تبلیغات اینترنتیclose
سنسورهای حرکت خطی در روباتها
 
 
ربات
   

                                            

                      

          با  ما  به  روز  باشید 

           جهت دیدن تمام مطالب عضو شوید

           جهت دیدن تمام مطالب عضو شوید

             جهت دیدن تمام مطالب عضو شوید

 

+اخرین اطلاعیه ها ومسابقات رباتیک

+ الکترونیک پایه

-مقاومت

-خازن

-دیود

-ترانزیستور

-ای سی

+مقاله های الکترونیک

+انواع ربات ها

-ربات های امداد گر

-ربات هاي صنعتي

-ربات تعقیب خط ساده

-ربات تعقیب خط ویژه

+اجزا تشکیل دهنده ربات الکترونیکی

-انواع سنسورها در ربات

-سنسورهای حرکت دورانی در روباتها

-سنسورهای حرکت خطی در روباتها

-سنسور های دما در ربات ها

-سیستم های پردازشگر در ربات

-سیستم موقعیت یاب جهانی

+اجزای تشکیل دهنده ربات مکانیکی

-چرخ های ربات ها

-سیستم انتقال قدرت در رباتها

+پروژه های عملی مبتدی

+پروژه های عملی پیشرفته

+معرفی ربات های پیشرفته دنیا

+فنا وری و تکنولوژی های روز دنیا

+عکس های از ربات ها

+سوالات متداول

+ماشین های روز وجدید+مشخصات وعک 


تاریخ :  سه شنبه 3 مرداد 1391
نویسنده :  حسین

سنسورهای حرکت خطی در روباتها


تعریف سنسور

سنسورمعمولا به عنوان ی دستگاه ورودی تعریف می شود که در پاسخ به یک ورودی کم فیزیکی مشخص، یک خروجی قابل استفاده تولید می کند. این کمیت فیزیکی اندازه گیری شده که از طریقی باعث تأثیر بر سنسور و ایجاد پاسخ (خروجی ) در آن می شود، را ورودی مجهول می نامند. خروجی بسیاری از سنسورهای مدرن، یک سیگنال الکتریکی است؛ البته این خروجی می تواند به صورت حرکت، فشار، جریان یا صورتهای قابل استفاده دیگر نیز باشد.

1-2 بعنوان چند مثال از انواع مختلف سنسور می توان یک جفت ترموکوپل که اختلاف دما را به صورت یک خروجی الکتریکی، یک صفحه حسگر فشار که فشار سیال را به نیرو یا تغییر مکان ویک مبدل دیفرانسیلی متغیر خطی که مکان را به خروجی الکتریکی تبدیل می کند، نام برد.واضح است که بنابر این تعاریف، یک مبدل ممکن است گاهی اوقات یک سنسور باشد یا بالعکس. به عنوان مثال، یک میکروفن با هردو تعریف مبدل وسنسور مطابقت می کند. این امر ممکن است گیج کننده باشد و اصطلاحات تخصصی بسیاری در زمینه های مختلف اندازه گیری مورد استفاده قرار می گیرند(یک مهندس صوت،معمولاً بندرت ترجیح می دهد که برای میکروفن از عنوان سنسور به جای مبدل استفاده کند). اگر چه اصطلاح عمومی مبدل به هردو وسیله ورودی و خروجی اطلاق می گردد، ولی در این کتاب فقط با حسگرها سرو کار خواهیم داشت و لذا منظور از مبدل، ورودی است (مگر آنکه مشخصات مبدل خروجی ذکر شده باشد).بنابراین، به منظور فهم سنسورها و مبدل ها در این کتاب، این اصطلاحات را تخصصی تر و آنگونه که در صنعت وتولیدات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند، تعریف می کنیم: یک مبدل ورودی، به ازای یک ورودی مجهول، یک خروجی الکتریکی تولید می کند. خروجی الکتریکی این دستگاه، پردازش می شود وتوسط گیرنده های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد.یک سنسور، وسیله ی ورودی است که در پاسخ به یک ورودی مجهول، یک خروجی قابل استفاده تولید می کند.جزء حسگر یک مبدل ممکن است المان حسگر، مبدل اولیه و یا آشکارساز اولیه نیز خوانده شود. یک سنسور، اغلب جزئی از یک مبدل است. گاهی اوقات، به منظور ایجاد ارتباطات مشخص بین مهندسین یک صنعت خاص، این تعاریف تئوریک، دستخوش تغییر قرار می گیرند. هر وسیله اندازه گیری ای که اطلاعاتی در اختیار کنترلر قرار دهد، را سنسور می نامند. در حالت تعیین مکان، این سنسور شامل ترکیبی از المان حسگر، مدارهای الکترونیکی، منبع تغذیه و غیره است. به عبارت دیگر، از کلمه سنسور برای نامگذاری دقیق چیزی که تعاریفمان سعی می کنند مبدل بنامند، استفاده می شود.در ترمینولوژی صنعت اتومبیل معمولاً از لغت فرستنده نیز برای نامگذاری یک سنسور یا مبدل استفاده می شود.

مکان در برابر جابجایی

یک مبدل مکانی، فاصله نسبی بین یک نقطه مرجع و مکان فعلی هدف مورد بررسی را اندازه می گیرد.

در مقابل، یک مبدل جابجایی فاصله بین مکان فعلی هدف را نسبت به مکان قبلی اش اندازه گیری می کند.

اندازه گیری مطلقی یا افزایشی:

یک مبدل مطلق، اندازه گیری ها را نسبت به یک داتم ثابت نشان می دهد. این نقطه مرجع، معمولاً یک انتها یا یک سمت فالانژ و یا علامتی روی مبدل مکانی است.

به عنوان مثال، یک مبدل مکانی خطی مطلق، ممکن است نشاندهنده ی فاصله میلیمتری یک انتهای سنسور یا فاصله نقطه مرجع نسبت به هدف (آیتم مورد اندازه گیری توسط مبدل) باشد. در این حالت، اگر وقفه ای در نیروی کار سنسور رخ دهد یا مکان هدف مکرر را تغییر کند، بعد از بازگشت به شرایط عادی، سنسور دوباه فاصله میلیمتری یک سنسور با نقطه مرجع از مکان هدف را نشان خواهد داد.

اگر عملکرد مبدل توسط یک عامل خارجی مانند یک اغتشاش الکترومغناطیسی ( ) بزرگ مختل شود، اندازه گیری صحیح بعد از بازگشت شرایط عملکرد عادی، دوباره حاصل خواهد شد.

در مقابل، یک مبدل افزایشی فقط نشان دهنده تغیراتی است که در مقادیر اندازه گیری شده رخ داده است.

در این نوع مبدل، یک مدار الکترونیکی، تا زمانی که آخرین مرتبه ذخیره مقدار اندازه گیری شده و حاصل جمع صفرنشود، مجموع این تغییرات(حاصل جمع) را ذخیره می کند. اگر این حاصل جمع در اثر وقفه در نیروی کار مبدل یا حرکت المان حسگر در حین کاهش نیرواز دست برود، حاصل جمع بعد از بازگشت شرایط عادی کار، نشاندهنده مقدار فعلی ورودی نخواهد بود.

یکی از طبقه بندی های مبدل های مکانی، براساس اینکه در آنها از المان حسگر تماسی یا غیر تماسی استفاده شده باشد، استوار است.حسگرهای غیر تماسی، خود، باتوجه به استفاده یا عدم استفاده از تحریک غیر تماسی، دسته بندی می شوند. در یک سنسور مکانی خطی تماسی، ورودی، متناسب با میزان لغزش یک لغزنده تماسی الکتریکی و/ یا مکانیکی، به خروجی سنسور تبدیل می شود.

مثالی ساده از این بحث، پتانسیل متر خطی است (شکل1-5). میله محرک (میله اتصال به هدف مورد اندازه گیری)، از درون به بازوی لغزنده متصل است.

این بازوی لغزنده، شامل یک یا چند المان تماسی انعطاف پذیر است که در خلاف جهت المان مقاومتی، فشرده می شوند.

ولتاژ خروجی پتانسیل متر برابر ولتاژ دو سر المان مقاومتی است. تغییر مکان در راستای حرکت، باعث حرکت لغزنده (ها) روی المان مقاومتی و تولید ولتاژ خروجی متناسب با ورودی می شود.

