grade. Aceasta permite LVDT-ului să producă un semnal de ieșire AC a cărui magnitudine reprezintă cantitatea de mișcare de la poziția centrală și a cărui unghi de fază reprezintă direcția de mișcare a miezului.

O aplicație tipică a unui senzor transformator diferențial liniar variabil (LVDT) ar putea fi ca un traductor de presiune, presiunea măsurată împingând o diafragmă pentru a produce o forță. Forța este transformată apoi într-un semnal de tensiune citibil de către senzor.

Avantajele transformatorului diferențial liniar variabil sau LVDT în comparație cu un potențiometru rezistiv sunt că liniaritatea acestuia, adică tensiunea de ieșire funcție de deplasare este excelentă, o acuratețe foarte bună, o rezoluție bună, o sensibilitate ridicată și o funcționare fără frecare. Ele sunt, de asemenea, sigilate pentru utilizare în medii ostile.

Senzori de proximitate inductivi

Un alt tip de senzor de poziție inductiv, în uz comun, este senzorul de proximitate inductiv numit și un senzor de curent Eddy (sau Foucault). Deși nu măsoară în mod efectiv deplasarea sau rotația unghiulară, acestea sunt utilizate în principal pentru a detecta prezența unui obiect în fața lor sau în apropiere, de unde și numele lor de "senzor de proximitate".

Senzorii de proximitate sunt senzori de poziție fără contact care utilizează un câmp magnetic pentru detectare, cel mai simplu senzor magnetic fiind comutatorul reed. Într-un senzor inductiv, o bobină este înfășurată în jurul unui miez de fier într-un câmp electromagnetic pentru a forma o buclă inductivă.

Atunci când un material feromagnetic este plasat în câmpul de curent turbionar generat în jurul senzorului inductiv, cum ar fi o placă metalică feromagnetică sau un șurub metalic, inductanța bobinei se modifică semnificativ. Circuitul de detectare a senzorilor de proximitate detectează această modificare producând o tensiune de ieșire. Prin urmare, senzorii inductivi de proximitate funcționează sub principiul electric al Legea inductivității lui Faraday.

Un senzor de proximitate inductiv are patru componente principale; Oscilatorul care produce câmpul electromagnetică, bobina care generează câmpul magnetic, circuitul de detecție care detectează orice schimbare în câmp, atunci când un obiect intră în acesta și circuitul de ieșire care produce semnalul de ieșire, fie cu contacte normal închis (NC) sau normal deschis (NO).

Pe lângă aplicațiile industriale, senzorii inductivi de proximitate sunt utilizați frecvent pentru a controla fluxul de trafic prin schimbarea semafoarelor la intersecții. Buclele inductive rectangulare de sârmă sunt îngropate în suprafața drumului de asfalt.

Când o mașină sau un alt vehicul rutier trece peste această buclă inductivă, corpul metalic al vehiculului schimbă inductanța buclei și activează senzorul alertând astfel controlorul de semafor că se află un vehicul în așteptare.

Un dezavantaj principal al acestor tipuri de senzori de poziție este acela că aceștia sunt "omni-direcționali", adică vor simți un obiect metalic fie deasupra, dedesubt, fie lateral. De asemenea, nu detectează obiecte nemetalice, deși sunt disponibili senzori de proximitate capacitivi și senzori de proximitate ultrasonici. Alți senzori de poziționare magnetici disponibili în mod obișnuit includ: întrerupătoare reed, senzori cu efect-Hall și senzori cu reluctanță variabilă.

Encodere rotative

Aparatele de codificare rotative sunt un alt tip de senzor de poziție care seamănă cu potențiometrele menționate anterior, dar sunt dispozitive optice fără contact folosite pentru a transforma poziția unghiulară a unui arbore în rotație într-un cod de date analogice sau digitale. Cu alte cuvinte, ele transformă mișcarea mecanică într-un semnal electric (de preferință digital).

Toate encoderele optice funcționează pe același principiu de bază. Lumina provenită de la o sursă de lumină cu LED sau infraroșie este trecută printr-un disc de codare cu rezoluție înaltă, care conține modelele de cod necesare, fie cod binar, cod grey sau BCD. Foto-detectoarele scanează discul în timp ce acesta se rotește și un circuit electronic procesează informația într-o formă digitală ca un flux de impulsuri de ieșire binare care sunt trimise de contoare sau controlere care determină poziția unghiulară reală a arborelui.

