Сензори за позиция

• Сензорите за позиция намират широко приложение в измерването на ротационни, линейни премествания или движения в редица отрасли
  
  
• Датчиците в този сегмент могат да бъдат подразделени на абсолютни и инкрементални (аналогови и цифрови), като и двата типа продължават да са масово използвани в практиката
  
  
• Пазарът предлага богато разнообразие от модели, базирани на различни технологии, които се отличават с разнообразни предимства в разнотипните приложения

Сензорите за позиция (position sensors), известни още като сензори за положение, са основно средство в индустриалната автоматизация за регистриране на движението или присъствието на даден обект и определяне на относителната му позиция спрямо установена референтна точка. Те намират широко приложение в измерването на ротационни, линейни премествания или движения в редица отрасли като производството на опаковъчно оборудване, шприц машини, хидравлични и други типове механични системи, медицински устройства и съоръжения, моторни и други видове превозни средства и в частност – в автомобилостроенето, в общото машиностроене, в космическия и авиационния сектор и т. н. Чрез тях се изчислява моментното местоположение на подвижен детайл или взаимното положение на два обекта в разнотипни промишлени системи като задвижващи устройства, роботи, електрически инструменти, автомобилни компоненти (например EPS системи), колекторни и стъпкови електродвигатели и др.
Най-общо, сензорите в този сегмент могат да бъдат подразделени на абсолютни и инкрементални, както и на аналогови и цифрови, като и двата типа продължават да са масово използвани в практиката благодарение на разнообразните си предимства в конкретни приложни сценарии.

Принцип на работа и специфики

По своите функции сензорите за позиция наподобяват действието на други два типа датчици – за движение (motion sensors) и за близост (proximity sensors). Първите регистрират движението на даден обект и могат да бъдат използвани за активиране на определено действие (например включване на осветител или камера за видеонаблюдение), а вторите сигнализират, когато обект е навлязъл в работното поле на сензора. По тази логика и двата типа датчици могат да бъдат класифицирани като специализирани версии на сензорите за позиция. Принципна разлика между изброените видове е фактът, че освен регистриране на присъствието на обекта в работния обхват, сензорът за позиция измерва и точното му местоположение в пространството и изпраща сигнал с обратна връзка към основната система.

Специфичните параметри, които влияят върху работата на датчика, могат да варират в широки граници в зависимост от неговия тип, технологията, на която е базиран, и характеристиките на конкретния модел. При избора на решение за конкретно приложение обикновено се отчитат няколко ключови спецификации като обхват на измерване, резолюция, точност, повторяемост и линейност. Измервателният обхват указва диапазона от работни разстояния между сензора и обекта, при които може да бъде извършено валидно отчитане. Разделителната способност на устройството дефинира най-малката инкрементална стойност за позиция, която то може да измери. Точността представлява степента, до която измерената съвпада с реалната позиция на обекта в пространството.

Индикаторът за повторяемост сравнява различните стойности за дадена позиция, измерени от сензора във времето. Линейността на датчика корелира със степента на отклонение от линейното поведение на изходния сигнал, измерено в целия му изходен обхват.

Освен тези базови параметри при избор на сензор за позиция често се вземат предвид и други негови характеристики, например размерите и теглото, типът на данните от измерването (абсолютна или инкрементална позиция), диапазонът на работната температура, устойчивостта на агресивни среди (с наличие на влага, запрашаване, замърсяване, химикали, вибрации, удари) и др. Не са за подценяване, разбира се, и фактори като цената на устройството и възможностите за лесен монтаж.

Типове, предимства и приложения

В зависимост от типа на движението на детайла/обекта, чиято позиция измерват, тези датчици могат да бъдат обединени в три по-обширни категории – линейни, ротационни и ъглови. Пазарът предлага богато разнообразие от модели, базирани на различни технологии, най-популярни сред които са: потенциометричните (съпротивителните), индуктивните, капацитивните, магнитните (чиято работа се основава на ефекта на Хол), магнитостриктивните, оптичните и фиброоптичните, ултразвуковите и вихровотоковите.

Сред основните предимства на потенциометричните датчици например са достъпната им цена и високата им точност. Променливите диференциални трансформатори за измерване на линейни премествания (linear variable differential transformer, LVDT) и на ъгъл на завъртане (rotary variable differential transformer, RVDT) са популярни със своята прецизност и възможност за работа в тежки промишлени среди, тъй като са високоустойчиви на различни агресивни условия.