در فصل3 در مورد پتانسیل مترهای خطی، به تفصیل توضیح داده شده است. در واقع به دلیل همین تماس سایشی بین لغزنده والمان مقاوم است کهد پتانسیل مترهای خطی، سنسورهای تماسی خوانده می شوند.

یکی از اصلی ترین مزایای این امر، ساده بودن سنسور و اغلب عدم نیاز به مدارهای پردازشی سیگنال است. همچنین این روش، یک تکنیک ارزان ساخت حسگرها است، البته اتوماسیون در پروسه ساخت انواع دیگر سنسورها، ساخت آنها را نیز اقتصادی می سازد.

عیب سنسورهای تماسی عمر محدود آنها به دلیل سایش المان ها می باشد.

. در سنسورهای خطی مکانی غیر تماسی، خروجی سنسور متناسب با ورودی ومستقل از هر گونه تماس فیزیکی بین اجزای متحرک و ثابت سنسور تولید می شود. در این سنسورها، «تماس» بین اجزای متحرک و ثابت سنسور، اغلب از طریق کوپلینگ القایی، خازنی، مغناطیسی یا نوری انجام می گیرد. مثال هایی از حسگرهای مکانی خطی غیر تماسی، سنسورهای ، اثر هال، مقاومتی مغناطیسی والاستومغناطیسی هستند.

مبدل ها و سنسورهای مکانی خطی، از تعداد زیادی از تکنولوژی ها مانند مقاومتی، خازنی، القایی، اثرهال ،مقاومت مغناطیسی، الاستومغناطیسی و نوری بهره می گیرند. به عنوان مثال، یک سنسور مکانی خطی مقاومتی، همانند سنسوری عمل می کند که به منظور اندازه گیری ورودی زاویه ای، ساخته شده است.

البته یک سنسور زاویه ای (یا چرخشی)، به اجزاء اضافی مانند شفت دوار به منظور نگهداری لغزنده ها و المان مقاومتی دایره ای شکل نیز نیاز دارد. اگر خواننده به سنسورهای زاویه ای بیشتر از سنسورهای خطی مکانی علاقه مند است، این کتاب همچنان می تواند فهم خوبی از تکنولوژی مورد استفاده بدست دهد.

البته برای بررسی دقیقتر عملکرد سنسورهای زاویه ای، دانستن برخی مفاهیم دیگر مانند مومنتوم زاویه ای، دامنه سرعت زاویه ای، روش های شمارش دور، گشتاورمورد نیاز ومشخصات بلبرینگ نیز لازم است.

تکنولوژی

اندازه گیری مطلق

غیر تماسی

عمر مفید

حساسیت

دامنه اندازه گیری

سختی و صلبیت

مقاومتی

بله

خیر

پایین

متوسط

متوسط

متوسط

خازنی

بله

برخی مدلها

بالا

ازپایین تا بالا

پایین

پایین

القایی

بله

بله

بالا

بالا

متوسط

پایین

بله

بله

بالا

بالا

متوسط

بالا

اثرهال

بله

بله

بالا

بالا

پایین

پایین

مقاومتی مغناطیسی

بله

بله

بالا

بالا

پایین

پایین

انکودر

برخی مدلها

برخی مدلها

متوسط

از پایین تا بالا

متوسط

بالا

مبدلهای مکانی مقاومتی: مبدل های مکانی خطی مقاومتی، بسیار متداول، اغلب ارزان و ساده ترین مبدل های مکانی خطی هستند. این مبدل ها، معمولا دستگاه های 3 سیمی هستند و مبدل های مکان ها پتانسیل متری، پتانسیل مترهای خطی، پتانسیل متر یا نیز خوانده می شوند.

پتانسیل مترهای خطی، سنسورهای مکانی هستند، چرا که مستقیما یک متغیر فیزیکی را اندازه گیری می کنند ولی از آنجا که المان حسگر، بدون نیاز به هیچ پردازش سیگنال اضافه دیگری، یک سیگنال الکتریکی قابل استفاده تولید می کند، مبدل مکانی نیز نامیده می شود.

مفهوم اصلی این مبدل ها، همانند کنترلر صدا در رادیو و تلوزیون است؛ ولتاژی به یک المان مقاومتی اعمال می شود و لغزنده تماسی روی این مقاومت حرکت داده می شود، به طوری که یک تماس الکتریکی بین این دو برقرار می گردد. بدین ترتیب امکان اندازه گیری اختلاف پتانسیل از روی لغزنده فراهم می شود.

تغییر ولتاژ لغزنده، مکان آن روی المان مقاومتی است.

ولتاژی که به دو سر المان مقاومتی مبدل های مکانی مقاومتی اعمال می شود، معمولا dcاست.

. ولتاژ لغزنده تقریبا برابر فاصله لغزنده از یک انتهای المان مقاومتی، تقسیم بر طول کل مقاومت، ضرب در ولتاژ دو سر المان مقاومتی است.

در مهندسی الکترونیک، این توابع، تقسیم کننده ولتاژ خوانده می شود و در شکل 3-1 نشان داده شده اند. در شکل ، یک تقسیم کننده ولتاژ دو مقاومتی نشان داده شده است. ولتاژ خروجی در محل تماس مقاومت بالایی و پائینی از رابطه زیر بدست می آید:

در شکل یک پتاسیل متر نشان داده شده است که پیکان میانه مقاومت، لغزنده خوانده می شود. از همان رابطه برای محاسبه ولتاژ خروجی در این حالت استفاده می شود.

. در اینجا ، مقاومت زیر نقطه تماس لغزنده و مقاومت بالای آن است.

محاسن و معایب

: مبدل های مکانی خطی مقاومتی، بدلیل سیم کشی ساده، فهم عملکرد آسان و قیمت نسبتا پایینشان معمولا انتخاب خوبی هستند.

هر چند مبدل های سیم پیچی همچنان معمول هستند ولی در کاربرد های صنعتی، بخصوص سیستم های کنترلی حلقه بسته، وقتی حساسیت بالا و عمر مفید زیاد مورد نیاز باشد، از مبدل های سرمت ( ) استفاده می شود.

البته توجه داشته باشید که همواره در استفاده از مبدل های تماسی، مشکل سایش در طولانی مدت وجود دارد، بنابراین وقتی نیازی به جلبجایی پریود یکی مبدل نباشد، بهتر است از یک مبدل غیر تماسی استفاده شود.

مشخصات عملکرد غیر خطیت

غیر خطیت یک مبدل مکانی خطی پتانسیل متری، بوسیله یکنواختی المان مقاومتی کنترل می شود. در المان مقاومتی سیم پیچی اگر چه مقاومت سیم مقاومتی کنترل می شود.

در المان مقاومتی سیم پیچی اگر چه مقاومت سیم می بایست یکنواخت باشد، ولی دقت پیچیدن سیم دور میله ای نیز مهم است.

تمام قسمتهای سیم می بایست از لایه عایق پوشیده شده، هر حلقه سیم پیچ مجاور حلقه دیگر قرار گرفته باشد و به منظور جلوگیری از حرکت حلقه ها هنگام حرکت لغزنده بر روی آنها، می بایست محکم و کشیده باشند.

درانواع لایه کربن و سرمت، لایه مقاومت می بایست به صورت همگن و با هندسی یکنواخت روی زیر صفحه پخش شده باشد.

یکنواختی مخلوط رسانا از طریق تعیین یکنواختی ذرات رسانا و پراکندگی آنها در مخلوط مشخص می شود.

با تعیین ضخامت، عرض و میزان مستقیم لایه رسانای المان مقاومتی نیز می توان یکنواخت پخش شدن مخلوط روی زیر صفحه را تعیین کرد.

بوجود آوردن یک لایه بسیار یکنواخت پلاستیکی در المان مقاومت لایه پلاستیکی، کمی مشکل تر است، و بنابراین مقاومتها در کاربرد های ارزان قیمت و با دقت پایینتر مورد استفاده قرار می گیرد. ابتدا عملکرد خطی المان مقاومتی به دقت اندازه گیری و سپس مقدار تغییر لازم برای کاهش غیر خطیت محاسبه می شود.

سپس ناحیه مورد نظر به صورت دستی یا ماشینی بریده می شود. در یک پروسه مکانیزه، نتایج دقیقتری با استفاده از لیزر بدست می آید.

