سنسورهای موقعیت
در این آموزش ما انواع دستگاه ها مخصوصا سنسور موقعیت را بررسی می کنیم که در دسته بندی دستگاه های ورودی قرار میگیرند.
بنابراین “سنسور” نامیده می شوند ، به ویژه سنسورهایی که ماهیت موضعی دارند.
همان طور که نام آنها نشان می‌دهد، سنسورهای موقعیت موقعیت چیزی را تشخیص می‌دهند که به این معنی است که آنها یا از یک نقطه یا موقعیت معین ارجاع داده می‌شوند.
این نوع سنسورها به ارایه بازخورد “موضعی” می‌پردازند.
یکی از روش های تعیین موقعیت ، استفاده از “فاصله” است که می تواند فاصله بین دو نقطه مانند مسافت طی شده یا دور شدن از نقطه ثابت باشد یا “چرخش” (حرکت زاویه ای).
به عنوان مثال ، چرخش چرخ ربات ها برای تعیین فاصله آن در امتداد زمین تعیین می شود.
در هر صورت ، سنسورهای موقعیت می توانند حرکت یک شی را در یک خط مستقیم با استفاده از سنسورهای خطی یا با حرکت زاویه ای آن با استفاده از سنسورهای چرخشی تشخیص دهند.
پتانسیومتر
پتانسیومتر که بیشترین استفاده را در بین “سنسورهای موقعیت” دارد ، سنسور موقعیت ارزان و استفاده از آن است.
این یک تماس پاک‌کن متصل به یک شافت مکانیکی است که می‌تواند در‌حرکت خود زاویه‌ای(چرخشی) یا خطی(از نوع کشویی) باشد.
همچنین باعث می شود مقدار مقاومت بین اهرم / لغزنده و دو اتصال انتهایی تغییر کند و به یک سیگنال الکتریکی تغییر می کند خروجی که بین موقعیت برف پاک کن واقعی در مسیر مقاومت و مقدار مقاومت آن رابطه ای متناسب دارد.
به عبارت دیگر ، مقاومت متناسب با موقعیت است.
پتانسیومترها در طیف وسیعی از طرح ها و اندازه ها مانند نوع چرخشی گرد یا کشویی خطی بلندتر و مسطح تر ارائه می شوند.
هنگامی که به عنوان سنسور موقعیت استفاده می‌شود، جسم متحرک مستقیماً به شافت چرخشی یا کشویی پتانسیومتر متصل می‌شود.
ولتاژ مرجع DC در دو اتصال ثابت خارجی که عنصر مقاومت را تشکیل می دهند ، اعمال می شود.
سیگنال ولتاژ خروجی همانطور که در زیر نشان داده شده است، از پایانه برف پاک کن تماس کشویی گرفته می‌شود.
این پیکربندی یک خروجی مدار از نوع تقسیم‌کننده پتانسیل یا ولتاژ را تولید می‌کند که متناسب با موقعیت شافت است.
بعنوان مثال ، اگر یک ولتاژ مثلاً 10v را روی عنصر مقاومت پتانسیومتر اعمال کنید ، حداکثر ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ تغذیه 10 ولت ، با حداقل ولتاژ خروجی برابر با 0 ولت است.
سپس برف پاک کن پتانسیومتر سیگنال خروجی را از 0 تا 10 ولت تغییر می دهد.
5 ولت نشان می دهد که برف پاک کن یا کشویی در نیمه راه یا مرکز قرار دارد.
ساختار پتانسیومتر
سیگنال خروجی (Vout) از پتانسیومتر هنگام حرکت در امتداد مسیر مقاومت از اتصال برف پاک کن مرکزی گرفته شده و متناسب با موقعیت زاویه ای شافت است.
نمونه ای از مدار سنسور موقعیت ساده
در حالی که سنسورهای موقعیت پتانسیومتر مقاومتی مزایای بسیاری دارند:
کم هزینه
فناوری پایین
استفاده آسان و غیره
اما به عنوان سنسور موقعیت ، معایب زیادی نیز دارند:
سایش ناشی از قطعات متحرک
دقت کم
تکرارپذیری کم
و پاسخ فرکانس محدود.
اما یک معایب اصلی استفاده از پتانسیومتر به عنوان سنسور موقعیت وجود دارد.
دامنه حرکت اهرم یا کشویی آن (و از این رو سیگنال خروجی بدست‌آمده) به اندازه فیزیکی پتانسیومتر مورد‌استفاده محدود می‌شود.