Оптичните сензори също се отличават с отлична точност в съчетание с висока разделителна способност, която е ключова в редица съвременни приложения. Магнитните сензори и датчиците на Хол пък са подходящи за среди с наличие на влага или за работа в контакт с течности, включително в тежки индустриални условия. Магнитостриктивните устройства за измерване на позиция отново попадат в категорията на високоточните прибори за агресивни среди, като се характеризират с прецизно отчитане при големи работни разстояния между датчика и обекта.

Сензорите за положение са ключови компоненти от системите за автоматизация на технологични процеси в множество сектори на съвременната индустрия. Сред традиционните им приложения са системите за управление на основно и спомагателно промишлено оборудване, например на конвейерни ленти. При тях датчиците за положение изчисляват дали придвижваните компоненти или изделия са на правилната позиция за прилагане на последващо автоматизирано действие върху тях – боядисване, нанасяне на лепило, пълнене и т. н. Ако вземем предвид една пълначна линия в производството на напитки или пък във фармацевтичната промишленост и си представим малките диаметри на бутилките и шишенцата, ще имаме ясен пример за ролята на сензорите за положение, чиято безпроблемна работа в случая би елиминирала риска от разливане на съответната субстанция и всички свързани с това загуби и разходи.

В автомобилостроенето датчиците за позиция обезпечават критични задачи при конструирането и експлоатацията на двигателите като позиционирането на коляновите валове или дроселите. Извън промишления сектор тези устройства са популярно решение в автомивки, системи за управление на трафика, автоматизирани паркинги, асансьорни системи, медицинско оборудване (например за ядрено-магнитен резонанс), в сферата на видеонаблюдението и др.

Съпротивителни и индуктивни сензори

Потенциометричните сензори за позиция измерват движението на обект чрез напрежението между свързания с него плъзгач и един от фиксираните изводи на датчика. Технологията е подходяща както за линейни, така и за ъглови премествания. Сред предимствата на тези устройства са тяхната висока прецизност и сравнително ниската им цена благодарение на несложното им устройство и липсата на необходимост от допълнителен електронен блок за обработка. В конструкцията на сензорите от този тип влизат различни видове потенциометри, чиито пътеки могат да бъдат изработени от металокерамика, тел, карбон или пластмаса.

Потенциометричните датчици са с ниска повторяемост на измерванията и често са податливи на износване, не се отличават с висока устойчивост на вибрации, навлизане на прах и чужди тела в корпуса, както и на екстремни температури. Това ги прави неподходящо решение за приложения в агресивни промишлени среди. В допълнение, ограничението в размера на устройството, обусловено от неговия дизайн, лимитира и обхвата на измерване на линейното или ъглово преместване.

Индуктивните сензори за положение са сред най-старите типове датчици в този сегмент, но все още са и сред най-популярните в практиката. Такива са споменатите по-горе променливи диференциални трансформатори за линейни премествания (LVDT). Те позволяват прецизни измервания с висока разделителна способност и чувствителност, както и с добра линейност в рамките на измервателния обхват. При тях триенето е елиминирано, а корпусът им може да се запечата херметично, което ги прави подходящи за тежки индустриални условия. Специализираните трансформатори за ротационни премествания (RVDT) функционират въз основа на идентичен принцип като LVDT сензорите, но се различават от тях по някои конструктивни специфики. И двата типа са надеждни и издръжливи, като позволяват отдалечаване на системата за обработка на сигнала от сензора. Те обаче са сравнително скъпи, обемни и с по-голямо тегло от останалите видове датчици за позиция.

Вихровотокови и капацитивни датчици

Вихровите токове са индуцирани токове, които възникват в проводим материал в присъствието на променливо магнитно поле и са резултат от закона за индукция на Фарадей. Те протичат в затворени контури и от своя страна водят до генериране на вторично магнитно поле.
Вихровотоковите датчици за положение са предназначени за работа с електропроводими обекти. Повечето от моделите на пазара на практика функционират като сензори за близост, които регистрират приближаването на обект към точката, в която е позиционирано измервателното устройство. Действието им се ограничава до измерване на положение, тъй като могат да изчислят приблизителното разстояние между обекта и датчика, но не и в каква посока е позициониран обектът спрямо датчика.

