Konum Sensörü

Adlarından da anlaşılacağı gibi, Konum Sensörü bir şeyin konumunu algılar, bu da sabit bir noktaya veya konuma ya da bu noktadan referans alındıkları anlamına gelir. Bu tür sensörler “konumsal” bir geri bildirim sağlar.

Bir konumu belirlemenin bir yöntemi, kat edilen veya sabit bir noktadan uzaklaşan mesafe gibi iki nokta arasındaki mesafe olabilecek “mesafe” veya “dönme” (açısal hareket) kullanmaktır. Örneğin, zeminde kat edilen mesafeyi belirlemek için bir robot tekerleğinin dönüşü. Her iki durumda da Konum Sensörleri , bir nesnenin hareketini Doğrusal Sensörler kullanarak düz bir çizgide veya Dönme Sensörleri kullanarak açısal hareketiyle algılayabilir.

Potansiyometre

Tüm “Konum Sensörleri” içinde en yaygın kullanılanı, ucuz ve kullanımı kolay bir konum sensörü olduğu için potansiyometredir. Hareketinde açısal (döner) veya doğrusal (kaydırıcı tip) olabilen ve silecek/kaydırıcı ile iki uç bağlantı arasındaki direnç değerinin değişmesine neden olan ve elektrik sinyali vererek mekanik bir şafta bağlı bir sıyırıcı kontağı vardır. Direnç izi üzerindeki gerçek silecek konumu ile direnç değeri arasında orantılı bir ilişki vardır. Ayrıca, direnç konumla orantılıdır.

konum sensörü
Potansiyometre

Potansiyometreler, yaygın olarak bulunan yuvarlak dönüşlü tip veya daha uzun ve düz doğrusal kaydırıcı tipleri gibi çok çeşitli tasarım ve boyutlarda gelir. Konum sensörü olarak kullanıldığında, hareketli nesne doğrudan potansiyometrenin döner miline veya kaydırıcısına bağlanır.

Direnç elemanını oluşturan iki dış sabit bağlantıya bir DC referans voltajı uygulanır. Çıkış voltajı sinyali, aşağıda gösterildiği gibi kayar kontağın silecek terminalinden alınır.

Bu konfigürasyon, şaft konumu ile orantılı olan bir potansiyel veya gerilim bölücü tipi devre çıkışı üretir. Örneğin, potansiyometrenin dirençli elemanına 10v’luk bir voltaj uygularsanız, maksimum çıkış voltajı, minimum çıkış voltajı 0 volt’a eşit olacak şekilde 10 voltluk besleme voltajına eşit olacaktır. Ardından potansiyometre sileceği, çıkış sinyalini 0 ila 10 volt arasında değiştirir ve 5 volt, sileceğin veya kaydırıcının yarı yolda veya merkez konumunda olduğunu gösterir.

Potansiyometre Yapısı

konum sensörü

Potansiyometreden gelen çıkış sinyali (Vout), direnç yolu boyunca hareket ederken merkez silecek bağlantısından alınır ve milin açısal konumu ile orantılıdır.

Basit bir Konum Algılama Devresi Örneği

konum sensörü
Konum Sensörü

Dirençli potansiyometre konum sensörlerinin birçok avantajı vardır: düşük maliyetli, düşük teknolojili, kullanımı kolay vb. Konum sensörü olarak ayrıca birçok dezavantajı vardır: hareketli parçalardan kaynaklanan aşınma, düşük doğruluk, düşük tekrarlanabilirlik ve sınırlı frekans yanıtı.

Ancak potansiyometreyi konum sensörü olarak kullanmanın bir ana dezavantajı vardır. Silicisinin veya kaydırıcısının hareket aralığı (ve dolayısıyla elde edilen çıkış sinyali), kullanılan potansiyometrenin fiziksel boyutu ile sınırlıdır.