به‌عنوان مثال، یک پتانسیومتر تک‌چرخشی معمولاً فقط دارای چرخش مکانیکی ثابت بین 0o تا حدود 240 تا 330o حداکثر است.
با این وجود گلدان های چند چرخشی تا 3600 درجه (10 * 360 درجه) چرخش مکانیکی نیز موجود است.
اکثر انواع پتانسیومترها از فیلم کربن برای مسیر مقاومتی خود استفاده می کنند ، اما این نوع از نظر الکتریکی پر سر و صدا هستند (صدا در کنترل میزان صدای رادیو) ، و همچنین دارای عمر مکانیکی کوتاه هستند.
همچنین ظروف زخم سیمی را نیز می توان مورد استفاده قرار داد، اما ظروف زخم سیمی از مشکلات حل اختلاف رنج می‌برند زیرا اهرم آنها از یک بخش سیمی به خروجی بعدی یک خروجی لگاریتمی (log)منتج می‌شود که منجر به خطا در سیگنال خروجی می‌شود. آنها نیز از نویز الکتریکی رنج می‌برند.
برای کاربردهای نویز پایین با دقت بالا، در حال‌حاضر نوع عنصر مقاومت پلاستیک از نوع پلیمر یا نوع cermet موجود‌است.
این گلدان‌ها دارای اصطکاک کم و کم اصطکاک خطی (لین)هستند که به آنها نویز پایین، زندگی طولانی و وضوح عالی می‌دهد و هم به عنوان وسایل multi و هم تک کاره در دسترس هستند.
کاربردهای نمونه برای این نوع از سنسور موقعیت دقت‌بالا در بازی‌های کامپیوتری joysticks، هدایت چرخ‌ها، کاربردهای صنعتی و روباتیک است.
سنسورهای موقعیت استقرایی
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی
یکی از‌انواع سنسورهای موقعیتی که دچار مشکلات سایش مکانیکی نمی‌شود،”Linear Variable Differential Transformer” یا به اختصار LVDT است.
این یک سنسور موقعیت نوع القایی است که با‌همان اصل ترانسفورماتور AC که برای اندازه‌گیری حرکت استفاده می‌شود کار می‌کند.
دستگاهی بسیار دقیق برای اندازه گیری جابجایی خطی است و خروجی آن متناسب با موقعیت هسته متحرک آن است.
در اصل از سه سیم پیچ بر روی یک لوله توخالی ساخته شده است که یکی از آنها سیم پیچ اولیه را تشکیل می دهد و دو سیم پیچ دیگر نیز ثانویه های یکسانی را تشکیل می دهند که از لحاظ الکتریکی به هم متصل می شوند اما 180 درجه از فاز هر دو طرف سیم پیچ اولیه است.
یک هسته فرو مغناطیسی آهن نرم قابل جابجایی (که گاهی اوقات آن را “آرماتور” می نامند) که به جسم اندازه گیری شده متصل است ، در داخل بدنه لوله ای LVDT به سمت بالا و پایین حرکت می کند.
یک ولتاژ کوچک AC به نام “سیگنال تحریک” (2 – 20V rms, 2 – 20kHz) به سیم پیچ اولیه اعمال می شود که به نوبه خود یک سیگنال EMF را به دو سیم پیچ ثانویه مجاور القا می کند (اصول ترانسفورماتور).
اگر آرماتور هسته‌مغناطیسی آهن‌نرم دقیقاً در‌مرکز لوله و سیم‌پیچ‌ها باشد،”وضعیت نول”،دو EMF القا‌شده در دو‌سیم پیچ ثانویه یکدیگر را لغو‌می‌کنند.
زیرا 180 درجه خارج از فاز هستند ، بنابراین ولتاژ خروجی حاصل صفر است.
همانطور که هسته از این موقعیت صفر یا صفر کمی به یک طرف یا طرف دیگر منتقل می شود ، ولتاژ القایی در یکی از ثانویه ها از ولتاژ ثانویه دیگر بزرگتر می شود و یک خروجی تولید می شود.
قطبیت سیگنال خروجی به جهت و جابجایی هسته متحرک بستگی دارد.
هر چه حرکت هسته آهن نرم از موقعیت نول مرکزی آن بیشتر باشد، سیگنال خروجی حاصل نیز بیشتر خواهد بود.
نتیجه یک خروجی ولتاژ دیفرانسیل است که به طور خطی با موقعیت هسته متفاوت است.
