Датчик для бесконтактного измерения положения объекта

Для измерения положения придумали множество решений - потенциометры, энкодеры, LVDT-датчики… Каждое из решений имеет свои преимущества и недостатки. Компания Cambridge IC предложила свое решение, позволяющее легко изготовить линейный или угловой датчик перемещений с широким набором измеряемых параметров.

Обзор технологии

Резонансно-индуктивная технология измерения положения используется для точного измерения положения цели без механического или электрического контакта. Положение цели измеряется с помощью датчика, выполненного по традиционной технологии изготовления печатных плат. Цель содержит электрический резонатор, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Электронная система обработки взаимодействует с датчиком для питания резонатора и обнаружения сигналов, которые он возвращает. Обнаруженные амплитуды этих сигналов обрабатываются для вычисления позиции.

Resonant inductive position sensor system block diagram

Central Tracking Units (центральный блок слежения) компании CambridgeIC является однокристальным обрабатывающим решением, позволяющим встраивать бесконтактные датчики положения с наименьшими усилиями, недорогие качественные продукты.

Дизайн датчиков

CambridgeIC разработала ряд стандартных датчиков, в том числе угловые и линейные различных типов и размеров. Они строятся с использованием традиционной технологии изготовления печатной платы (PCB). CambridgeIC предоставляет чертежи датчиков, чтобы позволить разработчику создавать их у собственного поставщика печатных плат и проектировать печатные платы, которые сочетают один или несколько датчиков. Датчики также доступны в виде готовых печатных плат, собранных с модульными разъемами для разработки и мелкосерийного производства.

Датчики первого типа являются самыми простыми и содержат 3 катушки. Для питания резонатора используется обмотка возбуждения (EX), а принимаемые сигналы детектируются на синусной (SIN) и косинусной (COS) катушках. На рисунке ниже показана схема датчика в сочетании с резонатором внутри цели.


Resonant inductive position sensor block diagram

На рисунке ниже показан упрощенный дизайн бесконтактного датчика линейного положения. Бесконтактные вращающиеся датчики используют аналогичный принцип работы: катушки в них расположены по окружности. Катушка возбуждения окружает две измерительные катушки датчика. Как показано на графике внизу, ее коэффициент связи в резонаторе является приблизительно постоянным, так что резонатор всегда работает, когда находится в пределах диапазона измерения. COS и SIN катушки структурированы, поэтому их факторы связи с резонаторами kCOS и kSIN синусоидально изменяются в диапазоне измерений. Такой подход широко используется в дифференциальных трансформаторах для измерения линейных (LVDT) и угловых (RVDT) перемещений и резольверами (вращающимися трансформаторами). Катушки датчика сбалансированы (у них есть участки, намотанные в противоположных направлениях), поэтому не восприимчивы к индуктивным помехам.


Sensor coil pattern and coupling factors


Датчики второго типа используют большее количество катушек для точных измерений на больших расстояниях.

Датчики третьего типа имеют особый порядок расположения катушек, что позволяет магнитной оси цели находиться вдоль измеряемого направления.

Вычисление положения

Расчет положения осуществляется автоматически внутри чипа CambridgeIC’s CTU. Для определения местоположения используются логометрические вычисления, исключающие влияние добротности, напряжения питания и разброс характеристик электронных компонентов.

Катушки датчиков первого типа сконфигурированы производить SIN/COS изменение фактора связи с изменением положения. Вычисление положения (Pr на рисунке ниже) равнозначно вычислению фазы угла и выполняется по четырехквадрантному арктангенсу.


Sensor position calculation

Диаграммы работы

CTU чипы CambridgeIC генерируют управляющий сигнал, который используется для индуктивного питания резонатора внутри цели, и схемы обнаружения для измерения уровней отраженных сигналов от того, какие факторы связи определяются.

CTU чипы используют эхоимпульсный метод, в котором сигнала применяется для питания резонатора и затем отключается для измерений. Этот подход минимизирует ошибки, связанные с прямой связью от катушки возбуждения к датчику, в том числе любых соединительных проводов, которые могут быть использованы.


Pulse echo measurement sequence

CTU чипы обнаруживают частоту резонатора и постоянно корректируют свою рабочую частоту, чтобы соответствовать частоте резонатора для оптимального уровня сигнала.