Örneğin, tek dönüşlü bir dönme potansiyometresi genellikle sadece 0o ile maksimum 240o ila 330o arasında sabit bir mekanik dönüşe sahiptir. Bununla birlikte, 3600o (10 x 360o) mekanik dönüşe kadar çok turlu potansiyometrelerde mevcuttur.

Çoğu potansiyometre türü, dirençli izleri için karbon film kullanır, ancak bu türler elektriksel olarak gürültülüdür (bir radyo ses kontrolü üzerindeki cızırtılar) ve ayrıca kısa bir mekanik ömre sahiptir.

Reostalar olarak da bilinen, düz tel veya sargılı bobin dirençli tel şeklinde tel sargılı kaplar da kullanılabilir, ancak tel sargılı modeller, silecekleri bir tel segmentinden diğerine bir logaritmik üreterek atladığından çözünürlük problemlerinden muzdariptir ( LOG) çıkışı, çıkış sinyalinde hatalara neden olur. Bunlar da elektrik gürültüsünden muzdariptir.

Yüksek hassasiyetli düşük gürültülü uygulamalar için iletken plastik dirençli eleman tipi polimer film veya sermet tipi potansiyometreler mevcuttur. Bu modeller, onlara düşük gürültü, uzun ömür ve mükemmel çözünürlük sağlayan pürüzsüz, düşük sürtünmeli elektriksel olarak doğrusal (LIN) dirençli bir yola sahiptir ve hem çok dönüşlü hem de tek dönüşlü cihazlar olarak mevcuttur. Bu tür yüksek hassasiyetli konum sensörlerinin tipik uygulamaları bilgisayar oyun kumandaları, direksiyonlar, endüstriyel ve robot uygulamalarıdır.

Endüktif Konum Sensörleri

Doğrusal Değişken Diferansiyel Trafo

Mekanik aşınma problemlerinden etkilenmeyen bir konumsal sensör olan, “Doğrusal Değişken Diferansiyel Transformatör” veya kısaca LVDT’dir. Bu, hareketi ölçmek için kullanılan AC trafosu ile aynı prensipte çalışan endüktif tip bir konum sensörüdür. Doğrusal yer değiştirmeyi ölçmek için çok hassas bir cihazdır ve çıkışı, hareketli çekirdeğinin konumu ile orantılıdır.

Temel olarak, biri birincil bobini oluşturan içi boş bir birine sarılmış üç bobinden ve diğer iki bobinden, seri olarak elektriksel olarak birbirine bağlanmış, ancak birincil bobinin her iki tarafındaki fazdan 180o çıkan özdeş ikincilleri oluşturan üç bobinden oluşur.

LVDT’nin boru şeklindeki gövdesi içinde, ölçülen nesneye bağlı, kayar veya yukarı ve aşağı hareket eden hareketli bir demir ferromanyetik çekirdek armatür olarak adlandırılır.

Birincil sargıya “uyarma sinyali” (2 – 20V rms, 2 – 20kHz) adı verilen küçük bir AC referans voltajı uygulanır ve bu da iki bitişik sekonder sargıya bir EMF sinyalini indükler.

Demir manyetik çekirdek armatürü tam olarak tüpün merkezindeyse ve sargılar “boş konumda” ise, iki sekonder sargıdaki iki indüklenen emk, 180 o faz dışı oldukları için birbirini iptal eder , dolayısıyla ortaya çıkan çıkış gerilim sıfırdır. Çekirdek bu sıfır konumundan hafifçe bir tarafa veya diğerine kaydırıldığında, sekonderlerden birinde indüklenen voltaj diğer sekonderden daha büyük olacak ve bir çıkış üretilecektir.

Çıkış sinyalinin polaritesi, hareketli çekirdeğin yönüne ve yer değiştirmesine bağlıdır. Demir çekirdeğin merkezi boş konumundan hareketi ne kadar büyük olursa, sonuçta ortaya çıkan çıkış sinyali o kadar büyük olacaktır. Sonuç, çekirdek konumuyla doğrusal olarak değişen bir diferansiyel voltaj çıkışıdır. Bu nedenle, bu tip konum sensöründen gelen çıkış sinyali, hem çekirdek yer değiştirmesinin doğrusal bir fonksiyonu olan bir genliğe hem de hareket yönünü gösteren bir polariteye sahiptir.