بنابراین ، سیگنال خروجی از این نوع سنسور موقعیت هم دامنه ای دارد که تابعی خطی از جابجایی هسته ها است و هم قطبی است که جهت حرکت را نشان می دهد.
فاز سیگنال خروجی را می توان با فاز تحریک سیم پیچ اولیه مقایسه کرد که مدارهای الکترونیکی مناسبی مانند تقویت کننده سنسور AD592 LVDT را می داند که هسته مغناطیسی در کدام نیمی از سیم پیچ قرار دارد و بنابراین مسیر حرکت را می داند.
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی
هنگامی که آرماتور از طریق موقعیت مرکزی از یک انتها به سر دیگر منتقل می شود ، ولتاژهای خروجی از حداکثر به صفر و دوباره به حداکثر تغییر می کند.
اما در این فرایند 180 درجه تغییر می‌کند این LVDT را قادر می سازد تا سیگنال AC خروجی تولید کند.
که مقدار آن نشان دهنده میزان حرکت از موقعیت مرکزی و زاویه فاز آن، جهت حرکت هسته را نشان دهد.
اگر فشار اندازه گیری شده به دیافراگم فشار بیاورد و یک نیرو ایجاد کند ، یک کاربرد معمول سنسور ترانسفورماتور متغیر خطی (LVDT) به عنوان مبدل فشار خواهد بود.
سپس نیرو توسط حسگر به سیگنال ولتاژ قابل خواندن تبدیل می شود.
مزایای ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی یا LVDT در مقایسه با پتانسیومتر مقاومت این است:
خطی بودن آن، یعنی خروجی ولتاژ آن تا تغییر‌مکان، عالی، دقت بسیار‌خوب، وضوح‌خوب، حساسیت بالا و همچنین عملکرد بدون‌اصطکاک است.
آنها همچنین برای استفاده در محیط های خصمانه مهر و موم شده اند.
سنسورهای مجاورتی استقرایی
نوع‌دیگر سنسور موقعیت القایی که در‌استفاده معمول وجود دارد سنسور مجاورتی القایی است که سنسور جریان ادی نیز نامیده می‌شود.
حسگر مجاورت
در حالی که آنها در واقع جابجایی یا چرخش زاویه ای را اندازه گیری نمی کنند ، اما عمدتا برای تشخیص وجود یک جسم در مقابل آنها یا در نزدیکی آنها استفاده می شود ، از این رو نام آنها “حسگر مجاورت” است.
سنسورهای مجاورت، سنسورهای موقعیتی غیر‌تماسی هستند که از یک میدان مغناطیسی برای تشخیص‌استفاده‌می‌کنند و ساده‌ترین سنسور مغناطیسی سوئیچ نی است.
در یک سنسور القایی ، یک سیم پیچ در اطراف یک هسته آهن در یک میدان الکترومغناطیسی پیچیده می شود تا یک حلقه القایی ایجاد کند.
هنگامی که یک ماده فرومغناطیسی در داخل میدان جریان گردابی تولید شده در اطراف سنسور القایی قرار می گیرد ، مانند صفحه فلزی فرومغناطیس یا پیچ فلزی ، القا سیم پیچ به طور قابل توجهی تغییر می کند.
مدار تشخیص سنسورهای مجاورت ، این تغییر را تولید می کند و ولتاژ خروجی تولید می کند.
بنابراین ، سنسورهای مجاورت استقرایی تحت اصل الکتریکی قانون القا F فارادی کار می کنند.
سنسورهای مجاورتی استقرایی
یک سنسور مجاورت استقرایی دارای چهار جز components اصلی است.
اسیلاتور تولید کننده میدان الکترومغناطیسی ، سیم پیچ تولید کننده میدان مغناطیسی ، مدار ردیابی که هرگونه تغییر در میدان را هنگام ورود یک جسم به آن تشخیص می دهد و مدار خروجی تولید سیگنال خروجی ، یا با حالت عادی بسته (NC) یا به طور معمول مخاطبین (NO) را باز کنید.
سنسورهای مجاورت القایی امکان تشخیص‌اجسام فلزی در‌جلوی سر سنسور را فراهم می‌کند بدون‌اینکه هیچگونه تماس فیزیکی از خود شی شناسایی‌شود.
این کار آنها را برای استفاده در محیط های کثیف و مرطوب ایده آل می کند.
دامنه حسگرهای مجاورت “حسگر” بسیار کم است ، به طور معمول 0.1 میلی متر تا 12 میلی متر.
