سنسورهای موقعیت المان هایی هستند که می‌توانند حرکت یک شیء را تشخیص دهند یا موقعیت نسبی آن را از یک نقطه مرجع تخمین بزنند
تعریف سنسور موقعیت
سنسورهای موقعیت می‌توانند حرکت یک شی را تشخیص دهند یا موقعیت نسبی آن را از یک نقطه مرجع تخمین بزنند. از این نوع سنسورها می توان برای تشخیص حضور یا عدم حضور بهره برد.
انواع مختلفی از سنسور وجود دارد که از آنها می‌توان به عنوان سنسور موقعیت استفاده کرد. سنسورهای حرکتی، حرکت یک شیء را تشخیص می‌دهند و از آنها می‌توان برای شروع یک عملکرد (به عنوان مثال روشن کردن یک پروژکتور بهره برد.) سنسورهای مجاورت نیز می توانند موقعیت اشیا را تشخیص دهند. بنابراین این دو نوع سنسور را می توان به عنوان زیر مجموعه ای از حسگرهای موقعیت در نظر گرفت. این سنسورها نه تنها حضور شی را تشخیص می‌دهند، بلکه می توانند موقعیت دقیق آن را نیز ثبت کنند. بنابراین دارای سیگنال فیدبکی هستند که حاوی اطلاعات موقعیتی می‌باشد.
در این بخش از مقاله به انواع مختلف سنسورهای موقعیت می پردازیم و در مورد طرز کار و استفاده از آنها صحبت خواهیم کرد.
انواع سنسور موقعیت
به طور کلی وظیفه یک سنسور موقعیت تشخیص یک شیء می‌باشد. موقعیت مکانی شی هدف از طریق یک سیگنال به سیستم‌های پردازش ارسال می‌شود. از فیدبک برای کنترل پاسخ‌های اتوماتیک، آلارم و شروع کننده فرایندهای دیگر استفاده می‌شود. به طور کلی سنسورهای موقعیت می توانند به 3 دسته‌ی اصلی تقسیم شوند که شامل سنسورهای موقعیت خطی، سنسورهای موقعیت چرخشی و سنسورهای موقعیت دایره ای می‌شوند. تکنولوژی های گوناگونی وجود دارد که می تواند برای ساخت این گونه سنسورها به کار رود.
انواع اولیه سنسورهای موقعیت شامل موارد زیر می شوند:
- سنسورهای موقعیت پتانسیومتریک ( که بر پایه مقاومت هستند.)
- سنسورهای موقعیت القایی
- سنسورهای موقعیت بر مبنای جریان ادی
- سنسورهای موقعیت خازنی
- سنسورهای مغناطیسی اثر هال
- سنسورهای دارای فیبراپتیک
- سنسورهای موقعیت اپتیکال
- سنسورهای موقعیت اولتراسوند
سنسورهای موقعیت پتانسیومتریک
سنسورهای موقعیت پتانسیومتریک سنسورهای مقاومتی هستند که از یک مسیر مقاومتی و یک لغزنده که به شی مورد اندازه‌گیری اتصال دارد تشکیل شده‌اند. حرکت شی باعث می‌شود که موقعیت لغزنده در مسیر مقاومتی تغییر کند و بنابراین میزان مقاومت اندازه‌گیری شده نیز تغییر میکند. در چنینی شرایطی مقاومت اندازه‌گیری شده می‌تواند به عنوان یک نشانگر برای تعیین موقعیت شیء به کار برود.
با استفاده از یک جداکننده ولتاژ در قسمتی که یک ولتاژ ثابت به دو سر مسیر مقاومتی اعمال می شود، ولتاژ اندازه‌گیری شده از لغزنده یا انتهای مسیر مقاومتی مقداری را در بر دارد که با موقعیت لغزنده متناسب می‌باشد. از این گونه سنسورها می توان برای جابه جایی زاویه‌ای و خطی استفاده نمود.
پتانسیومترهایی که برای سنسورهای موقعیت پتانسیومتریک به کار می‌روند شامل : سیم پیچ، فیلم پلیمتری و سرمت (cermet) می‌باشند. این نوع سنسورهای موقعیت؛ ارزان قیمت هستند، دقت پایینی دارند و در ضمن محدودیت سایز در این سنسورها، محدودیت اندازه‌گیری را نیز به وجود خواهد آورد.