برای ایجاد کمترین خطای غیر خطیت که در تولیدات دقت بالا مورد نیاز است، از برش لیزری استفاده می شود تا بدین ترتیب، خطای غیر خطیت به % دامنه اندازه گیری کاهش یابد.

از آنجا پتانسیل مترها، غالبا در مدارهای مستقیم کننده ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد، مقاومت کل به اندازه غیر خطیت مهم نمی باشد.

هر چند، همانطور که قبلا نیز گفته شد، مقاومت بار نیز در صورتی که خیلی کوچک باشد، باعث افزایش غیر خطیت می شود.

مثالی از این موضوع، وقتی است که یک المان مقاومتی منبع تغذیه، بین ولتاژ 0و و یک مقاومت بار از لغزنده به ولتاژ وصل شده باشد.

در حالی که لغزنده در دو حد انتهایی قرار گرفته باشد، مقاومت بار تاثیری در ولتاژ خروجی لغزنده ندارد(صرفنظر از مقاومت تماسی) .

هر چند، اگر لغزنده در مکان دیگری قرار گرفته باشد، مقاومت بار موازی قسمت کوچکتر المان مقاومت می شود ودر نتیجه نسبت تقسیم ولتاژ تغییر می کند.

این تغییر، منبع خطای غیر خطیت ناشی از مقاومت بار است. ماکزیمم این در حالتی رخ می دهد که لغزنده در% 67 و دامنه اندازه گیری قرار گرفته باشد.

همانطور که قبلا نیز گفته شد، با انتخاب مقدار مقاومت بار بسیار بزرگتر از المان مقاومتی، می توان خطاها را کاهش داد. تکرارشود، یا ازبین رفتن روکش مقاومت در یک نقطه، منجربه تشکیل یک مدار باز شود، اصطلاحاً بوجود آمده است.شکل3-6 شکل نمودار مشخصه مبدل؛ پس زنش معمولا جزئی از پسماند در نظر گرفته می شود.

نواحی مرده

ممکن است نواحی مرده ای در هریک از دوانتهای مسیر لغزنده

ممکن است نواحی مرده ای در هریک از دوانتهای مسیر لغزنده وجود داشته باشد.

در این نواحی، تغییر در ورودی باعث ایجاد تغییر بیشتر در خروجی نمی شود. وقتی طراحی به گونه ای باشد که لغزنده بتواند به نواحی رسانا(محل اتصال المان مقاومتی به پین های انتهایی پتانسیل متر) وارد شود، نواحی مرده الکتریکی بوجود می آیند.

نواحی مرده مکانیکی نیز ممکن است وجود داشته باشند، در این حالت قبل از آنکه ورودی به حداکثر مقدار خود برسد، لغزنده از حرکت بیشتر باز می ایستد. این حالت معمولاً بدلیل تنظیم نبودن مبدل به هنگام نصب، رخ می دهد.

برخی مشخصات عملکرد و کاربردهای متداول

برخی مشخصات معمول یک مبدل مکانی خطی پتانسیل متری(مبدل ) به صورت ذیل می باشد:

مکانیکی

کل دامنه اندازه گیری مکانیکی:

150 تا

نیروهای شروع:

وزن کل:

تا

ارتعاش:

شوک:

نیم موج سینوسی

پس زنش:

عمر:

ابیلیون عملکرد

الکتریکی

دامنه الکتریکی تئوری:

150 تا

غیر خطیت مستقل:

%

مقاومت کل:

تلورانس مقاومت:

%20

دمای عملکرد:

65- تا

رزولاسیون:

نامحدود

مقاومت ایزولاسیون:

در

استحکام دی الکتریک:

جریان پیشنهادی لغزنده:

اتصالات الکتریکی:

ماکزیموم ولتاژ قابل اعمال:

اگر چه به هنگام تطبیق یک نوع از پتانسیل متر به کاربرد واقعی، لازم است که دامنه اندازه گیری، غیر خطیت، پسماند و مقاومت کل مشخص شود، ولی می بایست تعداد سیکلهای عمر مفید و قابلیت نصب نیز برای المان مقاومتی، در نظر گرفته شود.

یک المان مقاومتی سیم پیچی، قابلیت اطمینان خوبی برای مدت زمان طولانی، بدست می دهد، ولی بهتر است در حلقه های کنترلی سرو یا وقتی حساسیت بالایی نیاز باشد، مورد استفاده قرار نگیرد.

در یک حلقه کنترلی سرو( )، بین حلقه های مجاور سیم پیچ، یک فضای خالی ثابتی وجود دارد، درحالیکه نقاط واقعی کنترل بین دو نقطه تماس، خطوط پیوسته ای هستند.

در این حالت، بهتر است یک مبدل با تفکیک پذیری بالاتر وخروجی پیوسته، مورد استفاده قرار گیرد.

برخی برتری های مبدل های مکانی خطی پتانسیل متری نسبت به انواع مختلف دیگر، سهولت فهم عملکرد این نوع از مبدل ها، سهولت استفاده از آنها، قیمت نسبتاً پایین، عدم نیاز به هیچگونه مدار الکتریکی برای راه اندازی مبدل و بالا بودن سطح ولتاژ سیگنال خروجی آنهاست.

برخی معایب این مبدل ها، شامل پاسخ فرکانسی، نیروی عملکرد لازم زیاد به دلیل وجود اصطکاک، نیروی دینامیکی بالا بدلیل جرم قسمتهای متحرک وعمر مفید محدودبه دلیل سایش می باشد.

مبدلهای مکانی خازنی

مبدلهای مکانی خازنی بدلیل روش ساده اندازه گیری غیر تماسی، در صنعت بسیار مورد استفاده قرار می گیرند.

این مبدلها ممکن است دارای قسمت حسگر تماسی باشند که با جسم مورد اندازه گیری تماس برقرار کند، ولی المان حسگر غیر تماسی امکان طراحی مبدل با حداقل نیروهای مکانیکی وبنابراین حداقل سایش را فراهم می آورد.

یک مبدل مکانی خازنی غیر تماسی، مکان صفحه رسانا را اندازه گیری می کند(شکل4-1 را ببینید). مبدلهای خازنی به مجموعه ای از مدارهای الکترونیکی راه انداز و پردازش نیازدارند وبنابراین پیچیده تر از مبدلهای مقاومتی تماسی هستند.

یک مبدل مکانی خطی خازنی معمولی از المان حسگر خازنی متغییر، مدارهای الکترونیکی و اجزای مکانیکی لازم برای اتصال آنها، تشکیل می شود.

محفظه مبدل، باعث تنظیمات قسمتهای متحرک، به هنگام دریافت یک ورودی مکانیکی می شود.

برخلاف پتانسیل مترهای خطی، خروجی المان حسگر خازنی مستقیماً قابل استفاده نمی باشد. مفهوم کلی به این صورت است که مدار الکترونیکی، با یک جریان متناوب، باعث راه اندازی المان حسگر والمان حسگر در نتیجه تغییردر ورودی، باعث تغییر ظرفیت خازن می شود، در نهایت، سیگنال بدست آمده بوسیله مدار الکترونیکی دمدوله می شود.

علاوه بر این، مدار الکترونیکی، جریان ورودی را پردازش وسیگنال دمدوله شده را به خروجی مورد نظر تبدیل می کند.

محفظه مبدل طوری طراحی می شود که تمام قطعات، شامل المان حسگر، مدارهای الکترونیکی، اتصال حسگر و تجهیزات نصب را در بر گیرد.

به منظورطراحی و درک عملکرد سنسورهای خازنی، ابتدا بهتر است با خصوصیات الکتریکی ظرفیت خازن آشنا شویم.

ظرفیت خازنی یک سیستم، توانایی آن سیستم در ذخیره انرژی الکترواستاتیک است.

یک مدار الکتریکی دارای خازن را می توان با یک سیستم آب با مخزن ذخیره، مقایسه کرد. در این مقایسه، مخزن با قطر بزرگتر(ظرفیت خازنی بیشتر) توانایی ذخیره آب بیشتری در یک ارتقای خاص (ولتاژ) دارد.

ولتاژ همانند فشار آب عمل می کند و اغلب بر حسب ارتفاع، اندازه گیری و بیان می شود(بعنوان مثال، ارتفاع هر آب یا فشار).

