Cảm biến vị trí phát hiện vị trí thứ gì đó có nghĩa là chúng tham chiếu đến hoặc từ một số điểm hoặc vị trí cố định. Các loại cảm biến này cung cấp phản hồi “vị trí”.
Phương pháp xác định vị trí là sử dụng “khoảng cách”, có thể là khoảng cách giữa hai điểm, chẳng hạn như khoảng cách đi hoặc di chuyển khỏi một điểm cố định nào đó, hoặc bằng “xoay” (chuyển động theo góc). Ví dụ, chuyển động quay bánh xe rô bốt để xác định khoảng cách di chuyển dọc theo mặt đất của nó. Dù bằng cách nào, Cảm biến vị trí có thể phát hiện chuyển động đối tượng theo đường thẳng bằng Cảm biến tuyến tính hoặc theo chuyển động góc của đối tượng bằng Cảm biến quay .
Chiết áp
Sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các “Cảm biến vị trí”, là chiết áp vì nó là cảm biến vị trí rẻ và dễ sử dụng. Nó có một tiếp điểm núm xoay liên kết với trục cơ học có thể là góc (quay) hoặc tuyến tính (kiểu trượt) trong chuyển động và điều này làm cho giá trị điện trở giữa núm xoay/thanh trượt và hai đầu kết nối thay đổi tạo tín hiệu điện đầu ra có mối quan hệ tỷ lệ giữa vị trí núm xoay thực tế trên rãnh điện trở và giá trị điện trở của nó. Nói cách khác, điện trở tỷ lệ thuận với vị trí.
Chiết áp
Chiết áp có rất nhiều kiểu dáng và kích thước như kiểu xoay tròn thường có sẵn hoặc kiểu trượt tuyến tính dài hơn và phẳng hơn. Khi sử dụng như cảm biến vị trí, đối tượng có thể di chuyển kết nối trực tiếp với trục quay hoặc thanh trượt của chiết áp.
Điện áp chuẩn một chiều đặt qua hai đầu nối cố định bên ngoài tạo thành phần tử điện trở. Tín hiệu điện áp đầu ra được lấy từ cực gạt của tiếp điểm trượt như hình dưới đây.
Cấu hình này tạo ra đầu ra mạch kiểu bộ chia điện áp hoặc điện áp tỷ lệ với vị trí trục. Sau đó, ví dụ, nếu bạn đặt điện áp 10v trên phần tử điện trở của chiết áp thì điện áp đầu ra tối đa sẽ bằng điện áp cung cấp ở 10 vôn, với điện áp đầu ra tối thiểu bằng 0 vôn. Sau đó chiết áp sẽ thay đổi tín hiệu đầu ra từ 0 đến 10 vôn, với 5 vôn cho biết cần gạt hoặc thanh trượt đang ở vị trí nửa chiều hoặc trung tâm của nó.
Cấu tạo chiết áp
Tín hiệu đầu ra (Vout) từ chiết áp lấy từ kết tiếp điểm trung tâm khi nó di chuyển dọc theo đường điện trở và tỷ lệ với vị trí góc của trục.
Ví dụ về mạch cảm biến vị trí đơn giản
Trong khi cảm biến vị trí chiết áp điện trở có nhiều ưu điểm: giá thành rẻ, 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 hạn chế.
Nhưng có một nhược điểm chính của việc sử dụng chiết áp làm cảm biến vị trí. Phạm vi chuyển động của thanh gạt hoặc thanh trượt của nó (và do đó tín hiệu đầu ra thu được) bị giới hạn ở kích thước vật lý chiết áp đang sử dụng.
Ví dụ, một chiết áp quay một lượt thường chỉ có một vòng quay cơ học cố định trong khoảng từ 0 o đến tối đa khoảng 240 đến 330 o . Tuy nhiên, cũng có sẵn các loại có khả năng xoay cơ học lên đến 3600 o (10 x 360 o ).
Hầu hết các loại chiết áp đều sử dụng màng carbon cho đường điện trở của chúng, nhưng những loại này rất nhiễu về điện (tiếng nhiễu trên bộ điều khiển âm lượng vô tuyến) và cũng có tuổi thọ cơ học ngắn.
Chiết áp dây quấn còn gọi là biến trở, ở dạng dây thẳng hoặc dây điện trở cuộn dây quấn cũng có thể sử dụng, nhưng chiết áp dây quấn gặp vấn đề về độ phân giải khi cần gạt của chúng nhảy từ đoạn dây này sang đoạn dây tiếp theo tạo ra logarit ( LOG) đầu ra dẫn đến lỗi trong tín hiệu đầu ra. Chúng cũng bị nhiễu điện.