سنسورهای موقعیت القایی
سنسورهای موقعیت القایی، موقعیت یک شی را توسط تغییراتی که در میدان مغناطیسی سنسور به وجود آمده تعیین می‌کنند. یکی از این نوع سنسورها LVDT نام دارد. در یک سنسور موقعیت LVDT، سه سیم‌پیچ جداگانه دور یک لوله تو خالی پیچیده می‌شوند. یکی از این سیم پیچ‌ها، سیم پیچ اولیه می‌باشد و دو سیم پیچ دیگر سیم پیچ‌های ثانویه هستند که نسبت به سیم پیچ اولیه 180 درجه اختلاف فاز دارند. یک هسته‌ی فرومغناطیسی یا آرماتور در داخل تیوب خالی قرار گرفته و آرماتور به شیءای که قرار است موقعیتش اندازه‌گیری شود؛ متصل است. یک ولتاژ تحریک به سیم پیچ اولیه اعمال می‌شود و متعاقبا نیروی محرکه القایی در سیم پیچ‌های ثاونیه LVDT به وجود می آید. با اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل بین دو سیم پیچ ثانویه موقعیت نسبی آرماتور و شیءای که به آن چسبیده می‌تواند تعیین شود. هنگامی که آرماتور کاملا در مرکز تیوب قرار دارد، نیرو محرکه القایی دو سیم پیچ یکدیگر را خنثی می‌کنند و هیچ ولتاژی در خروجی به وجود نخواهد آمد. اما هنگامی که آرماتور از موقعیت صفر خارج می شود، ولتاژ خروجی و پلاریته تغییر میکند. بنابراین دمانه ولتاژ به همراه زوایه فاز اطلاعاتی را در مورد جهت و میزان جابجایی برای ما به ارمغان می‌آرود. شکل زیر عملکرد یک LVDT را نشان می‌دهد.
این نوع سنسورهای موقعیت دقت و حساسیت بالایی دارند. در ضمن تا حد زیادی خطی می باشند همچنین این سنسورها بدون اصطکاک هستند و می توانند برای موقعیتی که ممکن است در معرض شرایط نامناسب قرار بگیرند، مجهز به حفاظ شوند.
علاوه بر LVDT ها که حرکت خطی را اندازه گیری می کنند، سنسورهایی به نام RVDT وجود دارند که می توانند حرکت دوار را تشخیص بدهند. عملکرد RVDT و LVDT تا حد زیادی به یکدیگر شباهت دارد و تنها در برخی جزئیات ساخت با یکدیگر تفاوت دارند.
سنسورهای موقعیت جریان ادی
جریان ادی (Eddy Current)، جریان‌های القایی هستند که در مواد هادی در هنگام تغییر میدان مغناطیسی به وجود می‌آیند. این جریان‌ها در حلقه‌های بسته حرکت می‌کنند و باعث ساخت میدان مغناطیسی ثانویه می‌شوند.
اگر یک سیم پیچ با عبور جریان متناوب دارای میدان مغناطیسی شود، حضور المان‌های هادی در نزدیکی سیم پیچ می‌تواند به واسطه وجود میدان مغناطیسی ثانویه که توسط جریان های ادی درست شده احساس گردد. این میدان مغناطیسی امپدانس سیم پیچ را تحت تاثیر قرار می دهد. بنابراین از تغییرات در امپدناس سیم پیچ می توان برای تعیین میزان فاصله ی شی از سیم پیچ استفاده نمود.
سنسور موقعیت جریان ادی اجسامی که هادی الکتریسیته هستند را تشخیص می دهند. اکثر سنسورهای جریان ادی به عنوان سنسور مجاورت عمل می کنند. این سنسورها به عنوان سنسور موقعیت محدودیت هایی دارند چرا که نمی توانند جهت شئی که به دامنه تشخیص سنسور وارد شده را مشخص کنند و تنها حضور یا عدم حضور شی و فاصله ی آن از سنسور را تشخیص خواهند داد.