فشاری که آب در ارتفاع بالای سطح زمین به دیواره مخزن وارد می کند، کمی بزرگتراز نسبت به همان حالت در سطح زمین است.

اگر، پمپ (معادل الکتریکی آن، باطری یا منبع تغذیه) در یک نرخ جریان مشخص بر حسب لیتر(معادل الکتریکی: شارژ شدن خازن با جریانی بر حسب کلمب بر ثانیه یا آمپر)، مخزن را پر می کند، سطح آب (ولتاژ) افزایش می یابد.

اگر از لوله هایی با قطر کمتر (مقاومت الکتریکی بیشتر) برای پر یا خالی کردن مخزن استفاده کنیم، مخزن با سرعت کمتری، پر(شارژ) یا خالی (دشارژ) می شود.

سطح مخزن بر حسب، بعنوان مثال، متر مربع، متناسب مقدار ظرفیت خازن (بر حسب فاراد) است.

بنابراین در یک نرخ جریان آب مشخص (جریان الکتریکی)، یک مخزن با قطر بزرگتر (ظرفیت خازن بیشتر)، با سرعت کمتری پر یا خالی خواهد شد(تغییر ولتاژ).

حاصلضرب مقدار آب ذخیره شده در مخزن بر حسب لیتر و مربع ارتفاع مخزن از سطح زمین، مشابه مقدار انرژی ذخیره شده در خازن است.

برخی مشخصات عملکرد و کاربردهای متداول

معمولترین نوع مبدل مکانی خطی خازنی به منظور تشخیص مکان یک صفحه فلزی(المان متحرک خازن) طراحی می شود

(شکل 4-5 را ببینید). برخی مشخصات معمول این چنین ترکیبی، به صورت زیر است:

 

ابعاد محفظه:

قطروطول

دامنه عملکرد:

صفر تااز صفحه حسگر

دامنه دمایی عملکرد:

20- تا

نوع خروجی:

ولتاژآنالوگ، صفر تا

منبع تغذیه:

8 تا

تکرارپذیری:

کمتر از %

پسماند

کمتر از %

 

 

این نوع سنسورها غالباً در پروسه های صنعتی که اندازه گیری های غیر تماسی مورد نیازاست، مورد استفاده قرار می گیرند.

اگرچه این مبدلها درمقایسه با مبدلهای الاستومغناطیسی و ها، دارای دامنه اندازه گیری کوچکتری هستند، ولی چون هیچ جزء سایشی ای وجود ندارد، لذا این نوع مبدلها به هیچگونه توجه خاصی نیز نیازندارند.

دقت طولانی مدت این مبدلها، تقریباً برابریک LVDT است.

مبدل های مکانی القایی

نخستین ایده های طراحی یک مبدل مکانی ارزان، اغلب شامل یک نوع مبدل از نوع القایی است.

چرا که این مبدل ها دارای تئوری ساده ای هستند و المان حسگر از یک یا چند نوع هسته ای سیمی تشکیل شده است(شکل5-1).

در برخی از کاربردها، برقراری یک توازن قابل قبول بین قیمت، عملکردو دامنه اندازه گیری، ممکن است مشکل باشد.

با این وجود، این مبدل ها هنوز هم به طور گسترده در کاربردهایی که به دقت اندازه گیری بالایی در یک دامنه اندازه گیری نسبتاً کوچک (در حدود چند ده میلی متر) یا به دقت اندازه گیری متوسط در یک دامنه اندازه گیری متوسط مورد نیاز باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. این سنسورها، در دامنه های اندازه گیری بیش از 500 میلی متر، بدلیل سختی سیم پیچی هسته معمولاً کاربردی نیستند.

دامنه های اندازه گیری بزرگ تر در این نوع مبدل ها، غالباً گران تر از سایر روش های حسی کردن می باشد، علاوه بر آن که یکسان نمودن عملکرد هر سنسور بدلیل امکان وجود نقض در سیم پیچی بلند سیم مغناطیسی هسته، مشکل می باشد. این مبدل ها نیز مانند حسگرهای مکانی خازنی، یک خروجی مستقیماً قابل استفاده تولید نمی کنند.

برای راه اندازی سنسور از یک مدار الکترونیکی استفاده می شود. سپس سیگنال تولید شده دمدوله و پردازش می شود تا خروجی مورد نظر بدست آید.

یک مبدل مکانی القایی شامل یک سیم پیچ حسگر، یک هسته نفوذ پذیر مغناطیسی، مدارهای الکترونیکی ومحفظه. این مدارهای الکترونیکی می توانند درون محفظه یا بیرون از آن نصب شده باشند.

مزایا

مهمترین مزیت سنسورهای مکانی اندوکتانس – متغییر سادگی آن هاست.

البته گاهی اوقات در اثر نیاز به مدارهای الکترونیکی، تقسیم کننده و دمدولاتور به منظور تشکیل یک مبدل کامل، این مزیت کم اثر می شود.

اما هنوز هم یکی از متدوال ترین انواع مبدل ها است.

مزیت دیگر این است که وقتی نیازی به بلبرینگ وبوش کاری نباشد، از سنسور می توان به عنوان یک وسیله غیر تماسی استفاده نمود و بنابراین تقریباً عمری نامحدود خواهد داشت.

به علاوه سنسورهای القایی معمولی با خروجی ولتاژ آنالوگ، تقریباً قابلیت حساسیت نامحدودی دارند که از طریق قابلیت اندازه گیری یک سیگنال خاص در حضور نویز، اندازه گیری می شود.سنسورهای القایی کمتر از سنسورهای خازنی تحت تأثیر گرد وغبار و رطوبت قرار می گیرند.

یکی از مزایای این سنسورها، دقت وپایداری نسبتاً پایین آن ها است که می توان آن را بوسیله روش های دیگر مانند مبدل های مکانی خطی الاستومغناطیسی و برخی انکودرها بدست آورد.

برخی مشخصه های عملکرد و کاربرد های متداول

در حالی که مبدل های مکانی خطی الاستومغناطیسی وقتی در رنج % و ها، وقتی در محدوده 1/0 تا % 5/0 بدست می دهند، مبدل های مکانی القایی، با توجه به دامنه اندازه گیری، معمولاً به دقتی برابر 2/0 تا % 1/0 محدود می شوند.

در بساری از کاربرد ها مانند حلقه های کنترلی مکانی که مهمترین جنبه مورد نظر، پاسخ یکنواخت و حساسیت بالای مبدل هاست، دقتی در محدوده فوق، یک مشکل محسوب نمی شود.

یک سنسور مکانی خطی القایی معمولی به همراه پردازشگر سیگنال خارجی، نشان داده است.

مشخصات معمولی یک مبدل مکانی خطی القایی به صورت زیر است:

دامنه اندازه گیری:

10 تا 600

ولتاژ ورودی:

جریان تغزیه:

10 تا

خروجی:

5/0 تا ، نسبی

غیر خطیت:

%

حساسیت:

تقریباً نا محدود

دامنه دمایی عملکرد:

40- تا

 

یکی از کاربرد های یک سنسور مکانی خطی القایی، اندازه گیری انبساط های کوچک سیلندرهای کوچک هیدرولیکی است.

چون در عملکرد این مبدل ها محدودیتی در دقت و حداکثر طول وجود دارد، لذا وقتی دقت بالاتر یا دامنه اندازه گیری بزرگتر مورد نیاز باشد،اغلب از مبدل های الاستو مغناطیسی استفاده می شود.

مبدل های القایی را می توان با موفقیت در بسیاری از کاربردهای صنعتی و اقتصادی، مورد استفاده قرار داد.

مکان سنج های دریچه درپروسه کنترل در کف یک کارخانه، همانند اندازه گیری مکان غلتک یک ماشین لباس شویی یا دیگر الزامات اندازه گیری مکانی در کالاهای مصرفی، مثالی از استفاده از مبدل های مکانی خطی القایی است.

- مبدل های مکانی LVDT

ترانسفورمرهای دیفرانسیلی متغییر خطی، مبدل های مکانی غیر تماسی هستند که اندازه گیری مطلق و وضوح و قابلیت تفکیک پذیری کاملاً نامحدودی بدست می دهند.

. این مبدل ها از 3 یا تعداد بیشتری سیم پیچ تشکیل می شوند که با حرکت هسته ای درون آن ها، کوپلینگ متغیری بین سیم پیچ اولیه وسیم پیچ های ثانویه (معمولاً2 عدد) بوجود می آید.

