Senzorii de deplasare sunt utilizați practic pentru măsurarea mișcării unui obiect. Senzorii de poziție sunt folosiți pentru a determina poziția unui obiect în raport cu un punct de referință. 

Senzorii de proximitate sunt un tip de senzor de poziție și sunt folosiți pentru a urmări atunci când un obiect se deplasează cu o distanță critică particulară de un traductor. 

Senzori de deplasare 

1. Senzori potențiometre  

Figura 2.2.1 Schema unui senzor potențiometru pentru măsurarea deplasării liniare 

Figura 2.2.1 prezintă construcția unui senzor rotativ tip potențiometru folosit pentru a măsura deplasarea liniară. Potențiometrul poate fi de tip liniar sau unghiular. Acesta funcționează pe principiul de conversie a deplasării mecanice într-un semnal electric. Senzorul are un element rezistiv și un contact glisant (cursor). Cursorul se deplasează de-a lungul acestui corp conductor, acționând ca un contact electric mobil.  

Obiectul a cărui deplasare trebuie măsurată este conectat la cursor folosind  

• un arbore rotativ (pentru deplasare unghiulară)  

• o tijă mișcătoare (pentru deplasare liniară)  

• un cablu care este menținut întins în timpul funcționării 

Elementul rezistiv este o pistă bobinată cu sârmă sau plastic conductiv. Pista cuprinde un număr mare de spire strâns împachetate dintr-o sârmă rezistivă. Plasticul conductiv este format din rășină plastică încorporată cu pulbere de carbon. Pista bobinată cu sârmă are o rezoluția de ordinul ± 0,01%, în timp ce plasticul conductiv poate avea rezoluția de aprox. 0,1 µm.  

În timpul operației de detectare, o tensiune Vs este aplicată pe elementul rezistiv. Un circuit de divizare a tensiunii se formează atunci când cursorul vine în contact cu sârma. Tensiunea de ieșire (Vo) este măsurată așa cum se arată în fig. 2.2.2. Tensiunea de ieșire este proporțională cu deplasarea cursorului pe sârmă. Atunci, parametrul de ieșire, deplasarea, este calibrat după tensiunea de ieșire Vo.

Figura 2.2.2 Potentiometru: circuit electric 

                                                                    Vo = VS RB/(RA + RB)                                           (2.2.1) 

După cum știm că R = ρL/A, unde ρ este rezistivitate electrică, L este lungimea rezistenței și A este aria secțiunii transversale 

                                                                       Vo = VS LB/(LA + LB)                                            (2.2.2) 

Aplicații ale potențiometrului

Acești senzori sunt folosiți în principal în sistemele de control cu buclă de feedback pentru a se asigura că membrul sau componenta în mișcare atinge poziția comandată. 

Sunt utilizați în mod obișnuit la comenzile de pe mașini-unelte, ascensoare, ansambluri cu nivel de lichid, camioane cu stivuitor, comenzi de regulatoare auto. În fabricație, aceștia sunt utilizați în controlul mașinilor de modelare prin injecție, utilaje pentru prelucrarea lemnului, imprimare, pulverizare, robotică etc. Sunt utilizați și în monitorizarea controlată de computer a  echipamentului sportiv.  

2.  Mărci tensometrice 

Deformația într-un element este un raport dintre modificarea lungimii în direcția sarcinii aplicate și lungimea inițială a unui element. Deformația modifică rezistența R a elementului. Prin urmare, putem spune: ∆R/R ~ ε;

                                                                          ∆R/R = Gε                                                      (2.2.3)

unde G este constanta de proporționalitate și se numește factor de marcă. În general, valoarea lui G este considerată între 2 și 4, iar rezistențele sunt luate de ordinul a 100 Ω.  

