การตรวจจับตำแหน่งเป็นฟังก์ชันสำคัญในแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย ตั้งแต่โซ่ขับเคลื่อนของหุ่นยนต์ไปจนถึงสายพานลำเลียงในการดำเนินการห่วงโซ่อุปทาน ไปจนถึงการแกว่งของเสากังหันลม การตรวจจับตำแหน่งสามารถทำได้หลายรูปแบบ เช่น เซ็นเซอร์เชิงเส้น เซ็นเซอร์หมุน เซ็นเซอร์เชิงมุม เซ็นเซอร์สัมบูรณ์ เซ็นเซอร์เชิงเพิ่ม เซ็นเซอร์สัมผัส เซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัส เซ็นเซอร์เฉพาะทางได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อตรวจจับตำแหน่งในสามมิติ เทคโนโลยีการตรวจจับตำแหน่ง ได้แก่ โพเทนชิโอเมตริก เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำ เซ็นเซอร์กระแสวน เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟ เซ็นเซอร์แมกนีโตสตริกทีฟ เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์ ไฟเบอร์ออปติก เซ็นเซอร์ออปติคัล และเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

คำถามที่พบบ่อยนี้จะสรุปประเภทต่างๆ ของเซ็นเซอร์ตำแหน่ง จากนั้นจะทบทวนเทคโนโลยีต่างๆ ที่นักออกแบบสามารถเลือกใช้ได้เมื่อนำโซลูชันเซ็นเซอร์ตำแหน่งไปใช้

มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกเซ็นเซอร์ตำแหน่ง ตัวอย่างบางส่วนได้แก่:

• การวัดตำแหน่งอาจเป็นแบบเส้นตรง หมุน หรือเชิงมุม และสามารถเป็นแบบคงที่หรือแบบไดนามิก (วัดความเร็วและ/หรือความเร่ง)
• โดยทั่วไปเซนเซอร์เชิงเส้นจะจำกัดอยู่ที่ช่วงการวัดที่เฉพาะเจาะจง ในขณะที่เซนเซอร์แบบหมุนมักจะให้การวัดเป็นการหมุนหรือองศา
• เซ็นเซอร์เหล่านี้อาจใช้เทคโนโลยีแบบสัมผัสหรือไร้สัมผัส เซ็นเซอร์แบบสัมผัสมักจะมีราคาถูกกว่า ในขณะที่เซ็นเซอร์แบบไร้สัมผัสมักจะเชื่อถือได้มากกว่า
• เครื่องวิเคราะห์นี้เป็นเซ็นเซอร์การหมุนแบบไม่สัมผัสโดยเฉพาะ ซึ่งสามารถให้ข้อมูลตอบรับทั้งตำแหน่งและความเร็วได้
• เซนเซอร์บางตัวให้การวัดแบบเพิ่มทีละจุดเท่านั้น ในขณะที่เซนเซอร์บางตัวให้ข้อมูลตำแหน่งสัมบูรณ์สัมพันธ์กับจุดอ้างอิงเฉพาะ

เซนเซอร์ตำแหน่งโพเทนชิโอเมตริก

เซ็นเซอร์วัดตำแหน่งแบบโพเทนชิโอเมตริกเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตัวต้านทาน โดยจะรวมรางความต้านทานคงที่เข้ากับที่ปัดน้ำฝนที่ติดอยู่กับวัตถุที่ต้องการตรวจจับตำแหน่ง การเคลื่อนที่ของวัตถุจะเลื่อนที่ปัดน้ำฝนไปตามราง ตำแหน่งของวัตถุจะถูกวัดโดยใช้แรงดันไฟฟ้า DC คงที่โดยใช้รางและที่ปัดน้ำฝนเพื่อสร้างเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าเพื่อวัดการเคลื่อนที่เชิงเส้นหรือการหมุน (รูปที่ 1) เซ็นเซอร์แบบโพเทนชิโอเมตริกมีต้นทุนต่ำแต่บ่อยครั้งที่มีความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำต่ำ

รูปที่ 1: เซนเซอร์ตำแหน่งตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าได้รับการออกแบบมาเพื่อวัดการเคลื่อนที่แบบวงกลม (ซ้าย) หรือการเคลื่อนที่แบบเส้นตรง (ขวา)