Çıkış sinyalinin fazı, AD592 LVDT Sensör Amplifikatörü gibi uygun elektronik devrelerin manyetik çekirdeğin bobinin hangi yarısında olduğunu bilmesini ve dolayısıyla hareket yönünü bilmesini sağlayan birincil bobin uyarma fazıyla karşılaştırılabilir.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör

konum sensörü

Armatür orta konumdan bir uçtan diğerine hareket ettirildiğinde, çıkış voltajları maksimumdan sıfıra ve tekrar maksimuma döner, ancak bu süreçte faz açısı 180 derece değişir. Bu, LVDT’nin büyüklüğü merkez konumdan hareket miktarını temsil eden ve faz açısı çekirdeğin hareket yönünü temsil eden bir AC çıkış sinyali üretmesini sağlar.

Bir doğrusal değişken diferansiyel transformatör (LVDT) sensörünün tipik bir uygulaması, ölçülen basıncın bir kuvvet üretmek için bir diyaframa karşı itmesi durumunda, bir basınç transdüseri olarak olacaktır. Kuvvet daha sonra sensör tarafından okunabilir bir voltaj sinyaline dönüştürülür.

Dirençli bir potansiyometreye kıyasla doğrusal değişken diferansiyel transformatörün veya LVDT’nin avantajları, doğrusallığının, yani yer değiştirmeye voltaj çıkışının mükemmel, çok iyi doğruluk, iyi çözünürlük, yüksek hassasiyet ve ayrıca sürtünmesiz çalışma olmasıdır.

Endüktif Yakınlık Sensörleri

Yaygın olarak kullanılan bir başka endüktif konum sensörü türü, Girdap akımı sensörü olarak da adlandırılan Endüktif Yakınlık Sensörüdür. Aslında yer değiştirmeyi veya açısal dönüşü ölçmeseler de, esas olarak önlerinde veya yakınlarda bir nesnenin varlığını tespit etmek için kullanılırlar, bu nedenle “yakınlık sensörü” olarak adlandırılırlar.

Yakınlık sensörleri, algılama için manyetik alan kullanan temassız konum sensörleridir ve en basit manyetik sensör reed anahtarıdır. Endüktif bir sensörde, bir endüktif döngü oluşturmak için bir elektromanyetik alan içinde bir demir çekirdeğin etrafına bir bobin sarılır.

Bir ferromanyetik metal plaka veya metal vida gibi endüktif sensör etrafında oluşturulan girdap akımı alanına bir ferromanyetik malzeme yerleştirildiğinde, bobinin endüktansı önemli ölçüde değişir. Yakınlık sensörleri algılama devresi, bir çıkış voltajı üreten bu değişikliği algılar. Bu nedenle, endüktif yaklaşım sensörleri, Faraday’ın endüktans Yasasının elektrik prensibi altında çalışır .

Endüktif Yakınlık Sensörleri

konum sensörü

Endüktif yakınlık sensörünün dört ana bileşeni vardır; Osilatör elektromanyetik alan yaratır, bobin bir manyetik alan oluşturur, algılama devresi bir amacı bu ve girdiğinde alanın herhangi bir değişiklik tespiti için kullanılır, çıkış olarak NO(normalde açık) ve NC(normalde kapalı) pinleri vardır.