Капацитивните сензори за позиция регистрират промени в стойността на капацитета, като на тяхна база установяват позицията на измервания обект. Чувствителните им елементи се състоят от две пластини, разделени една от друга с диелектричен материал. Има два основни метода, които се използват за регистриране на позицията на обект с помощта на капацитивен датчик за положение – чрез изменение на диелектричната константа на чувствителния елемент или чрез промяна в площта на припокриване на пластините му. Тази технология също е подходяща за измерване на движение както в линейно, така и в ъглово направление.

Магнитостриктивни сензори и датчици на Хол

Феромагнитните материали като желязо, никел и кобалт проявяват свойство, известно като магнитострикция, което означава, че материалът променя размера или формата си в присъствието на приложено магнитно поле. Магнитостриктивните датчици са подходящи за агресивни работни условия, а точността на измерванията им нараства с дължината на вълновода. Следователно те са по-точни за измерване на премествания от порядъка на няколко метра. Сензорите от този тип не се отличават с висока чувствителност към вибрации, удар или температури до 100°C. Въпреки това, тяхната точност може да бъде повлияна от температурните промени, а цената им е сравнително висока.

Поначало магнитостриктивните сензори са предназначени за измерване на линейна позиция. Те могат да бъдат допълнително оборудвани с различен брой позиционни магнити, за да предоставят информация за местоположението на множество детайли по една и съща ос. Датчиците в този сегмент са безконтактни и, тъй като вълноводът обикновено се помещава в тръба от неръждаема стомана или алуминий, могат да се използват в приложения с наличие на прах и замърсявания.
Магнитостриктивните сензори за положение могат да функционират, дори ако има бариера между вълновода и позиционния магнит, при условие че бариерата е направена от немагнитен материал. Те се предлагат с различни изходи, включително за постоянно напрежение, ток, ШИМ сигнали (широчинно-импулсна модулация) и цифрови импулси от типа “старт – стоп”.

Магнитните датчици за положение, известни още като датчици на Хол, се използват за определяне на позиция чрез измерване на магнитното поле на магнит или магнитна лента. Могат да бъдат използвани например за измерване на позицията на бутало в цилиндър. Тези сензори обикновено са по-тежки от аналозите си, но не са високочувствителни към наличието на течности или прах в работната среда. Въпреки това са уязвими при удар и могат да бъдат засегнати от магнитни смущения, особено такива, причинени от близостта на електрически проводници.

Оптични, фиброоптични и ултразвукови сензори

Фиброоптичните датчици за позиция включват оптично влакно с набор от фотодетектори, разположени във всеки от краищата му. Към обекта, чието движение се наблюдава, е прикрепен източник на светлина.

Оптичните сензори са предназначени за изчисляване на позицията и линейното или ъгловото изместване на подвижни детайли. Те могат да бъдат абсолютни или инкрементални. Абсолютните се задействат с включване на захранването и позволяват измерване на броя извършени обороти при ротационно преместване. Инкременталните сензори функционират на базата на референтна позиция. След прекъсване на захранването системата за обработка на данни трябва да изчака енкодерът да изпрати информация, съответстваща на референтната позиция, за да се отчетат правилно данните за ъгловото изместване.

Оптичните сензори за ротационно изместване включват светодиоди, които позволяват да се проследи движението на непрозрачен диск, набразден с полупрозрачни сегменти. Датчиците за линейно положение могат да бъдат с въртящ се кабел (монтиран на макара и свързан към детайла, чиято позиция трябва да се определи) или да включват градуирана скала и четяща глава за определяне на позицията.
По традиция моделите от този тип се отличават с кратки времена за реакция, висока точност и резолюция, която кореспондира с броя сигнали, изпратени при едно завъртане на ос. Точността съответства на толеранса за всеки изпратен сигнал.

Оптичните сензори за положение са крехки и чувствителни към удари, вибрации, навлизане на чужди тела в корпуса (прах, масло и др.) и екстремни температури. Подходящи са за високоточни приложения, например при производството на електрически компоненти или системи за медицински анализ.
Ултразвуковите датчици за позиция излъчват високочестотна звукова вълна, генерирана обикновено от пиезоелектричен кристален преобразувател. Вълната се отразява от измервания обект обратно към преобразувателя, където се генерира изходен сигнал. Сензорите в този клас могат да регистрират близост или да измерват положение. Сред основните им предимства е възможността им да работят с широк набор от обекти от различен материал и с разнородни повърхности. В сравнение с повечето от останалите типове датчици за позиция, те могат да работят с по-малки обекти на по-големи разстояния. Устойчиви са на вибрации, шумове от околната среда, електромагнитни смущения и инфрачервени лъчения.