Đối với các ứng dụng độ nhiễu có độ chính xác cao, màng polyme loại phần tử nhựa dẫn điện hoặc chiết áp loại gốm hiện đã có sẵn. Những loại này có rãnh điện trở tuyến tính (LIN) ma sát thấp, tạo vấn đề nhiễu thấp, tuổi thọ cao . Các ứng dụng điển hình cho loại cảm biến vị trí có độ chính xác cao này là trong các cần điều khiển trò chơi máy tính, vô lăng, các ứng dụng công nghiệp và rô bốt.
Cảm biến từ
Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính
Một loại cảm biến vị trí không bị các vấn đề về mài mòn cơ học là “biến áp vi sai biến đổi tuyến tính” hay viết tắt là LVDT . Đây là một cảm biến vị trí kiểu cảm ứng hoạt động trên nguyên tắc giống như máy biến áp xoay chiều sử dụng để đo chuyển động. Nó là một thiết bị rất chính xác để đo chuyển vị tuyến tính và đầu ra nó tỷ lệ với vị trí của lõi có thể di chuyển của nó.
Về cơ bản, nó bao gồm ba cuộn dây quấn trên một ống rỗng, một cuộn tạo thành cuộn sơ cấp và hai cuộn còn lại tạo thành cuộn thứ hai giống hệt nhau kết nối điện với nhau theo chuỗi nhưng lệch pha 180 o ở hai bên cuộn sơ cấp.
Một lõi sắt từ mềm bằng sắt có thể di chuyển (đôi khi gọi là “phần ứng”) được kết nối với đối tượng đo, trượt hoặc di chuyển lên và xuống bên trong thân hình ống LVDT.
Một điện áp chuẩn AC nhỏ được gọi là “tín hiệu kích thích” (2 – 20V rms, 2 – 20kHz) được đặt vào cuộn sơ cấp, từ đó tạo thành tín hiệu EMF vào hai cuộn thứ cấp liền kề (nguyên lý máy biến áp).
Nếu phần ứng lõi từ sắt mềm nằm chính xác ở giữa ống và các cuộn dây, “vị trí rỗng”, thì hai emf(sức điện động) cảm ứng trong hai cuộn dây thứ cấp triệt tiêu lẫn nhau khi chúng lệch pha nhau 180 o , do đó kết quả là điện áp bằng không. Khi lõi bị dịch chuyển một chút sang bên này hoặc bên kia từ vị trí rỗng hoặc không này, điện áp cảm ứng ở một trong các thiết bị thứ hai sẽ trở nên lớn hơn điện áp thứ cấp kia và một đầu ra sẽ được tạo ra.
Cực tính tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào hướng và độ dịch chuyển của lõi chuyển động. Chuyển động của lõi sắt mềm từ vị trí rỗng trung tâm của nó càng lớn thì tín hiệu đầu ra càng lớn. Kết quả là đầu ra điện áp vi sai thay đổi tuyến tính theo 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 sự dịch chuyển lõi và cực tính cho biết hướng chuyển động.
Pha tín hiệu đầu ra có thể được so sánh với pha kích thích cuộn sơ cấp cho phép các mạch điện tử thích hợp như Bộ khuếch đại cảm biến AD592 LVDT biết được nửa cuộn dây của lõi từ và từ đó biết được hướng di chuyển.
Cấu tạo máy biến áp vi sai chuyể đổi tuyến tính
Khi phần ứng được di chuyển từ đầu này sang đầu kia qua vị trí trung tâm, điện áp đầu ra thay đổi từ cực đại đến 0 và trở lại cực đại một lần nữa nhưng trong quá trình này, góc pha của nó thay đổi 180 độ. Điều này cho phép LVDT tạo ra tín hiệu AC đầu ra có độ lớn đại diện cho lượng chuyển động từ vị trí trung tâm và góc pha của nó đại diện cho hướng chuyển động của lõi.
Một ứng dụng điển hình của cảm biến biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT) sẽ là một bộ chuyển đổi áp suất, là áp suất được đo áp lực đẩy lên màng ngăn để tạo ra lực. Lực này sau đó được cảm biến chuyển thành tín hiệu điện áp có thể đọc được.
