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.
Central Tracking Units (центральный блок слежения) компании Cambridge IC 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.
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.
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.
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.
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 Cambridge IC 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
|
Cambridge IC
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
|
Cambridge IC
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
|
