Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Liniowe, indukcyjne czujniki położenia

ghost666 19 Lip 2014 09:56 3405 0
  • Większość osób uważa iż czujniki indukcyjne są dobrą metodą do pomiaru odległości pomiędzy cewką a przewodzącym przedmiotem. Jednakże istnieje wiele innych zastosowań tej technologii. Na przykład, korzystając z spiralnie nawiniętej indukcyjności i kawałka miedzianej taśmy, skonstruować możemy liniowy czujnik położenia.

    Układy typu konwertera indukcyjność na wartość cyfrową (LDC), takie jak na przykład LDC1000 firmy Texas Instruments, dokonują pomiaru zmiany indukcyjności uzwojenia, które znajduje się blisko metalowego elementu. Układ LDC mierząc zmianę indukcyjności zapewnia informacje o jej położeniu względem metalowego elementu.

    W celu skonstruowania liniowego czujnika położenia zmieniliśmy typową architekturę układu, w której zmienna jest odległość pomiędzy cewką a metalowym elementem, na taką w której odległość cewki od elementu ruchomego jest stała, ale zmienia się - liniowo - ekspozycja uzwojenia na metalowy element naklejony na poruszający się cel. Aby to zrealizować na linijkę naklejono fragment miedzianej taśmy w kształcie trójkąta i długości równej 100 mm. Dodatkowo przedłużono element w najszerszym miejscu, tak aby zwiększyć ekspozycję cewki na metal w tym położeniu.

    Jako uzwojenie wykorzystano cewkę zrealizowaną na dwuwarstwowej płytce drukowanej. Cewka PCB miała średnicę 29 mm i 70 zwojów na warstwę laminatu. Została ona wybrana z uwagi na fakt iż jest szersza od wykorzystanego elementu ruchomego. Na poniższym zdjęciu zaprezentowano elementy wykorzystane do opisanego w tym artykule eksperymentu.

    Liniowe, indukcyjne czujniki położenia


    Tak spreparowana linijka została umieszczona w odległości 4 mm od uzwojenia na PCB. Dzięki umieszczeniu uzwojenia blisko zmiennego metalowego elementu uzyskujemy większą zmianę indukcyjności przy zmianie pola metalowej folii pod uzwojeniem. W precyzyjnych sensorach przemieszczenia liniowego niezwykle istotnym jest zminimalizowanie tej odległości, dzięki czemu uzyska się najwyższą rozdzielczość pomiaru.

    Przy przesuwaniu elementu od pozycji 0 (najszerszy element metalowy) do pozycji 100 (najwęższy element metalowy) w krokach po 0,5 mm, dokonywano pomiaru induktancji efektywnej cewki znajdującej się powyżej elementu ruchomego. Wyniki tych pomiarów w funkcji położenia widoczne są na poniższym wykresie.

    Liniowe, indukcyjne czujniki położenia






    Przesuwanie pod uzwojeniem elementu metalowego od najszerszej do najwęższej części zwiększa induktancję cewki od 175,2 µH do 251,4 µH. Jako że zmiana induktancji na końcach zakresu pomiarowego jest niewielka rekomenduje się odrzucenie skrajnych 5% zakresu, zatem koniecznym jest stosowanie elementu pomiarowego o co najmniej 10% dłuższego od zaplanowanego zakresu ruchu monitorowanego elementu. Dane zebrane dla pozostałych 90% przemieszczenia są w pełni monotoniczne i całkiem liniowe, co oznacza iż można je wykorzystać do determinacji położenia miedzianego elementu na linijce.

    Aby osiągnąć pełną liniowość indukcyjności w funkcji położenia zmodyfikować można trójkątny kształt metalowego elementu w taki sposób aby uzyskać liniowe wyjście z systemu jednakże łatwiej jest linearyzować pomiar programowo.

    Zaprezentowana metoda daje dobre rezultaty jeśli chodzi o pomiar pozycji liniowej monitorowanego elementu przy wysokiej rozdzielczości, jednakże wymaga elementu dłuższego od planowanego przemieszczenia. W sytuacji w której nie jest możliwe zaimplementowanie takiego elementu, wykorzystać można inne podejście, bazujące na nieregularnej cewce.