Ưu điểm của máy biến áp vi sai biến đổi tuyến tính, hay LVDT so với chiết áp điện trở là tính tuyến tính của nó, tức là đầu ra điện áp của nó để dịch chuyển là tuyệt vời, độ chính xác rất tốt, độ phân giải tốt, độ nhạy cao cũng như hoạt động không 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 được sử dụng phổ biến là Cảm biến tiệm cận cảm ứng còn được gọi là cảm biến dòng điện Eddy . Mặc dù chúng không thực sự đo độ dịch chuyển hoặc góc quay, chúng chủ yếu được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một vật thể trước mặt chúng hoặc trong một khoảng cách gần, do đó chúng có tên 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 trường đơn giản nhất là công tắc cây lau. Trong một cảm biến điện cảm, một cuộn dây được quấn quanh lõi sắt trong trường điện từ để tạo thành một vòng dây cảm ứng.
Khi một vật liệu sắt từ được đặt trong trường dòng điện xoáy được tạo ra xung quanh cảm biến điện cảm, chẳng hạn như tấm kim loại sắt từ hoặc vít kim loại, độ tự 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 Định luật tự cảm Faraday .
Cấu tạo cảm biến tiệm cận cảm ứng
Một cảm biến tiệm cận cảm ứng có bốn thành phần chính; Bộ dao động tạo ra trường điện từ, cuộn dây tạo ra từ trường, mạch phát hiện phát hiện bất kỳ sự thay đổi nào trong trường khi một đối tượng đi vào nó và mạch đầu ra tạo ra tín hiệu đầu ra, ở chế độ thường đóng (NC) hoặc bình thường mở (KHÔNG) danh bạ.
Cảm biến tiệm cận cảm ứng cho phép phát hiện các vật thể kim loại ở phía trước đầu cảm biến mà không phát hiện bất kỳ tiếp xúc vật lý nào của bản thân vật thể đó. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong môi trường bẩn hoặc ẩm ướt. Phạm vi “cảm nhận” của cảm biến tiệm cận rất nhỏ, thường từ 0,1mm đến 12mm.
Cảm biến tiệm cận
Cũng như các ứng dụng công nghiệp, cảm biến tiệm cận cảm ứng cũng thường được sử dụng để kiểm soát luồng giao thông bằng cách thay đổi đèn giao thông tại các nút giao và đường cắt ngang. Các vòng dây điện cảm ứng hình chữ nhật được chôn xuống mặt đường băng.
Khi ô tô hoặc phương tiện giao thông đường bộ khác đi qua vòng cảm ứng này, thân xe bằng kim loại sẽ thay đổi độ tự cảm của vòng dây và kích hoạt cảm biến, do đó cảnh báo cho bộ điều khiển đèn giao thông rằng có phương tiện đang chờ.
Một nhược điểm chính của các loại cảm biến vị trí này là chúng “đa hướng”, tức là chúng sẽ cảm nhận được một vật thể kim loại ở trên, bên dưới hoặc bên cạnh của nó. Ngoài ra, chúng không phát hiện các vật thể phi kim loại mặc dù có sẵn Cảm biến tiệm cận điện dung và Cảm biến tiệm cận siêu âm . Các cảm biến vị trí từ tính thường có sẵn khác bao gồm: công tắc sậy, Cảm biến hiệu ứng Hall và cảm biến từ trở biến đổi.
Bộ mã hóa quay
Bộ mã hóa quay là một loại cảm biến vị trí khác giống với chiết áp đã đề cập trước đó nhưng là thiết bị quang học không tiếp xúc được sử dụng để chuyển đổi vị trí góc của trục quay thành 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 đều hoạt động trên cùng một nguyên tắc cơ bản. Ánh sáng từ đèn LED hoặc nguồn sáng hồng ngoại được truyền qua một đĩa quay được mã hóa có độ phân giải cao có chứa các mẫu mã cần thiết, hoặc mã nhị phân, BCD. Máy dò ảnh quét đĩa khi nó quay và một mạch điện tử xử lý thông tin thành dạng kỹ thuật số dưới dạng một dòng xung đầu ra nhị phân được đưa đến bộ đếm hoặc bộ điều khiển để xác định vị trí góc thực của trục.
Có hai loại cơ bản của bộ mã hóa quang quay, Bộ mã hóa tăng dần và Bộ mã hóa vị trí tuyệt đối .