Сравнение технологий

Следующие таблицы иллюстрируют сравнение резонансно-индуктивного измерения CambridgeIC с другими технологиями. Параметры выбираются из их важности в типовых решениях при массовом производстве, требующих точного встроенного датчика.

Сравнение способов абсолютного измерения углового положения

 

Потенциометр

Энкодер на эффекте Холла

Оптический энкодер

RVDT

CambridgeIC resonant inductive

Долговечность

x

v

v

v

v

Работа в грязи и пыли без уплотнительных колец

x

v

x

v

v

Устойчивость к несоосности

x

x

x

x

v

Работа на больших зазорах

x

x

x

x

v

Многоосевое измерение

x

x

x

x

v

Сравнение способов абсолютного измерения линейного положения

 

Потенциометр

Магнито-стрикционный

Оптический энкодер

LVDT

CambridgeIC resonant inductive

Долговечность

x

v

v

v

v

Работа в грязи и пыли без уплотнительных колец

x

x

x

v

v

Устойчивость к несоосности

x

v

x

x

v

Работа на больших зазорах

x

x

x

x

v

Короткие неактивные зоны

v

x

v

x

v

Многоосевое измерение

x

x

x

x

v

 

Производитель: Cambridge Integrated Circuits Ltd
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
150mm Linear Sensor Assembly. 10mm wide 013-0013
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 1867949 ИНФО PDF
660,44
Поиск
предложений
Стандартная мишень для датчика позиционирования
150mm Linear Sensor Assembly. 10mm wide 013-0013 660,44
-
Поиск
предложений
300mm Linear Sensor Assembly 013-0019
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 1867955 ИНФО PDF
2144,58
Поиск
предложений
Плата линейного датчика положения, 50 мм
300mm Linear Sensor Assembly 013-0019 2144,58
-
Поиск
предложений
36mm Rotary Sensor Assembly 013-0012
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 1867957 ИНФО PDF
2412,29
Поиск
предложений
Плата датчика угла поворота, диаметр 36 мм.
36mm Rotary Sensor Assembly 013-0012 2412,29
-
Поиск
предложений
CAM204 CTU DEV.-KIT 013-7002
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 1869168
Поиск
предложений
CAM204 CTU DEV.-KIT 013-7002
-
Поиск
предложений
STANDARD TARGET 013-1005
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 1869171
Поиск
предложений
STANDARD TARGET 013-1005
-
Поиск
предложений
CAM502BE-0003
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 2121488 ИНФО PDF
2702,05
Поиск
предложений
Миниатюрный индуктивно-резонансный датчик, позволяющий производить измерения с разрешением до 18 бит при частоте до 5100 изм/сек. Задержка от начала измерений до готовности к передаче данных в управляющий контроллер составляет 140 мкс. Связь с контроллером осуществляется с помощью быстродействующего SPI (до 10 Мбит/с). Корпус 28-QFN 6x6x0,9 мм.
CAM502BE-0003 2702,05
-
Поиск
предложений
CAM502 Development Board
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 2121489 ИНФО PDF
29188,66
Поиск
предложений
Печатная плата, на которой размещена микросхема CAM502 и к которой подключаются как платы линейных датчиков Type 2, так и платы датчиков вращения Type 6.
CAM502 Development Board 29188,66
-
Поиск
предложений
50mm Linear Sensor Assembly 013-0008
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 3095575 ИНФО PDF
2144,58
Поиск
предложений
Плата линейного датчика положения, 300 мм
50mm Linear Sensor Assembly 013-0008 2144,58
-
Поиск
предложений
CAM204BE
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 3095647 ИНФО PDF
1651,83
Поиск
предложений
Контроллер для создания бесконтактно-индуктивного датчика положения
CAM204BE 1651,83
-
Поиск
предложений
Type 1 CAM204 Dev Board 013-5006
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 3095976 ИНФО PDF
18092,14
Поиск
предложений
Отладочная плата для подключения до 4 датчиков типа 1
Type 1 CAM204 Dev Board 013-5006 18092,14
-
Поиск
предложений
Type 3-4 CAM204 Dev Board 013-5029
Cambridge Integrated Circuits Ltd
Арт.: 3095977 ИНФО PDF
13485,27
Поиск
предложений
Отладочная плата для подключения 2 датчиков 4 типа или одного датчика 3 типа
Type 3-4 CAM204 Dev Board 013-5029 13485,27
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()