علاوه‌بر کاربردهای‌صنعتی،از سنسورهای مجاورت استقرایی نیز معمولاً برای‌کنترل‌جریان ترافیک با تغییر چراغ‌های راهنما در تقاطع ها و جاده‌های متقابل استفاده‌می‌شود.
حلقه های استقرایی مستطیلی شکل در سطح جاده آسفالت مدفون شده اند.
هنگامی که یک ماشین یا وسیله نقلیه جاده ای دیگر از بالای این حلقه استقرایی عبور می کند ، بدنه فلزی خودرو اندوکتانس حلقه ها را تغییر می دهد و حسگر را فعال می کند و در نتیجه به کنترل کننده چراغ های راهنمایی هشدار می دهد که وسیله ای در انتظار است.
یک نقطه ضعف اصلی این نوع سنسورهای موقعیتی این است که “همه جهته هستند”.
یعنی یک شی object فلزی را در بالا ، پایین یا کنار آن حس می کنند.
همچنین ، اگرچه سنسورهای نزدیکی خازنی و حسگرهای نزدیکی اولتراسونیک در دسترس هستند، آنها اجسام غیر فلزی را تشخیص نمی‌دهند.
دیگر سنسورهای موقعیتی مغناطیسی که معمولاً در دسترس هستند ، عبارتند از:
سوئیچ های نی
سنسورهای اثر هال
و سنسورهای عدم تمایل متغیر.
رمزگذارهای دوار
Rotary Encoders نوع دیگری از سنسور موقعیت است که شبیه پتانسیومترهایی است که قبلاً ذکر شد.
اما دستگاه های نوری غیر‌تماسی هستند که برای تبدیل موقعیت زاویه‌ای شافت چرخان به کد داده آنالوگ یا دیجیتال استفاده‌می‌شوند.
به عبارت دیگر ، آنها حرکت مکانیکی را به یک سیگنال الکتریکی (ترجیحاً دیجیتال) تبدیل می کنند.
همه رمزگذاران نوری بر اساس همان اصل اساسی کار می کنند.
نور از منبع نور LED یا مادون قرمز از طریق یک دیسک رمزگذاری شده با وضوح بالا که حاوی الگوهای کد مورد نیاز است ، باینری ، کد خاکستری یا BCD منتقل می شود.
آشکارسازهای عکس ، دیسک را هنگام چرخش اسکن می کنند و یک مدار الکترونیکی اطلاعات را به صورت دیجیتالی به صورت جریانی از پالس های خروجی باینری پردازش می کند که به شمارنده ها یا کنترل کننده هایی که موقعیت واقعی زاویه ای شافت را تعیین می کنند ، تغذیه می شود.
دو نوع رمزگذار نوری چرخشی وجود دارد ، رمزگذارهای افزایشی و رمزگذارهای موقعیت مطلق.
رمزگذار افزایشی
رمزگذارهای افزایشی که به رمزگذارهای کوادراتوری یا رمزگذار چرخشی نسبی نیز معروف هستند، از بین سنسورهای موقعیت، ساده‌ترین حالت هستند.
خروجی آنها یک سری پالس های موج مربعی است که با آرایش فوتوسل ایجاد می شود همانطور که دیسک رمزگذاری شده ، با خطوط شفاف و تاریک به طور مساوی به نام قطعه هایی روی سطح آن ، از منبع نور عبور می کند یا می چرخد.
رمزگذار جریانی از پالس های‌موج مربعی تولید می‌کند که در صورت شمارش، موقعیت زاویه ای شافت چرخان را نشان می‌دهد.
انکودرهای افزایشی دارای دو خروجی جداگانه به نام “خروجی کوادراتور” هستند.
این دو خروجی با فاصله چرخش شافت از توالی خروجی در فاز 90 درجه خارج می شوند.
تعداد قسمتها یا شکافهای شفاف و تاریک بر روی دیسک ، وضوح دستگاه را تعیین می کند و افزایش تعداد خطوط در الگو باعث افزایش وضوح در هر درجه چرخش می شود.
دیسک های رمزگذاری شده معمولی دارای وضوح حداکثر 256 پالس یا 8 بیت در هر چرخش هستند.
ساده ترین رمزگذار افزایشی را دور سنج می نامند.
این یک‌خروجی تک‌موج مربعی دارد و اغلب در برنامه‌های یک‌طرفه که فقط اطلاعات پایه یا سرعت موردنیاز است، مورد‌استفاده قرار‌می‌گیرد.