Figura 2.2.3 Un model de folii rezistive 

Figura 2.2.4 Puntea Wheatstone

Rezistența mărcii tensometrice respectă principiul schimbării rezistenței conform ecuației 2.2.3. Aceasta cuprinde un model de folie rezistivă dispusă așa cum se arată în figura 2.2.3. Aceste folii sunt fabricate din aliaj constantan (aliaj cupru-nichel 55-45%) și sunt lipite cu un material de plastic (poliamidă), epoxidic sau epoxidic armat cu fibre de sticlă. Mărcile tensometrice sunt fixate pe piesa de lucru folosind ciment epoxidic sau cianoacrilat Eastman 910 SL. Pe măsură ce piesa de lucru suferă modificări de  formă din cauza încărcării externe, rezistența elementului de marcă tensometrică se modifică. Această modificare a rezistenței poate fi detectată cu o punte de rezistențe Wheatstone, așa cum se arată în figura 2.2.4. În puntea echilibrată putem avea o relație,  

                                                                      R2/R1 = Rx /R3                                               (2.2.4)         unde Rx este rezistența elementului marcă tensometrică, R2 este rezistorul de echilibrare/reglabil, R1 și R3 sunt rezistoare de valoare constantă cunoscute. Deformația sau deplasarea măsurată de către marca tensometrică este calibrată prin schimbarea rezistenței rezistorului reglabil R2, ceea ce face ca tensiunea pe nodurile A și B să fie egală cu zero. 

Aplicații ale mărcilor tensometrice

Mărcile tensometrice sunt utilizate pe scară largă în analiza experimentală a stresului și diagnosticul pe mașini și în analiza defecțiunilor. Acestea sunt, practic, utilizate pentru testarea oboselii multi-axiale, testarea probelor, măsurarea stresului rezidual și a vibrațiilor, măsurarea cuplului, măsurarea încovoierii și a devierii, măsurarea compresiei și a extensiei și măsurarea deformației.  

Mărcile tensometrice sunt folosite în principal ca senzori pentru mașini-unelte și siguranță în automobile. În special, ele sunt folosite pentru măsurarea forței în mașini-unelte, presă hidraulică sau pneumatică și ca senzori de impact la vehiculele aerospațiale. 

3. Senzor bazat pe element capacitiv 

Senzorul capacitiv este de tip senzor fără contact și este utilizat în principal pentru măsurarea deplasărilor liniare de la câțiva milimetri la sute de milimetri. Este format din trei plăci, cu perechea superioară formând un condensator și perechea inferioară alta. Deplasarea liniară poate fi de două forme:  

a. una dintre plăci este deplasată astfel încât spațiul de separare a plăcilor se schimbă 

b. aria de suprapunere se schimbă din cauza deplasării. 

Figura 2.2.5 prezintă schema senzorului cu element capacitiv cu trei plăci și măsurarea deplasării unui element mecanic conectat la placa 2.  

Figura 2.2.5 Măsurarea deplasării cu ajutorul senzorului capacitiv 

Capacitatea C a unui condensator cu plăci paralele este dată de, 

                                                                   C = εr εo A/d                                                             (2.2.5) 

unde εr este permitivitatea relativă a dielectricului între plăci, εo permitivitatea spațiului liber, A aria de suprapunere între două plăci și d separarea plăcilor.  

Deoarece placa centrală se deplasează aproape de placa de sus sau de jos, datorită mișcării elementului/piesei de lucru a cărei deplasare trebuie măsurată, separarea între plăci se schimbă. Acest lucru poate fi dat ca, 

                                                                   C1 = (εr εo A)/(d + x)                                               (2.2.6) 

                                                                   C2 = (εr εo A)/(d - x)                                               (2.2.7)  

Când C1 și C2 sunt conectate la o punte Wheatstone, tensiunea de dezechilibru rezultată va fi proporțională cu deplasarea x.

Elementele capacitive pot fi de asemenea utilizate ca senzori de proximitate. Apropierea obiectului de placa senzorului este utilizată pentru inducerea schimbării în separarea plăcii. Aceasta modifică capacitatea care este folosită pentru a detecta obiectul.  