اگرچه روش اندازه گیری، غیر تماسی است، اغلب تمهیدات مکانیکی ای نیز برای حفظ مکان هسته درون سیم پیچ در طول ضربه در نظر گرفته می شود.

مثالی از این ترکیب هدسنج LVDTنام دارد. سنسورهای خطی کاربردی را می توان با غیر خطیت کمتر از%2/0 و دامنه های اندازه گیری ای از کمتر از تا بیش از و به صورت چرخشی یا منحنی طراحی کرد.

حساسیت این سنسورها تقریباً نامحدود است.

کاربردهای معمول این مبدل ها شامل سیستم های ماشینی صنعتی، مانند ماشین های شکل دهنده فلزات و اندازه گیری قطعات می باشد.

ها به مجموعه ای مدارهای الکترونیکی راه انداز و پردازشگر نیازدارند. LVDT

یک LVDT معمولی، شامل یک المان حسگر صلب، هسته ومدارهای الکترونیکی است که به صورت جداگانه تغذیه می شود.

LVDT ای که شامل تمام این الزامات الکترونیکی باشد، اغلب یک خوانده می شود، چرا که با وجود عملیات داخلی مانند رام اندازی ، دمدولاسیون ومدارهای پردازش سیگنال، این مبدل ها با ولتاژ تغذیه می شوند و خروجی ای نیزبدست می دهند.

مزایا

از آن جا که هسته LVDT درون بوبین سیم پیچ را لمس نمی کند، لذا یک المان حسگرغیر تماسی است.

این بدین معناست که بدون فرسایش یا کاهش مشخصات عملکرد، تعداد بسیار زیادی سیکل کامل قابل دستیابی است.

هرچند در بسیاری موارد نیز برای حفظ راستای بین هسته و بوبین سیم پیچ از بلبرینگ نیز استفاده می شود

در این حالت اگرچه تغییری در دقت LVDT بوجود نمی آید، ولی ممکن است نیروی اضافی برای به حرکت در آوردن هسته LVDT لازم باشد.

LVDT سنسوری با تفکیک پذیری نامحدود است. تنها محدودیت هایی که ممکن است باعث کاهش این حساسیت شوند، می توانند ناشی از نویز مشخصات مدارهای الکترونیکی پردازش سیگنال یا محدودیت های مدار گیرنده سیگنال باشند

در محیط هایی با نویز زیاد، از ولتاژ تحریک بالا برای بدست آوردن نسبت سیگنال / نویز بالاتر استفاده می شود.

خطای پله ای شدن مدارهای الکترونیکی گیرنده نیز ممکن است در اثر وجود مبدل آنالوگ به دیجیتال باعث محدود شدن وضوح و تفکیک پذیری شود.

از آن جا که خروجی پردازش شده LVDT یک سیگنال آنالوگ است، لذا ممکن است برای استفاده از آن در یک سیستم دیجیتال مانند کنترلر میکروپروسسوری، به یک مبدل A/D نیاز باشد.

استفاده از یک مبدل 16A/D بیتی باعث افزایش دقت و کاهش محدودیت می شود.

LVDTهای واشردار سنسورهای بسیارمقاومی هستند که می توانند در شرایط رطوبت بالا، محیط هایی با ارتعاش زیاد و در بازه دمایی بزرگی مورد استفاده قرار گیرند.

صفحات انتهایی فلزی معمولاً به صورت TIG (تنگستن – گاز بی اثر) به محفظه فلزی مبدل جوش می شوند. برای جوش TIG، صفحات انتهایی در فاصله نزدیکی از محفظه استوانه ای قرار می گیرند.

محفظه درون حلقه ای محکم می شود تا به هنگام چرخیده شدن ثابت بماند.

یک الکترود تنگستن در نزدیکی محفظه و محل تماس صفحه فلزی نگه داشته می شود.

یک گاز بی اثر، معمولاً آرگون، در اطراف الکترود تنگستن جریان می یابد تا از اکسیداسیون فلز مذاب در طول پروسه جوشکاری جلوگیری کند.

جرقه الکتریکی بین الکترود تنگستنی ومحل تماس صفحه با محفظه LVDT که توسط موتوری چرخانده می شود، باعث ذوب شدن قسمتی از صفحه و محفظه وچسباندن آن ها به هم می شود.

قطعه حاصل کاملاً در برابر آب یا گاز مقاوم است.

اگر از فولاد ضد زنگ برای محفظه سنسوروصفحات انتهایی استفاده شود، یک سنسور کاملاً ضد رنگ بدست می آید.

برخی مشخصه های عملکرد و کاربردهای متداول

در صنعت، استانداردهای مختلفی در مورد نوع و قطر محفظه وجود دارد. اصلی ترین آن ها شامل محفظه وهسته مجزا است.

روش دوم هدسنج است که شامل سیم پیچی با قطر کوچک هسته ای درون آن و یک پلانجر است که به آن متصل می شود.

پلانجر معمولاً به وسیله یک فنر بار گذاری می شود ولی می توان به جای فنر از هوا – برگشت نیز استفاده نمود.

روش سوم DCLVDT است. در این روش، محفظه مبدل شامل مدارهای الکترونیکی راه انداز ودمدولاسیون نیز می باشد.

در زیر برخی مشخصه های عملکرد معمولی برای یک سنسور از روش اصلی آمده است:

ولتاژورودی:

جریان تغذیه:

5 تا

خروجی:

سیگنال دیفرانسیلی

غیر خطیت:

2/0تا%5/0بسته به طول اندازه گیری ونوع مبدل

رزولاسیون:

تقریباً نا محدود

بازه دمایی عملکرد:

25- تا

 

 

LVDT یک انتخاب متداول در کاربردهای نظامی است. از این سنسورها اغلب به عنوان سنسور فیدبک مکانی برای کنترل سطوح هواپیماها استفاده می شود.

هدسنج های LVDT ها در صنایع در مراحل تولید وکنترل کیفیت با موفقیت مورد استفاده قرار می گیرند.

به عنوان مثال آرایه ای از هد سنج های LVDT را می توان به شابلون در اتومبیل ها متصل نمود.

نمونه های از خط تولید خارج، دارای انحراف از استاندارد اندازه گیری وبدین ترتیب نیازمند دوباره کاری یا تغییر ابزار، تعیین می شوند تا قطعات نهایی در تلورانس تعیین شده باشند.

درسیستم های بازرسی، از LVDT ها برای اندازه گیری ابعاد بحرانی ومقایسه آن ها توسط کامپیوتر با تلورانس قابل قبول استفاده می شود.

معمولاً برای انجام این کار مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این LVDT ها به عنوان جزیی از بسیاری از محصولات، مانند مبدل های فشار یا مکان یاب های دریچه، در پروسه های کنترلی مورد استفاده قرار می گیرند.

مبدل های اثرهال

مبدل های مکانی ای که بر پایه اثرهال ساخته می شوند، معمولاً به دلیل عمربالا و قیمت نسبتاً پایین این مبدل ها، در تولیدات صنعتی واتومبیل مورد استفاده قرار می گیرند.

از آن جا که حساسیت المان اثرهال برپایه اندازه گیری میدان مغناطیسی در یک نقطه مشخص استواراست، لذا می توان فقط از یک المان برای اندازه گیری مکانی خطی در فواصل کوتاه (کمتراز ) استفاده نمود.

برای ساخت مبدل هایی با دامنه اندازه گیری بلندتر از روشهای مکانیکی یا چندین المان حسگر استفاده می شود، اما در این صورت، مزیت قیمت پایین کاهش می یابد.

سنسورهای اثرهال قطبیت وشدت یک میدان مغناطیسی را اندازه می گیرند. یک مبدل مکانی خطی اثرهال، حداقل شامل یک دستگاه هال، یک مگنت مکانی و مدارهای الکترونیکی وابسته است.

مگنت مکانی به المان مورد اندازه گیری متصل می شود.

با نزدیک شدن مگنت به دستگاه هال، شدت میدان مغناطیسی و خروجی دستگاه هال افزایش می یابد. از آن جا که تغییر در میدان مغناطیسی در نتیجه تغییر در مکان مگنت است، لذا دستگاه هال خروجی الکتریکی ای تولید می کند که با تغییر مکان مگنت تغییر می کند.