Mã hóa gia tăng
Đĩa mã hóa
Bộ mã hóa gia tăng , còn được gọi là bộ mã hóa cầu phương hoặc bộ mã hóa quay tương đối, là loại đơn giản nhất trong số hai cảm biến vị trí. Đầu ra của chúng là một chuỗi các xung sóng vuông được tạo ra bởi sự sắp xếp tế bào quang dưới dạng đĩa được mã hóa, với các vạch tối và trong suốt cách đều nhau được gọi là các đoạn trên bề mặt của nó, di chuyển hoặc quay qua nguồn sáng. Bộ mã hóa tạo ra một luồng xung sóng vuông, khi được đếm, nó chỉ ra vị trí góc của trục quay.
Bộ mã hóa tăng dần có hai đầu ra riêng biệt được gọi là “đầu ra vuông góc”. Hai đầu ra này được dịch chuyển lệch pha nhau 90 o với hướng quay của trục được xác định từ trình tự đầu ra.
Số lượng các phân đoạn hoặc khe trong suốt và tối trên đĩa xác định độ phân giải của thiết bị và việc tăng số lượng đường trong mẫu sẽ làm tăng độ phân giải trên mỗi mức độ quay. Các đĩa mã hóa điển hình có độ phân giải lên đến 256 xung hoặc 8 bit trên 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 duy nhất và thường được sử dụng trong các ứng dụng một chiều, nơi chỉ yêu cầu thông tin cơ bản về vị trí hoặc tốc độ. Các “Quadrature” hoặc “sóng Sine” encoder là phổ biến hơn và có sóng vuông hai đầu ra thường được gọi là kênh A và kênh B . Thiết bị này sử dụng hai bộ dò ảnh, hơi lệch nhau 90 o, do đó tạo ra hai tín hiệu đầu ra sin và cosin riêng biệt.
Bộ mã hóa gia tăng đơn giản
Bằng cách sử dụng hàm toán học Arc Tangent , góc của trục tính bằng radian có thể được tính toán. Nói chung, đĩa quang được sử dụng trong bộ mã hóa vị trí quay là hình tròn, khi đó độ phân giải của đầu ra sẽ được cho là: θ = 360 / n , trong đó n bằng số 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 quay được xác định bằng cách ghi chú kênh nào tạo ra 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 bên dưới.
Đầu ra bộ mã hóa gia tăng
Một nhược điểm chính của bộ mã hóa gia tăng khi được sử dụng như một cảm biến vị trí, là chúng yêu cầu bộ đếm bên ngoài để xác định góc tuyệt đối của trục trong một vòng quay nhất định. Nếu nguồn bị ngắt trong giây lát hoặc nếu bộ mã hóa bỏ lỡ một xung do nhiễu hoặc đĩa bẩn, thông tin góc kết quả sẽ tạo ra lỗi. Một cách để khắc phục nhược điểm này là sử dụng các 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 vuông góc. Chúng cung cấp một mã đầu ra duy nhất cho mọi vị trí quay cho biết cả vị trí và hướng. Đĩa được mã hóa của chúng bao gồm nhiều “rãnh” đồng tâm của các đoạn sáng và tối. Mỗi đường đi độc lập với máy dò ảnh của riêng nó để đọc đồng thời một giá trị vị trí được mã hóa duy nhất cho mỗi góc chuyển động. Số lượng bản nhạc trên đĩa tương ứng với độ phân giải “bit” nhị phân của bộ mã hóa, do đó, bộ mã hóa tuyệt đối 12 bit sẽ có 12 bản nhạc và cùng một giá trị được mã hóa chỉ xuất hiện một lần cho mỗi vòng quay.
Đĩa mã hóa nhị phân 4 bit
Một ưu điểm chính bộ mã hóa tuyệt đối là bộ nhớ không thay đổi của nó giúp giữ lại vị trí chính xác của bộ mã hóa mà không cần phải quay lại vị trí “nhà” nếu mất điện. Hầu hết các bộ mã hóa quay định nghĩa là thiết bị “một lượt”, nhưng các thiết bị nhiều lượt tuyệt đối có sẵn, thu được phản hồi qua một số vòng quay bằng cách thêm đĩa mã bổ sung.
Ứng dụng điển hình bộ mã hóa vị trí tuyệt đối là trong ổ cứng máy tính và ổ đĩa CD / DVD là vị trí tuyệt đối các 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 này về Cảm biến vị trí , chúng ta đã xem xét một số ví dụ về cảm biến có thể 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 sử dụng để đo nhiệt độ như nhiệt điện trở, bộ điều nhiệt và cặp nhiệt điện, và những cảm biến đó thường gọi là Cảm biến nhiệt độ.