رمزگذار”Quadrature” یا “Sine wave” متداول‌تر است و دارای دو‌موج خروجی مربعی است که معمولاً کانال A و کانال B نامیده‌می‌شوند.
این دستگاه از دو آشکارساز عکس استفاده می کند که کمی با 90 درجه از یکدیگر جابجا می شوند.
در نتیجه دو خروجی سینوس و کسینوس جداگانه تولید می شود.
رمزگذار افزایشی ساده
با استفاده از تابع ریاضی Arc Tangent می توان زاویه شافت را در رادیان محاسبه کرد.
به طور کلی ، دیسک نوری مورد استفاده در رمزگذارهای موقعیت چرخشی دایره ای است ، سپس وضوح خروجی به صورت زیر داده می شود: θ = 360 / n ، جایی که n برابر است با تعداد بخشهای دیسک رمزگذاری شده.
بعنوان مثال، تعداد بخشهای موردنیاز برای دادن یک رمزگذار افزایشی با وضوح 1o خواهد بود: 1o = 360 / n
بنابراین ، n = 360 پنجره ، و غیره اول ، یا کانال A یا کانال B که دو جهت چرخش دارد ، A منجر B یا B منجر می شود A این ترتیب در زیر نشان داده شده است.
خروجی رمزگذار افزایشی
یک عیب اصلی رمزگذارهای افزایشی هنگامی که به عنوان سنسور موقعیت استفاده می شود این است که برای تعیین زاویه مطلق شافت در یک چرخش معین به شمارنده های خارجی نیاز دارند.
اگر برق لحظه‌ای خاموش شود، یا اگر رمزگذار به‌دلیل نویز یا کثیف‌شدن دیسک نبض را از‌دست بدهد،اطلاعات زاویه‌ای حاصل‌خطا ایجاد‌می‌کند.
یکی از راههای غلبه بر این نقطه ضعف استفاده از رمزگذارهای موقعیت مطلق است.
رمزگذار موقعیت مطلق
رمزگذارهای موقعیت مطلق پیچیده تر از رمزگذارهای درجه دوم هستند.
آنها برای هر موقعیت چرخش یک کد خروجی منحصر به فرد ارائه می‌دهند که موقعیت و جهت را نشان می‌دهد.
دیسک رمزگذاری شده آنها از چندین “قطعه” متحدالمرکز از بخشهای تاریک و روشن تشکیل شده است.
هر‌مسیر‌مستقل از ردیاب عکس مخصوص به‌خود است تا همزمان یک‌مقدار موقعیت رمزگذاری شده منحصر به فرد را برای‌هر زاویه حرکت‌بخواند.
تعداد آهنگهای موجود در دیسک مربوط به رزولوشن رمزگذار بیت “bit” است.
بنابراین یک رمزگذار مطلق 12 بیتی دارای 12 آهنگ است و مقدار رمزگذاری‌شده فقط یک‌بار در هر دور ظاهر می‌شود.
دیسک کد شده دودویی 4 بیتی
یک مزیت اصلی رمزگذار مطلق حافظه غیر فرار آن است که موقعیت دقیق رمزگذار را بدون نیاز به بازگشت به موقعیت “خانه” در صورت قطع برق حفظ می کند.
بیشتر رمزگذارهای چرخشی به عنوان دستگاههای “تک چرخشی” تعریف می شوند.
اما دستگاههای کاملاً چرخشی کاملاً موجود هستند که با افزودن دیسکهای کد اضافی بازخوردهای مختلف را بدست می آورند.
کاربرد معمول رمزگذارهای موقعیت مطلق در درایوهای سخت رایانه ای و درایوهای CD / DVD در موقعیت مطلق درایوها است که هد خواندن / نوشتن کنترل می شود یا در چاپگرها / پلاترها برای قرار دادن دقیق سر چاپ روی کاغذ.
در‌این آموزش درباره سنسورهای موقعیت، چندین نمونه از سنسورها را بررسی کرده‌ایم که می‌توانند برای‌اندازه‌گیری موقعیت یا حضور اشیا استفاده‌شوند.
در آموزش بعدی ما به سنسورهایی می پردازیم که برای اندازه گیری دما مانند ترمیستورها ، ترموستات ها و ترموکوپل ها مورد استفاده قرار می گیرند و به همین ترتیب معمولاً به عنوان سنسورهای دما شناخته می شوند.