سنسورهای موقعیت خازنی
این سنسورها با تغییراتی که در ظرفیت خازنی شان رخ می‌دهد، می‌توانند موقعیت یک شی را شناسایی کنند. خازن‌ها شامل دو صفحه جدا از هم هستند و یک ماده‌ی دی الکتریک بین صفحات قرار گرفته. 2 متد کلی وجود دارد که برای تشخیص موقعیت یک شئ، با استفاده از سنسورهای موقعیت خازنی به کار برده می شود:
- ایجاد تغییرات در ثابت دی الکتریک خازن
- ایجاد تغییرات در مساحت ناحیه همپوشانی صفحات خازن
در ابتدا شیءای که قصد داریم موقعیت آن را تعیین کنیم، باید به ماده‌ی دی الکتریک اتصال داشته باشد. با حرکت شی هدف، موقعیت دی الکتریک نسبت به صفحات خازنی تغییر می کند. هنگامی که ماده ی دی الکتریک همراه شی حرکت می کند، ضریب ثابت دی الکتریک خازن تغییر خواهد کرد و تغییراتی در میزان ظرفیت خازنی به وجود خواهد آمد که نسبت به موقعیت شی به صورت خطی تغییر می کند.
در حالت دوم، به جای چسباندن شی به ماده دی الکتریک می توان آن را به یکی از صفحات خازن چسباند. در این حالت هنگامی که شی حرکت می کند، ناحیه همپوشانی صفحات خازن تغییر می کند که باعث تغییر ظرفیت خازن خواهد شد. استفاده از اصل ظرفیت خازنی متغیر برای اندازه گیری موقعیت یک شی می تواند برای حرکت دورانی نیز به کار برده شود.
سنسورهای موقعیت با محدودسازی میدان مغناطیسی
مواد فرومغناطیسی مانند نیکل و کبالت دارای خاصیتی به نام محدودسازی مغناطیسی (Magneto Restriction) هستند که به این معناست که یک ماده سایز و حالتش را در حضور یک میدان مغناطیسی تغییر می دهد و برخی سنسورها از همین اصل برای تعیین موقعیت اجسام استفاده می کنند.
یک آهنربای متحرک به شئی که قرار است موقعیتش اندازه گیری شود متصل می شود. یک سیم نیز به سنسوری متصل می شود که در انتهای هدایت کننده موج قرار می گیرد. (پالس جریان از این سیم عبور می کند.) آهنربای موقعیت یک میدان مغناطیسی به وجود خواهد آرود که خطوط این میدان با سیم و هدایت کننده موج در یک صفحه خواهند بود. هنگامی که یک پالس جریان از هدایت کننده موج عبور می کند، یک میدان مغناطیسی در سیم به وجود می آید که با میدان مغناطیسی آهنربای دائم تداخل پیدا می کند. در نتیجه این تداخل، اعوجاجی در خطوط میدان مغناطیسی به وجود می آید که معروف به اثر Wiedemann می باشد. این اعوجاج، فشاری را به سیم وارد می کند که در نتیجه آن یک پالس ایجاد می شود که از هدایت کننده موج عبور می کند و توسط سنسوری که در انتهای هدایت کننده موج قرار گرفته احساس می شود. به وسیله ی اندازه گیری فاصله زمانی بین شروع پالس جریان و تشخیص پالس می توان موقعیت آهنربای تعیین موقعیت را به دست آرود. از آن جایی که موج از نقطه ای که آهنربای موقعیت در آن جا واقع شده به دو جهت حرکت میکند، یک سد در نقطه ی مخالف هدایت کننده موج واقع شده تا پالسی که در خلاف جهت پالس اصلی حرکت میکند را جذب کند تا با بازتاب و برخورد به سنسور سیگنال اصلی را دچار تداخل کند. شکل زیر اصول کارکرد یک سنسور موقعیت که بر اساس خاصیت محدودکنندگی میدان مغناطیسی کار می کند را نشان می دهد.
سنسورهای موقعیت محدودکننده میدان مغناطیسی برای تعیین میزان جابه جایی خطی استفاده می شود. محور قرار دارند را به دست آورد. این سنسورها، سنسورهای غیرتماسی هستند و از آن جایی که هدایت کننده موج در محفظه ای از استیل ضد زنگ قرار گرفته، می توان از آن ها در محیط های آلوده نیز استفاده نمود. به علاوه سنسورهای موقعیت، محدود کننده میدان مغناطیسی می توانند حتی در حالتی که سدی غیر مغناطیسی بین هدایت کننده موج و اهنربای موقعیت باشدعملکرد صحیحی از خود نشان دهند.