Există două tipuri de codoare optice rotative, Encodere incrementale și Encodere de poziție absolută.

Encoder incremental

Encoderele incrementale, cunoscute și sub denumirea de encodere de tip cuadratură sau encoder de rotație relativă, sunt cele mai simple dintre cei doi senzori de poziție. Ieșirea lor este o serie de impulsuri de undă dreptunghiulară generate de un aranjament de fotocelule pe discul codat, cu linii transparente și întunecate distanțate uniform, numite segmente, pe suprafața sa, ce se mișcă sau se rotesc în fața sursei de lumină. Codificatorul produce un flux de impulsuri de undă dreptunghiulară care, atunci când sunt numărate, indică poziția unghiulară a arborelui rotativ.

Encoderele incrementale au două ieșiri separate, numite "ieșiri în cuadratură". Aceste două ieșiri sunt defazate la 90°, direcția de rotație a arborelui fiind determinată din secvența de ieșire.

Prin utilizarea funcției matematice Arc Tangent se poate calcula unghiul arborelui în radiani. În general, discul optic utilizat în encoderele de poziție rotative este circular, atunci rezoluția ieșirii va fi dată ca: θ = 360/n, unde n este egal cu numărul de segmente pe discul codat.

Atunci, de exemplu, numărul de segmente necesare pentru a da unui encoder incremental o rezoluție de 1° o va fi: 1°= 360/n, deci n=360 ferestre etc. De asemenea, direcția de rotație este determinată de notarea canalului care produce o primă ieșire, fie canalul A, fie canalul B, care dă două direcții de rotație, A conduce B sau B conduce A. Acest aranjament este prezentat mai jos.

Ieșirea encoderului incremental

Un dezavantaj principal al encoderelor incrementale atunci când sunt utilizate ca senzor de poziție este că ele necesită contoare externe pentru a determina unghiul absolut al arborelui într-o rotație dată. În cazul în care alimentarea este momentan oprită sau dacă codificatorul ratează un impuls din cauza zgomotului sau a unui disc murdar, informația unghiulară rezultată va produce o eroare. O modalitate de a depăși acest dezavantaj este utilizarea encoderelor de poziție absolute.

Encoder de poziție absolută

Encoderele de poziție absolută sunt mai complexe decât codoarele de tip quadratură. Ele oferă un cod de ieșire unic pentru fiecare poziție de rotație care indică poziția și direcția. Discul lor codat constă în mai multe "piste" concentrice de segmente luminoase și întunecate. Fiecare pistă este independentă, cu propriul fotodetector, pentru a citi simultan o valoare unică a poziției codate pentru fiecare unghi de mișcare. Numărul de piste de pe disc corespunde rezoluției-"bit" binare a encoderului, astfel încât un encoder absolut pe 12 biți ar avea 12 piste și aceeași valoare codificată apare numai o dată pe rotație.

Disc codat binar pe 4 biți

Un avantaj principal al unui encoder absolut este memoria sa nevolatilă care păstrează poziția exactă a encoderului fără a fi nevoie să reveniți la o poziție "acasă" în cazul în care alimentarea cade. Majoritatea encoderelor rotative sunt definite ca dispozitive cu o singură tură, dar sunt disponibile dispozitive absolute multi-tură, care obțin feedback despre mai multe rotații prin adăugarea de discuri de cod suplimentare.

Aplicații tipice a encoderelor de poziție absolută se află în unitățile de hard disk ale computerului, și drive-uri CD/DVD unde poziția absolută a capetelor de citire/scriere sunt monitorizate sau în imprimante/plottere pentru poziționarea exactă a capetelor de imprimare pe hârtie.

În acest tutorial despre senzorii de poziție, am analizat mai multe exemple de senzori care pot fi utilizați pentru a măsura poziția sau prezența obiectelor. În următorul tutorial vom analiza senzorii care sunt utilizați pentru măsurarea temperaturii, cum ar fi termistori, termostate și termocuple și, ca atare, sunt cunoscuți în mod obișnuit ca senzori de temperatură.