قطبیت میدان مغناطیسی توسط قطبیت خروجی الکتریکی مشخص می شود.

المان حسگر اثرهال ولتاژ خروجی با سطح نسبتاً پایین (چند ده میلی ولت) تولید می کند، بنابراین برای ساخت یک مبدل مکانی اثرهال، به تقویت کننده ای برای افزایش سطح ولتاژ سیگنال، نیازاست.

از یک ولتاژ یا جریان ثابت برای راه اندازی المان حسگر استفاده و بدین ترتیب ولتاژ خروجی دیفرانسیلی تولید می شود.

دامنه ولتاژ خروجی متناسب با شدت میدان مغناطیسی وبنابراین فاصله بین المان حسگر و مکان مگنت است.

همان طور که قبلاً نیز گفته شد، قطبیت ولتاژ خروجی به قطبیت میدانی که توسط مگنت مکانی تولید می شود، بستگی دارد(به عبارت دیگر، وابسته به خط شار خروجی از قطب شمال به قطب جنوب مگنت مکانی).

بنابراین بسته به نحوه اتصال، اگر قطب شمال مغناطیسی به المان اثرهال نزدیک شود، ولتاژ خروجی تولیدی، مثبت واگر به همان سمت المان، قطب جنوب مغناطیسی نزدیک شود، ولتاژ خروجی منفی خواهد بود.

یک ماده مغناطیسی دائمی دارای دو قطب شمال وجنوب است.

قطب شمال، قطبی است که مغناطیس زمین را جذب می کند.

از آن جا که قطب های ناهمنام همدیگر را جذب می کنند، لذا می توان شمال مغناطیسی زمین را مشابه قطب جنوب یک ماده مغناطیسی دائمی قرار داد.

دانستن این موضوع به هنگام بررسی قطبیت یک ماده مغناطیسی دائمی بوسیله یک سوزن قطب نما، مهم است.

قطب شمال یک ماده مغناطیسی، قطب شمال- جنوب نیز خوانده می شود.

اثرهال

در المان حسگر یک سنسور اثرهال که دستگاه هال نیز خوانده می شود، یک جریان الکتریکی از یک ماده رسانا که در یک میدان مغناطیسی قرار گرفته است، می گذرد.

تماس های الکتریکی به ماده رسانا، ابزاری برای اعمال جریان و اندازهگیری ولتاژ خروجی آن را بدست می دهد.

این خروجی المان حسگر اثرهال، ولتاژهال،، خوانده می شود.

جهت عمود بر راستای جریان الکتریکی ومیدان مغناطیسی واندازه آن متناسب با چگالی شار میدان مغناطیسی و مقدار جریان گذرنده از المان حسگر است

اثرهال

جريان گذرنده از يك راسانا d و شار مغناطيسي B عمود بر آن باعث ايجاد ولتاژ هال، ، مي‌شود .

میدان مغناطیسی باعث بوجودآمدن گرادیان تمرکز بارهای الکتریکی حامل در رسانا می شود. این تمرکز بارها در یک سمت بیشتر از دیگری است. تعداد بیشتربارهای حامل در رسانا باعث بوجودآمدن پتانسیل ولتاژ می شود.

، الکترون ها به عنوان بارهای حامل در یک نیمه هادی نوع نشان داده شده اند. در این شکل، غلظت الکترون هاروبه بالا وبه سمت لبه بالایی رسانا بیشتر است.

این الکترون ها توسط جریان الکتریکی تولید و در اثر ناشی از میدان مغناطیسی در جهت لبه بالاییرسانا قرار می گیرند (توجه داشته باشید که مطابق جهت جابجایی استاندارد، جریان الکترون ها در خلاف جهت جریان الکتریکی است).

بنابراین در اثر پتانسیل منفی تر سطح بالایی نسبت به سطح پایینی، اختلاف پتانسیلی در رسانای بوجود می آید.

تمرکز حامل های بار در یک سمت دستگاه هال در اثر نیروی مغناطیسی، باعث ایجاد اختلاف ولتاژ ، می شود.

. دلیل منفی تر بودن سطح بالایی شکل 7-2، بار منفی تعداد بیشتر الکترون ها در آن سطح است. این اختلاف ولتاژ بین سطح بالایی و پایینی رسانای شکل 7-2، ولتاژهال، نامیده می شود.

دامنه ، با توجه به مقدار جریان الکتریکی وشدت میدان مغناطیسی طبق رابطه زیر تغییرمی کند[7،ص215]

که فاکتور حساسیت خوانده می شود وتوسط سازنده بر حسب ولت بر گاوس یا ولت بر میلی تسلا ( ) مشخص می شود.

مزایا

اغلب دستگاه های هال از نیمه هادی ساخته می شوند و بنابراین بعضی یا همه ی مدارهای پردازش سیگنال لازم را می توان با همین زیر لایه های نیمه هادی ها به کار انداخت.

این مزیتی است که باغث کوچک شدن اندازه و کاهش قیمت مبدل می شود. مبدل های مکانی اثرهال دارای مزیتی نسبت به مبدل های مکانی تماسی وپتانسیل مترها هستند.

از آن جا که دستگاه هال به صورت مطلق اندازه گیری می کند، لذا بر خلاف انکودرها نیازی به ضفر کردن مبدل بعد از هر بار اندازه گیری نمی باشد.

دستگاه های هال می توانند در سرعت صفر کار کنند و این در مقایسه با خروجی نا دقیقی که انکودرها وقتی با سرعت نزدیک به صفر به دو انتهای بازه اندازه گیری نزدیک می شوند تولید می کنند، مزیتی محسوب می شود.

انکوداری با این مشخصه همواره دارای خطای ثابتی خواهد بود، در حالی که یک دستگاه هال دارای تفکیک پذیری واقعاً نامحدود است وحتی می تواند تغییرات مکانی کوچک را نیز نمایش دهد.

در سرعت های نزدیک صفر، برخی دستگاه های هال می توانند در فرکانس های بالاتر از کار کنند. دستگاه های هال دارای پاسخی تکرار پذیر و عملکرد در بازه دمایی وسیعی ( تا ) هستند. غیر خطیت و دیگر محدودیت های دقت مبدل های مکانی اثر هال، مانند ها در بازه قابل قبول قرار دارد.

برخی مبدل های مکانی مانند ها یا مبدل های مکانی الاستومغناطیسی را می توان طوری طراحی کرد که با جدا کردن المان حسگر اصلی از مدارهای الکترونیکی، علاوه بر کوچک کردن مبدل، امکان کار در محیط های با دمای بالاتر نیز فراهم شود.

انجام این کار در دستگاه های هال امکان پذیر نمی باشد، چرا که این المان های حسگر، ذاتاً از نیمه هادی ها ساخته می شوند و این باعث محدود شدن مقدار ماکزیمم بازه دمایی عملکرد می شود.

علاوه براین، مدارهای پردازش سیگنالی که به همراه دستگاه های هال به کار می روند نیز باعث محدود شدن بازه دمایی می شوند، چرا که نیمه هادی های این مدارها از ترکیبی ساخته می شوند که باعث بهبود عملکرد دستگاه هال شوند. مدارهای الکترونیکی دما – بالا دارای ترکیب مواد نیمه هادی متفاوتی هستند و از روش های ساخت متفاوتی برای آن ها استفاده می شود.

برخی مشخصه های عملکرد و کاربرد های متداول

یک مبدل اثر هال معمولی، دارای مشخصه ی عملکرد مشابه مبدل diltornic/midori است:

دامنه اندازه گیری:

ولتاژ منابع تغذیه:

حساسیت:

غیر خطیت:

%

تکرار پذیری:

پسماند:

ابعاد محفظه:

 

یک دستگاه هال را می توان به عنوان بخشی از یک مبدل مکانی یا به عنوان جزء حسگر مکانی انواع دیگر مبدل ها مورد استفاده قرار داد.

نوع دیگر مبدل ها که از المان حسگر اثرهال استفاده می کند، مبدل های فشار است.

در این مبدل ها یک صفحه دیافراگم فلزی در پاسخ به تغییر فشار خم می شود، یک دستگاه هال میزان انحراف این صفحه را اندازه گیری و سپس پس از پردازش سیگنال، مبدل از طریق یک خروجی الکتریکی، مقدار فشار را نشان می دهد

در این حالت دستگاه هال به همراه مگنت مکانی وصفحه دیافراگم، یک سنسور یا المان حسگر را تشکیل می دهند. با اضافه نمودن مدارهای الکترونیکی پردازش سیگنال، منبع تغذیه، محفظه وغیره یک مبدل ساخته می شود.