Aplicații ale senzorilor cu elemente capacitive  

• Monitorizarea nivelului buncărului de alimentare 

• Controlul pompei pentru vasele mici

• Monitorizarea nivelului de grăsime 

• Controlul nivelului lichidelor

• Aplicații de metrologie 

• • • măsurarea erorile de formă din partea produsă 

    • analizarea și optimizarea rotației axelor în diverse mașini-unelte prin măsurarea erorilor în mașinile-unele însăși  

• Testarea liniei de asamblare

• • • pentru a detecta prezența sau absența unei anumite componente, cum ar fi lipici etc. 

4. Transformator diferențial liniar variabil (LVDT) 

Figura 2.2.6 Construirea unui senzor LVDT 

Transformatorul diferențial liniar variabil (LVDT) este un traductor primar utilizat pentru măsurarea deplasării liniare cu un interval de intrare de aproximativ ± 2 până la ± 400 mm în general. El are eroare de neliniaritate ± 0,25% din gama maximă. Fig. 2.2.6 prezintă  construcția unui senzor LVDT. Are trei bobine distanțate simetric de-a lungul unui tub izolat. Bobina centrală este bobina primară, iar celelalte două sunt bobine secundare. Bobinele secundare sunt conectate în serie astfel încât ieșirile lor să se opună între ele. Un miez magnetic atașat la elementul căruia trebuie monitorizată deplasarea este plasat în interiorul tubului izolat. 

Figura 2.2.7 Funcționarea senzorului LVDT 

Datorită unei intrări de tensiune alternativă pe bobina primară, forțe electromagnetice alternative (emf) sunt generate în  bobinele secundare. Când miezul magnetic este central plasat cu jumătate din porțiunea sa în fiecare din regiunile bobinelor  secundare tensiunea rezultantă este zero. Dacă miezul este deplasat din poziția centrală, așa cum se arată în figura 2.2.7, să zicem, mai mult în bobina secundară 1 decât în ​​bobina 2, atunci mai multă emf este generată în bobina 1 decât în ​​cealaltă și există o tensiune rezultată de la bobine. Dacă miezul magnetic este deplasat în continuare, valoarea tensiunii rezultate crește proporțional cu deplasarea. Cu ajutorul dispozitivelor de procesare a semnalului, cum ar fi filtre trece-jos și demodulatoare, deplasarea precisă poate fi măsurată folosind senzori LVDT. 

LVDT prezintă repetabilitate și reproductibilitate bună. Este utilizat în general ca senzor de poziție absolută. Deoarece nu există niciun contact sau alunecare între elementele constitutive ale senzorului, acesta este extrem de fiabil. Acești senzori sunt  complet sigilați și sunt utilizați pe scară largă în servomecanisme, măsurarea automată în mașini-unelte. 

Se poate folosi un transformator diferențial variabil rotativ (RVDT) pentru măsurarea rotației. Cititorilor li se recomandă să pregătească un raport privind principiul de lucru și construcția senzorului RVDT. 

Aplicații ale senzorilor LVDT 

• Măsurarea poziției bobinei într-o gamă largă de aplicații cu servovalve

• Furnizarea feedback-ului de deplasare pentru cilindrii hidraulici 

• Controlul greutății și grosimii produselor medicinale, adică, tablete sau pastile 

• Pentru inspecția automată a dimensiunilor finale ale produselor ambalate pentru expediere

• Măsurarea distanței dintre metalele care se apropie în timpul procesului de sudare prin frecare 

• Monitorizarea continuă a nivelul fluidului ca parte a sistemului de detectare a scurgerilor

• Detectarea numărul de bancnote distribuite de un bancomat 

Chestionar: 

1. Explicați principiul funcționării LVDT.

2. Descrieți funcționarea RVDT cu o schiță îngrijită.

3. Enumerați aplicațiile senzorului potențiometru în/în jurul casei dvs. și la  birou/universitate.