سنسورها با انواع مختلف خروجی در دسترس می باشند که شامل سنسورهای ولتاژ DC، جریان، سیگنال pwm و پالس های دیجیتال شروع -توقف می شوند.
سنسورهای موقعیت مغناطیسی اثر هال
هنگامی که از یک هادی الکتریکی مسطح و باریک جریان عبور می کند و اگر این هادی در یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد، میدان مغناطیسی حامل های باردار را تحت تاثیر قرار می دهند و باعث می شوند که حامل ها در یک قسمت هادی تجمع کنند تا تداخل میدان مغناطیسی را جبران کنند. این انتشار نامتوازن بارهای الکتریکی باعث ایجاد یک اختلاف پتانسیل در جهتی خواهد شد که مقابل جهت جریان الکتریکی است و اگر جریان در هادی روی یک مقدار ثابت نگه داشته شود، اندازه ی ولتاژ هال بیانگر قدرت میدان مغناطیسی خواهد بود.
در سنسور موقعیت هال، جسمی که قرار است موقعیتش اندازه گیری شودبه یک اهنربا متصل شده که در داخل محور سنسور واقع شده. هنگامی که شی شروع به حرکت می کند، موقعیت اهنربا نسبت به المان هال در داخل سنسور تغییر می کند و این تغییر موقعیت، قدرت میدان مغناطیسی که به المان هال اعمال شده را افزایش می دهد و این افزایش به صورت تغییری در ولتاژ هال اندازه گیری شده خودش را نشان خواهد داد. در این شرایط ولتاژ هال اندازه گیری شده نشانگر موقعیت شی خواهد بود.
سنسورهای موقعیت هال دارای فیبر اپتیک
این سنسور از یک فیبر اپتیکال به همراه گروهی از فتودتکتورها که در انتهای هر فیبر واقع شده اند استفاده می کند. یک منبع نور به شئی که قرار است موقعیتش اندازه گیری شود متصل می شود. انرژی نور به سمت یک فیبر فلوئورسنت انتقال می یابد و موقعیت شی در فیبر بازتاب می یابد که در طول فیبر منتقل خواهد شد و در انتها توسط دتکتورهای نوری تشخیص داده می شود. لگاریتم نرخ توان اندازه گیری شده اپتیک، تابعی خطی از فاصله ی شی از انتهای فیبر می باشد و بنابراین از این مقدار می توان برای به دست آوردن اطلاعات موقعیت شی استفاده نمود.
سنسورهای موقعیت نوری
سنسورهای موقعیت نوری بر اساس یکی از دو اصل زیر کار می کنند:
اولین اصل این است که نور از یک انتشار دهنده انتقال می یابد و توسط گیرنده دریافت می شود.
در حاالت دوم، سیگنال نور منتشر شده از شئی که موقعیتش قرار است اندازه گیری شود بازتابش و به سمت منبع نور حرکت می کند. یک تغییر در مشخصات نور (طول موج، شدت، فاز و پلاریته) نشان می دهد که موقعیت شی نیز دستخوش تغییر شده. این سنسورها به 4 دسته تقسیم می شوند:
- انکودرهای اپتیکال انتقالی
- انکودرهای بازتابشی اپتیکال
- انکودر اپتیکال تداخلی
- سنسورهای موقعیت اپتیکالی که دارای انکودر هستند می توانند حرکت دوار و خطی را تشخیص دهند.
سنسورهای موقعیت اولتراسوند
سنسورهای اولتراسوند همانند سنسورهای موقعیت اپتیکال یک موج صوتی با فرکانس بالا را از خود ساتع می کنند که این موج توسط یک مبدل کریستال پیزوالکتریک ساخته شده. امواج اولتراسوند (فراصوت) از شئی که قرار است موقعیت آن را بررسی کنیم بازتابش می شوند و به مبدل بازمی گردند. سپس یک سیگنال خروجی ساخته می شود. سنسورهای فراصوت می توانند به عنوان سنسورهای مجاورت نیز به کار روند. مزایای استفاده از سنسورهای موقعیت فراصوت این است که می توانند تمام مواد و سطوح مختلف را تشخیص می دهند. همچنین می توانند اشیا کوچک را از فواصل طولانی تری نسبت به دیگر سنسورهای موقعیت تشخیص دهند. در ضمن این نوع سنسورها نسبت به لرزش، نویزهای الکتریکی و الکترومغناطیسی و تششعات فروسرخ و لرزش مقاوم هستند.