برخی کاربردهای دیگر سنسورهای مکانی غیر خطی اثر هال شامل

اندازه گیری سطح سیال در مخزن سوخت (با استفاده از شناوری که مگنت مکانی در آن نصب می شود)، اندازه گیری مکان پدال ماشین، های غیر تماسی، اندازه گیری سطوح چندین متری مایعات با استفاده از آرایه ای از دستگاه های هال، و بسیاری موارد دیگر می باشد.

یک آرایش مبدل مکانی با دستگاه هال، برای اندازه گیری مکان دیافراگم بعنوان تابعی از فشار اعمالی.

مبدل های مقاومتی مغناطیسی

مقاومت الکتریکی یک المان حسگر مقاومتی مغناطیسی با قرار گیری در یک میدان مغناطیسی خارجی تغییر می کند.

معمولاً مقاومت رساناهای غیر مغناطیسی با اعمال یک میدان مغناطیسی به صورت غیر خطی افزایش می یابد. این تغییر در پاسخ به مقدار شدت میدان مغناطیسی است

همانند مبدل های اثر هال، مبدل های مکانی خطی مقاومتی مغناطیسی نیز مبدل هایی غیر تماسی هستند که به صورت مطلق اندازه گیری می کنند و دارای حساسیت نا محدود هستند.

دامنه اندازه گیری یک المان تنها به حداکثر 25mm محدود می شود ولی سنسورهای خطی کاربردی طوری طراحی می شوند که با استفاده از چندین المان در آرایه های خطی، دامنه اندازه گیری بیش از بدست می دهند. غیر خطیت در این مبدل ها کمتر از% است. کاربردهای معمول شامل استفاده در ماشین کاری صنعتی و اندازه گیری جابجایی های کوچک در محصولات تجاری وسیستم های کنترل کیفیت می باشد.

مقاومت یک رسانای غیر مغناطیسی (بر حسب اهم) با شدت میدان مغناطیسی، ، تغییر می کند نه قطبیت آن (شمال یا جنوب). قطعات ثابت و متحرک مبدل از طریق میدان مغناطیسی به هم کوپل می شوند. بنابراین هر تعداد تغییر مکان قطعات مبدل، بدون سایش آن ها امکان پذیر است.

در یک مبدل مکانی خطی مقاومتی مغناطیسی تک المانی، یک مگنت مکانی نسبت به سنسور حرکت می کند. این ماده مغناطیسی دائمی میدان مغناطیسی تولید می کند که شدت آن با تغییر فاصله از سنسور تغییر می کند.

با افزایش شدت میدان مغناطیسی عبور جریان الکتریکی، مقاومت نیز افزایش می یابد. در شکل 8-2 آرایش ساده ای از یک سنسور مقاومتی مغناطیسی به همراه مگنت مکانی نشان داده شده است.

در این مبدل ها مقاومت المان حسگر در پاسخ به مقدار میزان مغناطیسی تغییر می کند نه قطبیت آن.

مزایا

مقاومت های مغناطیسی در مقایسه با سنسورهای القایی، دارای این مزیت هستند که می توانید در مبدل های مکانی خطی، بدون دمدولاتور مورد استفاده قرار گیرند. در مقایسه با یک دستگاه هال، یک مقاومت مغناطیسی معمولاً دارای فرکانس عملکرد بزرگتر (یا نرخ تغییر مکان سریعتر ) است. مقاومت های مغناطیسی می توانند در یک بازه دمایی بزرگتر (بعنوان مثال از 55 تا 200 درجه سانتی گراد) کار کنند.

یک مقاومت مغناطیسی GMR معمولاً نسبت به یک دستگاه هال دارای حساسیت مغناطیسی بیشتری است و بنا براین می توان از یک مگنت ضعیفتر استفاده کرد یا مگنت قوی تری را برای فواصلی طولانی تر مورد استفاده قرار داد

برخی کاربردها ومشخصه های عملکرد متداول

وقتی از مبدل مکانی مقاومتی مغناطیسی بعنوان مثال برای نمایش حرکت یک ماشین صنعتی استفاده می شود، مگنت مکانی که یک ماده مغناطیسی دائمی است، به قسمت متحرک ماشین متصل می شود. فاصله از مگنت مکانی بوسیله المان حسگر مقاومتی مغناطیسی که در مکان ثابتی موازی محور حرکت ماشین نصب شده است، اندازه گیری می شود.

از آنجا که کوپلینگ از طریق میدان مغناطیسی انجام می شود، نیازی به اتصال مگنت و المان حسگر وجود ندارد. با حرکت مگنت مکانی موازی المان حسگر، فاصله بین مگنت مکانی و مدارهای الکترونیکی انتهای سنسور به صورت الکترونیکی اندازه گیری می شود.

. اگرچه دامنه های اندازه گیری بیش از را می توان با استفاده از آرایه ای از سنسورهای و یک میکروکنترلر انجام داد، اندازه گیری فواصل طولانی تر نیز بوسیله کد گذاری مگنت های مکانی امکان پذیر است.

فواصل طولانی تر ازچندصدمتر را با استفاده از مگنت های مکانی که هر مگنت با توجه به فاصله از مگنت دیگر دارای کد مخصوص به خود است، اندازه گیری می شود.

آرایه سنسور MR جزء متحرک ماشین است وهمواره حداقل 2 مگنت کد گذاری شده توسط آن اندازه گیری می شود. مگنت های کد شده یک اندازه گیری حدودی و هر مگنت تنها، یک اندازه گیری دقیق از مکان بدست می دهد.

ترکیب ایندو، مکان مطلق نسبت به نقطه مرجع را نشان می دهد. مثالی از این مبدلها، مبدل است .

مشخصات این نوع سنسورها به دامنه اندازه گیری آنها بستگی دارد و مثالی از آن بصورت زیر است:

 

حساسیت:

تکرارپذیری:

دقت اندازه گیری:

جرم متحرک:

بازه دمایی عملکرد:

0 تا

حداکثر سرعت:

ولتاژ منبع تغذیه:

10 تا

جریان ورودی:

خروجی:

24 بیت

 

 

از کار بردهای مبدل مکانی با دامنه اندازه گیری طولانی می توان به سیستم های کنترل موجودی که مکان روبوت را نسبت به قفسه انبار اندازه گیری می کند و نمایش حرکت صفحه نقاله که مواد به بخش تولید حمل می شود را نام برد.

مکان یابهای دریچه و مکانیاب پدال در اتومبیل از کاربردهای مبدلهای دامنه کوتاه تک المانی یا آرایه ای با حداکثر طول اندازه گیری IMاست.

انکودرها

جابجایی خطی را می توان بدون استفاده از مبدل های آنالوگ به دیجیتال، با استفاده از وسیله ای که انکودر خوانده می شود، اندازه گیری و محاسبه نمود. اگرچه از لغت انکودر قبلاً برای نامگذاری وسایل اندازه گیری لیزری استفاده شده است، ولی در این جا از اصطلاح انکودر خطی برای ارجاع به مبدل های صنعتی استانداردی که بر پایه یک سری الگوهای هندسی عمل می کنند، استفاده خواهد شد.

اندازه گیری در انکودرهای خطی به صورت افزایشی یا مطلق و با روش های مختلفی مانند لمسی، نوری، مغناطیسی وانواع خازنی انجام می گیرد.بعد از تعیین مطلق یا افزایشی بودن خروجی، طرح ها و کاربرهای انکودرها بین مشخصه های مهم محصول از قبیل سختی، حساسیت و اندازه فیزیکی انکودر، تعادل برقرار می کنند.

انکودر های افزایشی در مقابل انکودرهای مطلق

همانطورکه متوجه شده اید، اطلاعات کد شده بر یک انکودر افزایشی، دارای دسترسی بهتری نسبت به انکودر مطلق است.

علت این امر در آن است که در یک انکودر افزایشی به ازای یک متغیر مکان فقط کافی است یک یا دو بیت تغییر کند، در حالی که در یک انکودر مطلق می بایست تمام اطلاعات نشان دهنده مکان مورد اندازه گیری، دوباره خوانده شود.