Endüktif yakınlık sensörleri, nesnenin kendisiyle herhangi bir fiziksel temas algılanmadan sensör kafasının önündeki metalik nesnelerin algılanmasını sağlar. Bu, onları kirli veya ıslak ortamlarda kullanım için ideal hale getirir. Yakınlık sensörlerinin “algılama” aralığı çok küçüktür, tipik olarak 0,1 mm ila 12 mm.

konum sensörü
Yakınlık Sensörü

Endüstriyel uygulamaların yanı sıra, endüktif yaklaşım sensörleri, kavşaklarda trafik ışıklarını değiştirerek trafik akışını kontrol etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Dikdörtgen endüktif tel halkaları asfalt yol yüzeyine gömülür.

Bir araba veya başka bir karayolu aracı bu endüktif döngünün üzerinden geçtiğinde, aracın metalik gövdesi döngülerin endüktansını değiştirir ve sensörü etkinleştirerek trafik ışıkları denetleyicisini bekleyen bir araç olduğu konusunda uyarır.

Bu tip konum sensörlerinin bir ana dezavantajı, “Çok yönlü” olmalarıdır, yani üstünde, altında veya yanında metalik bir nesneyi algılayacaklardır. Ayrıca Kapasitif Yakınlık Sensörleri ve Ultrasonik Yakınlık Sensörleri mevcut olmasına rağmen metal olmayan nesneleri algılamazlar. Yaygın olarak bulunan diğer manyetik konum sensörleri şunları içerir: reed anahtarları, Hall Etkisi Sensörleri ve değişken relüktans sensörleri.

Döner Kodlayıcılar

Döner Kodlayıcılar, daha önce bahsedilen potansiyometrelere benzeyen ancak dönen bir şaftın açısal konumunu analog veya dijital veri koduna dönüştürmek için kullanılan temassız optik cihazlar olan başka bir konum sensörü türüdür. Başka bir deyişle, mekanik hareketi bir elektrik sinyaline (tercihen dijital) dönüştürürler.

Tüm optik kodlayıcılar aynı temel prensipte çalışır. Bir LED veya kızıl ötesi ışık kaynağından gelen ışık, ikili, gri kod veya BCD gibi gerekli kod modellerini içeren dönen yüksek çözünürlüklü kodlanmış bir diskten geçirilir. Fotoğraf dedektörleri diski dönerken tarar ve bir elektronik devre, bilgiyi, milin gerçek açısal konumunu belirleyen sayaçlara veya kontrolörlere beslenen ikili çıkış darbeleri akışı olarak dijital bir forma dönüştürür.

İki temel döner optik kodlayıcı türü vardır, Artımlı Kodlayıcılar ve Mutlak Konum Kodlayıcılar.

Artımlı Kodlayıcı

konum sensörü
Enkoder Diski

Dörtlü kodlayıcılar veya bağıl döner kodlayıcı olarak da bilinen Artımlı Kodlayıcılar, iki konum sensörünün en basitidir. Çıktıları, yüzeyinde segmentler olarak adlandırılan eşit aralıklı şeffaf ve koyu çizgilerle, ışık kaynağının yanında hareket eden veya dönen kodlanmış disk olarak bir fotosel düzenlemesi tarafından üretilen bir dizi kare dalga darbesidir. Kodlayıcı, sayıldığında dönen milin açısal konumunu gösteren bir kare dalga darbeleri akışı üretir.

Artımlı kodlayıcıların “dörtlü çıktılar” olarak adlandırılan iki ayrı çıktısı vardır. Bu iki çıkış , çıkış sekansından şaftın dönüş yönü belirlenerek birbirinden faz dışı olarak 90 o yer değiştirir.

Diskteki saydam ve karanlık bölümlerin veya yuvaların sayısı aygıtın çözünürlüğünü belirler ve desendeki çizgilerin sayısını artırmak, dönme derecesi başına çözünürlüğü artırır. Tipik kodlanmış diskler, dönüş başına 256 darbeye veya 8 bit çözünürlüğe sahiptir.