ویژگی هایی که برای انتخاب سنسور موقعیت باید در نظر گرفته شوند:
پارامترهایی که عملکرد یک سنسور موقعیت را تعیین می کنند، بسته به نوع سنسور تغییر می کند. چرا که تکنولوژی ساخت و اصول کارکرد هر سنسور با سنسور دیگر تفاوت دارد. اما مواردی که می توان آن ها را در مورد تمام سنسورها تعمیم داد، در زیر آورده شده:
- برد اندازه گیری: نهایت فاصله ای که می تواند یک شی را به درستی تشخیص دهد.
- رزولوشن: کمترین میزان تغییری که می تواند توسط سنسور احساس شود.
- دقت: میزان خطای اندازه گیری چقدر می باشد.
- درستی: آیا اگر اندازه گیری و موقعیت‌یابی دوباره تکرار شود، همان نتیجه قبلی به دست خواهد آمد؟
- خطی بودن: رفتار سنسور تا چه حدی خطی خواهد بود.
دیگر مواردی که در انتخاب سنسور باید مورد توجه قرار بگیرند عبارتند از:
- سایز و اندازه‌ی سنسور
- سنسور موقعیت مطلق یا نسبی را نشان می دهد.
- بازه دمایی که در آن سنسور می تواند به درستی عمل کند.
- قابلیت سنسور برای دوام آوردن در شرایط محیطی سخت مانند آلودگی، شوک مکانیکی و لرزش
- سهولت نصب
- هزینه خرید و نصب
نمونه هایی از کاربرد سنسورهای موقعیت
سنسورهای موقعیت کاربردهای فوق العاده زیادی دارند و در اتوماسیون صنعتی به وفور از آنها استفاده می‌شود.
- به عنوان مثال، در کارواش سنسورهای موقعیت مشخص می کنند وسیله ی نقلیه در کجا قرار دارد. در این حالت، وسایل نظافت می‌توانند در زمان درست شروع به کار کنند.
به عنوان مثال، برای تمیز کردن چرخ ها؛ دستگاه‌های شوینده باید از موقعیت دقیق چرخ ها اطلاع پیدا کنند و از آن جایی که ابعاد ماشین‌ها با یکدیگر متفاوت است، سنسورهای موقعیت باید تشخیص دهند چه زمانی فرایند تمیز کردن شروع یا تمام شود تا دستگاه های مختلف کارواش بتوانند خودشان را با وسایل نقلیه متنوع تطبیق دهند و در عین حال به درستی تمام آن ها را تمیز کنند.
- همچنین از سنسورهای موقعیت برای کنترل وسایل و دستگاه‌ها استفاده می‌شود. سنسورهای القایی که حلقه‌های بزرگ سیم هستند، در داخل جاده‌ها کار گذاشته می‌شوند و از آنها برای تشخیص حضور وسایل نقلیه استفاده می‌شود. پارکینگ‌های عمومی که سیستم کنترل دسترسی دارند نیز از سنسورهای موقعیت برای بالا بردن دروازه‌ها هنگامی که ماشین ها به دروازه نزدیک می‌شوند؛ استفاده می‌کنند.
- آسانسورها از سنسورهای موقعیت برای تشخیص موقعیت اتاقک استفاده و اطمینان حاصل می کنند که اتاقک دقیقا جلوی در آسانسور قرار گرفته و سپس در را باز می کنند.
- در فرایندهای صنعتی از سنسورهای موقعیت برای اطمینان حاصل کردن از اینکه محصولات به درستی در خط تولید قرار گرفته اند استفاده می شود. ( ابتدا باید موقعیت محصول در خط تولید معین شود و سپس افشانه های رنگ به کار بیفتند.)
- درمانگاه‌هایی که از اسکنرهای MRI بهره می برند، از سنسورهای موقعیت برای اطمینان حاصل کردن از اینکه مریض در موقعیت مناسبی قرار گرفته استفاده می‌کنند.
- طراحان و مهندسان از سنسورهای موقعیت برای اندازه‌گیری پارامترهای مهم موتور استفاده می‌کنند.
- دوربین‌های امنیتی که قابلیت چرخش دارند، از سنسورهای موقعیت برای تثبیت جهت نسبی دوربین استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند که دوربین در جهت درستی قرار گرفته‌است.