    W sytuacji w której monitorowany element musi być niewielki wykorzystać możemy specjalnie zaprojektowane uzwojenie, z szeroko rozłożonymi, niesymetrycznymi, uzwojeniami, jak zaprezentowano poniżej. Cewka taka indukuje niejednorodne pole magnetyczne, które można wykorzystać do pomiaru pozycji podczas przesunięcia liniowego. W układzie takim znowu skorzystać można z układu typu LDC. W zaprezentowanym przykładzie wykorzystany zostanie LDC1000 produkcji TI.

    Liniowe, indukcyjne czujniki położenia


    Cewka zaprojektowana jest na dwustronnej płytce drukowanej. Uzwojenie ma grubość 5 milsów i odstęp pomiędzy ścieżkami także 5 milsów. Zaprojektowana cewka ma wymiary 100 x 12,5 mm, na każdej stronie laminatu zrealizowano 23 zwoje. Po prawej stronie cewki dodane są dodatkowe odstępy pomiędzy zwojami wielkości 4 mm. Efektem tego jest indukowanie pola magnetycznego najsilniejszego w środku pętli i zanikającego powoli w prawą stronę uzwojeń.

    Elementem którego pozycję mierzono był szeroki na 24 mm element aluminiowy. Jakkolwiek szersze elementy zajmują więcej przestrzeni i efektywnie ograniczają zakres ruchu w ciasnych aplikacjach ich zastosowanie zwiększa zmianę induktancji cewki i znakomicie poprawia rozdzielczość pomiaru.

    W poniższym eksperymencie umieszczono element metalowy 4 mm od uzwojenia na PCB. Umieszczenie go blisko uzwojenia zwiększa zmiany indukcyjności, podobnie jak było w przypadku powyższym, gdzie stosowano element metalowy w kształcie trójkąta. Analogicznie jak w poprzednim eksperymencie przemieszczano element od pozycji 100, po prawej stronie cewki, do pozycji 0, po lewej stronie cewki, w krokach 0,5 mm. W każdej pozycji dokonywano pomiaru indukcyjności. Wyniki tego eksperymentu zaprezentowane są na poniższym wykresie.

    Liniowe, indukcyjne czujniki położenia


    Dane zaprezentowane na powyższym wykresie pokazują iż pierwsze 5 mm nie może być wykorzystana do pomiaru bezwzględnego pozycji liniowej, ponieważ pole magnetyczne po lewej stronie od środka uzwojenia jest mniej gęste. Z kolei ostatnie 10 mm cewki generuje niewielką zmianę indukcyjności, z uwagi na bardzo słabe pole w tym zakresie, co ogranicza rozdzielczość pomiaru.

    Jednakże dane zebrane dla pozostałych 85 mm przemieszczenia wzdłuż cewki pokazują iż zmiana indukcyjności jest w pełni monotoniczna i pozwala na precyzyjny pomiar położenia liniowego. Podczas opisywanego przemieszczenia indukcyjność cewki pomiarowej zwiększa się od 73,1 µH do 84,9 µH.

    Istnieją dwa sposoby linearyzacji wyjścia. W jednym podejściu można rozmieścić uzwojenia po prawej stronie cewki w sposób nieliniowy, tak iż dla konkretnej odległości pomiędzy cewką a metalowym, poruszającym się elementem, wyjście będzie liniowe. W drugim podejściu z kolei linearyzacji dokonuje się już po dokonaniu pomiaru, wykorzystując do tego oprogramowanie. Drugie z opisywanych rozwiązań jest znacznie łatwiejsze w implementacji.

    Podsumowując, sensory indukcyjne są bardzo uniwersalnymi układami. Pozwalają one na precyzyjny, bezkontaktowy pomiar położenia. Powyższy opis powinien być dostatecznym wstępem do konstrukcji tego typu sensorów i ich aplikacji w realnych przykładach. Zaprezentowano dwie metody realizacji sensora - z wykorzystaniem specjalnie ukształtowanego metalowego przedmiotu poruszającego się nad cewką lub wykorzystując asymetrycznie ukształtowaną cewkę.

    Źródła:

    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...e-sensing-linear-position-sensing-part-1.aspx
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...e-sensing-linear-position-sensing-part-2.aspx


    Fajne! Ranking DIY
  Szukaj w 5mln produktów