بنابراین اگر نقطه ای دارای شماره 2046 واحد باشد، یک انکودر مطلق می بایست عدد 2046 را انکودر کند (به 11 بیت باینری نیاز است)، در حالی که در انکودر افزایشی فقط یک بیت اطلاعات برای آن نقطه لازم به اندازه گیری است.

بدین ترتیب انکودرهای افزایشی دارای مزیت قابلیت شروع به کار، بدون نیاز دوباره به صفر یا شدن مقادیر خوانده شده، پس از ورود اطلاعات هستند.شکل 10-4. انکودر نوری افزایشی با و ترانزیستورنوری.

انکودرهای نوری

یک انکودر نوری از یک جفت وسایل اپتئوالکترونیک (نوری- الکترونیکی) فرستنده/ گیرنده استفاده می کند. فرستنده، یک منبع نوری و معمولاً یک LED و گیرنده یک ترانزیستور نوری است.

صفحه ای با بخش های تیره و شفاف با این جفت اپتئوالکترونیکی سری می شود که می تواند با تغییر مکان ورودی حرکت کند (در روش دیگر می توان از بخش های منعکس کننده و منعکس نکننده استفاده نمود؛

نور منبع از طریق یک شکاف یا سوراخ، لنز و یا کولی ماتور، به آشکارسازها متمرکز می شود. در یک انکودر افزایشی، فقط به آشکار ساز نیاز است.

آشکارساز دوم در فاصله معینی از آشکار ساز اول قرار می گیرد، به طوری که خروجی هایی با اختلاف بدست می آید

در این حالت، نواحی تیره/ روشن شمرده می شود تا محل مکان فعلی بدست آید. هر چه فاصله بین نواحی تیره وروشن کمتر باشد، دقت خروجی بیشتر خواهد بود.

ممکن است از یک آشکار ساز سوم نیز برای آشکار سازی یک نشانه اضافه استفاده شود. در یک انکودر مطلق، به تعداد کافی آشکار ساز برای نشان دادن حداکثر تعداد بیت های نشان داده شده، نیاز است.

تعداد این آشکارسازها، تعداد بیت های حساسیت را مشخص می کند. بعنوان مثال، یک انکودر12 بیتی نشاندهنده 4096 واحد است ودارای حساسیت تئوری % یا می باشد. در این مثال، در طول کل بازه اندازه گیری سنسور، 4096 مجموعه اطلاعات مکانی وجود خواهد داشت.

دوازده بیت اطلاعات موازی توسط 12 ترانزیستور نوری خوانده می شود.

می توان برای راه اندازی تمام ترانزیستورهای نوری از یک خط نوری طولانی و یا از چندگانه استفاده نمود

انکودرهای مغناطیسی

در انکودرهای مغناطیسی از یک نوار مغناطیسی که اطلاعات مکانی در آن ذخیره شده است، به همراه یک یا چند سنسور مغناطیسی برای خواندن اطلاعات استفاده می شود. سنسورهای مغناطیسی در انکودرهای مدرن معمولاً از نوع اثرهال یا مقاومتی مغناطیسی هستند.

اطلاعات مربوط به اثرهال و مقاومت مغناطیسی در فصل های 7و8 این کتاب آمده است.

یک انکودر مغناطیسی افزایشی را نشان می دهد. قطبیت نوار مغناطیسی در طول آن معکوس می شود. این تغییرات میدان مغناطیسی توسط گیرنده های مغناطیسی مقاومتی مشخص می شود.

اگر انکودر افزایشی باشد، فقط به دو گیرنده نیاز دارد. گیرنده دوم در فاصله مشخصی از گیرنده اول قرار می گیرد، به طوری که خروجی هایی با اختلاف نسبت به هم و در نتیجه یک خروجی مربعی 4 قسمتی به دست می آید

در این حالت پالس های گیرنده شمرده می شوند تا محل مکان مورد نظر بدست آید. بیشترین حساسیت ممکن تحت تأثیر کمترین میزان تغییر میدان های مجاور که می تواند توسط گیرنده مشخص شود، محدود می شود. یک انکودر مغناطیسی نیز می تواند همانند انواع نوری، افزایشی یا مطلق باشد.

مزایا

انکودرهای خطی با دقتی بیش از ، اغلب به عنوان حسگرهای مکانی در محیط های ماشینی دقیق مورد استفاده قرار می گیرند. مبدلهای مطلق، بیشترین وضوح وحساسیت را بدست می دهند. عیب روش افزایشی اینست که اطلاعات ممکن است در اثر نویزهای الکترومغناطیسی یا نوسان منبع تغذیه از دست برود.

انکودرهای خطی مغناطیسی، به همراه نوار مغناطیسی وسر حسگر، دارای بازه وسیعی تابش از هستند (مانند لینکو در استگمن ). نوار مغناطیسی توسط کاربر به یک مکان ثابت، در راستای حرکت سر حسگر نصب می شود. این انکودرها دارای مزیت اندازه گیری غیر تماسی و دارای عمر مفید واقعاً نا محدود هستند.

انکودرهای خطی کوچکتر می توانند به صورت مغناطیسی یا نوری باهم کوپل شوند و خود شامل نوار مغناطیسی ومحفظه هستند.

مدلهای صنعتی معمولی دارای حساسیت در حدود هستند. بوش، لغزنده و میله راهنمای این مبدلها دارای عمر مفید محدودی هستند، هرچند پایان عمر مفید به معنای تأثیر بر دقت اندازه گیری نیست. معنای آن اینست که حرکت میله در بوش و بلبرنگ، گاهی اوقات با نویز صوتی همراه خواهد بود.

برخی مشخصه های عملکرد و کاربردهای متداول

شکل 10-2 یک انکودر خطی معمولی را نشان می دهد.

مشخصه های عملکرد این انکودر به صورت زیر است

کل بازه اندازه گیری:

تا

حساسیت:

تا

دقت در دمای:

تا

پسماند:

دمای عملکرد:

0 تا

حداکثر سرعت:

منبع تغذیه ورودی:

در حداکثر

 

الگوی کد گذاری را می توان در محیط اندازه گیری دوباره به صورت تصویری تولید نمود. هر گونه غیر خطیت در این الگو می تواند منشا خطا باشد. با یک تکنولوژی مشخص، انکودرهای افزایشی معمولاً حساسیت بهتری نسبت به انواع مطلق دارند.

کاربردهای متداول انکودرها، شامل سیستم های کنترلی وفیزیکی ماشینی، ربوتیک وتجهیزات اندازه گیری است.

سیستمهایی که از انکودرهای افزایشی استفاده می کنند، اغلب در شروع کار صفر می شوند و دوباره صفر شدن انکودر در فواصل زمانی مشخص رخ می دهد.

این امر به منظور پیشگیری از خطاهایی است که ممکن است در اثر حرکت های نامناسب سیستم یا حضور محیط های با نویز بوجود آمده باشند.

-



:: موضوعات مرتبط: اجزا تشکیل دهنده ربات الکترونیکی,سنسورهای حرکت خطی در روباتها , | بازدید : 560
:: برچسب‌ها: ربات,ربات های پیشرفته دنیا,ربات های پیشرفته ی از مبتدی تا پیشرفته,رباط,ربات تعقیب خط,بهترین ربات ها,ربات های انسان,ربات های کارگر,ربات های امدادگر,الکترونیک مبتدی,الکترونیک پیشرفته,مقاله های الکترونیک,تکنولوژی روز دنیا,ربات دانشگاه ها,برترین ربات ها,ربات,ربات متحرک,ربات جنگجو,مسابقات دانش اموزی ربات,عکس ربات ها ,عکس,انواع ربات ها,روبو کاپ,تعمیر ربات,ساخت ربات,تکنولوژی ربات,جالب ترین ربات ها ,طرز ساخت ربات,پروژه,پروژه ساخت ربات,پروژه های عملی,ربات سورنا,ربات ایران,ربات,سنسورها,سنسور های حرارتی,سنسورهای دما,سنسورهای نوری,سنسور حرکتی,سنسورهای حرکتی,

    » ارسال نظرات


    :) :( ;) :D ;)) :X :? :P :* =(( :O @};- :B /:) =D> :S


    اطلاعات کاربری
    نام کاربری :
    رمز عبور :
    تکرار رمز :
    ایمیل :
    کد امنیتی : *





    ربات