En basit artımlı kodlayıcıya takometre denir. Tek bir kare dalga çıkışına sahiptir ve genellikle yalnızca temel konum veya hız bilgilerinin gerekli olduğu tek yönlü uygulamalarda kullanılır. “Dörtlü” veya “Sinüs dalgası” kodlayıcı daha yaygındır ve genellikle kanal A ve kanal B olarak adlandırılan iki çıkış kare dalgaya sahiptir. Bu cihaz, birbirinden hafifçe 90 o ofset olan iki foto detektör kullanır, böylece iki ayrı sinüs ve kosinüs çıkış sinyali üretir.

Basit Artımlı Kodlayıcı

konum sensörü

Teğet ark matematiksel fonksiyonu kullanılarak milin radyan cinsinden açısı hesaplanabilir. Genel olarak, döner konumlu kodlayıcılarda kullanılan optik disk daireseldir, daha sonra çıkışın çözünürlüğü şu şekilde verilecektir: θ = 360/n, burada n kodlanmış diskteki segment sayısına eşittir.

Daha sonra, örneğin, artımlı kodlayıcıya 1o çözünürlük vermek için gereken segment sayısı: 1o = 360/n, dolayısıyla n = 360 pencere(segment) vb. olacaktır. Ayrıca dönme yönü, hangi kanalın önce bir çıkış ürettiğine dikkat edilerek belirlenir, kanal A veya kanal B iki dönüş yönü verir.

Artımlı Enkoder Çıkışı

konum sensörü

Artımlı enkoderlerin konum sensörü olarak kullanıldıklarında bir ana dezavantajı, belirli bir dönüş içinde şaftın mutlak açısını belirlemek için harici sayaçlara ihtiyaç duymalarıdır. Güç anlık olarak kesilirse veya enkoder gürültü veya kirli disk nedeniyle bir darbeyi kaçırırsa, sonuçta ortaya çıkan açısal bilgi bir hata üretecektir. Bu dezavantajın üstesinden gelmenin bir yolu, mutlak konum kodlayıcıları kullanmaktır.

Mutlak Konum Kodlayıcı

Mutlak Konum Kodlayıcılar, karesel kodlayıcılardan daha karmaşıktır. Hem konumu hem de yönü gösteren her bir dönüş konumu için benzersiz bir çıkış kodu sağlarlar. Kodlanmış diskleri, açık ve koyu bölümlerden oluşan çok sayıda eş merkezli “iz”den oluşur. Her iz, her hareket açısı için benzersiz bir kodlanmış konum değerini aynı anda okumak için kendi foto dedektöründen bağımsızdır. Diskteki parça sayısı, kodlayıcının ikili “bit” çözünürlüğüne karşılık gelir, bu nedenle 12 bitlik bir mutlak kodlayıcı 12 parçaya sahip olur ve aynı kodlanmış değer devir başına yalnızca bir kez görünür.

4-bit İkili Kodlu Disk

konum sensörü

Mutlak kodlayıcının ana avantajlarından biri, güç kesilirse “ana” konuma dönmeye gerek kalmadan kodlayıcının tam konumunu koruyan kalıcı belleğidir. Döner kodlayıcıların çoğu “tek dönüşlü” cihazlar olarak tanımlanır, ancak ekstra kod diskleri ekleyerek birkaç devirde geri bildirim alan mutlak çok dönüşlü cihazlar mevcuttur.

Mutlak konum kodlayıcıların tipik uygulaması, bilgisayar sabit sürücülerinde ve CD/DVD sürücülerinde, sürücülerin mutlak konumu, okuma/yazma kafalarının izlendiği veya baskı kafalarını kağıt üzerinde doğru bir şekilde konumlandırmak için yazıcılarda/çizicilerde bulunur.

Konum Sensörleri hakkındaki bu eğitimde, nesnelerin konumunu veya varlığını ölçmek için kullanılabilecek birkaç sensör örneğine baktık. Bir sonraki eğitimde, termistörler, termostatlar ve termokuplörler gibi sıcaklığı ölçmek için kullanılan ve bu nedenle genellikle Sıcaklık Sensörleri olarak bilinen sensörlere bakacağız.