เซ็นเซอร์ตำแหน่งเหนี่ยวนำ

เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบเหนี่ยวนำใช้การเปลี่ยนแปลงในลักษณะเฉพาะของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในขดลวดเซ็นเซอร์ โดยสามารถวัดตำแหน่งเชิงเส้นหรือการหมุนได้ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบหม้อแปลงเชิงอนุพันธ์เชิงเส้น (LVDT) ใช้ขดลวดสามขดลวดที่พันบนท่อกลวง ขดลวดปฐมภูมิหนึ่งขดลวดและขดลวดทุติยภูมิสองขดลวด ขดลวดเชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยที่ความสัมพันธ์ของเฟสของขดลวดทุติยภูมิจะต่างเฟสกับขดลวดปฐมภูมิ 180° แกนเฟอร์โรแมกเนติกที่เรียกว่าอาร์เมเจอร์จะถูกวางไว้ภายในท่อและเชื่อมต่อกับวัตถุที่ต้องการวัดตำแหน่ง แรงดันไฟฟ้ากระตุ้นจะถูกนำไปใช้กับขดลวดปฐมภูมิ ทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (EMF) ในขดลวดทุติยภูมิ การวัดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างขดลวดทุติยภูมิทำให้สามารถระบุตำแหน่งสัมพันธ์ของอาร์เมเจอร์และวัตถุที่อาร์เมเจอร์ติดอยู่ได้ หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าเชิงอนุพันธ์แบบหมุน (RVDT) ใช้เทคโนโลยีเดียวกันในการติดตามตำแหน่งการหมุน เซ็นเซอร์ LVDT และ RVDT ให้ความแม่นยำสูง ความเป็นเส้นตรง ความละเอียด และความไวสูง เซ็นเซอร์เหล่านี้ไม่มีแรงเสียดทานและสามารถปิดผนึกเพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้

เซ็นเซอร์ตำแหน่งกระแสวน

เซ็นเซอร์ตำแหน่งกระแสน้ำวนทำงานกับวัตถุที่มีตัวนำ กระแสน้ำวนคือกระแสเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในวัสดุที่มีตัวนำเมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง กระแสเหล่านี้ไหลในวงจรปิดและสร้างสนามแม่เหล็กทุติยภูมิ เซ็นเซอร์กระแสน้ำวนประกอบด้วยขดลวดและวงจรเชิงเส้น กระแสไฟฟ้าสลับจ่ายพลังงานให้กับขดลวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กปฐมภูมิ เมื่อวัตถุเคลื่อนเข้าใกล้หรือออกห่างจากขดลวดมากขึ้น ตำแหน่งของวัตถุสามารถรับรู้ได้โดยใช้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามทุติยภูมิที่เกิดจากกระแสน้ำวนกับอิมพีแดนซ์ของขดลวด เมื่อวัตถุเข้าใกล้ขดลวดมากขึ้น การสูญเสียกระแสน้ำวนจะเพิ่มขึ้นและแรงดันไฟฟ้าที่แกว่งจะน้อยลง (รูปที่ 2) แรงดันไฟฟ้าที่แกว่งจะถูกปรับและประมวลผลผ่านวงจรเชิงเส้นเพื่อสร้างเอาต์พุต DC เชิงเส้นตามสัดส่วนของระยะห่างจากวัตถุ

รูปที่ 2: เมื่อเป้าหมายเข้าใกล้เซ็นเซอร์ (ซ้าย) การสูญเสียกระแสวนจะเพิ่มขึ้นและแอมพลิจูดการแกว่งจะลดลง (ขวา)

อุปกรณ์กระแสน้ำวนเป็นอุปกรณ์ที่ทนทานและไม่ต้องสัมผัส และมักใช้เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับระยะใกล้ อุปกรณ์นี้สามารถตรวจจับได้รอบทิศทางและสามารถระบุระยะห่างสัมพันธ์กับวัตถุได้ แต่ไม่สามารถระบุทิศทางหรือระยะห่างที่แน่นอนไปยังวัตถุได้

เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบเก็บประจุไฟฟ้า

ตามชื่อ เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบเก็บประจุจะวัดการเปลี่ยนแปลงของความจุเพื่อระบุตำแหน่งของวัตถุที่ตรวจจับ เซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสเหล่านี้สามารถวัดตำแหน่งเชิงเส้นหรือการหมุนได้ เซ็นเซอร์ประกอบด้วยแผ่นสองแผ่นที่คั่นด้วยวัสดุไดอิเล็กตริก และใช้หนึ่งในสองวิธีในการตรวจจับตำแหน่งของวัตถุ:

• การเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวเก็บประจุ
• การเปลี่ยนแปลงพื้นที่ทับซ้อนของแผ่นตัวเก็บประจุ

เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในค่าคงที่ไดอิเล็กตริก วัตถุที่ต้องการตรวจจับตำแหน่งจะถูกยึดเข้ากับวัสดุไดอิเล็กตริก เมื่อวัสดุไดอิเล็กตริกเคลื่อนที่ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากการรวมกันของการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่ของวัสดุไดอิเล็กตริกและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของอากาศ อีกวิธีหนึ่งคือ วัตถุอาจถูกยึดเข้ากับแผ่นตัวเก็บประจุแผ่นใดแผ่นหนึ่ง เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ แผ่นจะเคลื่อนเข้าใกล้หรือห่างกันมากขึ้น และการเปลี่ยนแปลงของความจุจะถูกใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งสัมพันธ์

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟสามารถวัดการเคลื่อนที่ ระยะทาง ตำแหน่ง และความหนาของวัตถุได้ เนื่องจากเซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟมีความเสถียรของสัญญาณและความละเอียดสูง จึงใช้เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟในห้องปฏิบัติการและสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟใช้ในการวัดความหนาของฟิล์มและทากาวในกระบวนการอัตโนมัติ ในเครื่องจักรทางอุตสาหกรรม เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟใช้ในการตรวจสอบการเคลื่อนที่และตำแหน่งของเครื่องมือ

เซนเซอร์ตำแหน่งแมกนีโตสตริกทีฟ

Magnetostriction เป็นคุณสมบัติของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกที่ทำให้วัสดุเปลี่ยนขนาดหรือรูปร่างเมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็ก ในเซ็นเซอร์ตำแหน่งแมกเนโตสตริกทีฟ แม่เหล็กตำแหน่งที่เคลื่อนที่ได้จะติดอยู่กับวัตถุที่ต้องการวัด แม่เหล็กประกอบด้วยท่อนำคลื่นซึ่งประกอบด้วยตัวนำที่ส่งพัลส์กระแสไฟฟ้าผ่าน โดยเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ที่อยู่ที่ปลายท่อนำคลื่น (รูปที่ 3) เมื่อส่งพัลส์กระแสไฟฟ้าไปตามท่อนำคลื่น สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นในตัวนำที่โต้ตอบกับสนามแม่เหล็กแนวแกนของแม่เหล็กถาวร (แม่เหล็กในลูกสูบกระบอกสูบ ในรูปที่ 3a) ปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กเป็นผลจากการบิด (ผลของ Wiedemann) ซึ่งทำให้ตัวนำเสียรูป ทำให้เกิดพัลส์เสียงที่เดินทางไปตามท่อนำคลื่นและจะถูกตรวจจับโดยเซ็นเซอร์ที่ปลายท่อนำคลื่น (รูปที่ 3b) โดยการวัดเวลาที่ผ่านไประหว่างจุดเริ่มต้นของพัลส์กระแสไฟฟ้าและการตรวจจับพัลส์เสียง จะสามารถวัดตำแหน่งสัมพันธ์ของแม่เหล็กตำแหน่งและวัตถุได้ (รูปที่ 3c)

รูปที่ 3: เทคโนโลยีแมกนีโตสตริกทีฟสร้างเซนเซอร์ตำแหน่งแบบไม่สัมผัสที่มีความแม่นยำสูงโดยไม่ทำให้ส่วนประกอบเซนเซอร์สึกหรอ

เซ็นเซอร์ตำแหน่งแมกนีโตสตริกทีฟเป็นเซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสและใช้ในการตรวจจับตำแหน่งเชิงเส้น ท่อนำคลื่นมักบรรจุอยู่ในท่อสแตนเลสหรืออลูมิเนียม ทำให้สามารถใช้เซ็นเซอร์เหล่านี้ในสภาพแวดล้อมที่สกปรกหรือเปียกได้

เซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์

เมื่อนำลวดแบนบางๆ ไปวางในสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดจะมีแนวโน้มที่จะสะสมตัวที่ด้านใดด้านหนึ่งของลวด ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าฮอลล์ หากกระแสไฟฟ้าในลวดคงที่ ขนาดของแรงดันไฟฟ้าฮอลล์จะสะท้อนถึงความแรงของสนามแม่เหล็ก ในเซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์ วัตถุจะเชื่อมต่อกับแม่เหล็กที่วางอยู่ในแกนเซ็นเซอร์ ขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ ตำแหน่งของแม่เหล็กจะเปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับองค์ประกอบฮอลล์ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าฮอลล์ที่เปลี่ยนแปลงไป การวัดแรงดันไฟฟ้าฮอลล์ทำให้สามารถระบุตำแหน่งของวัตถุได้ มีเซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์เฉพาะทางที่สามารถระบุตำแหน่งในสามมิติได้ (รูปที่ 4) เซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์เป็นอุปกรณ์ที่ไม่ต้องสัมผัส ให้ความน่าเชื่อถือสูงและตรวจจับได้รวดเร็ว และสามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้ในผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภค อุตสาหกรรม ยานยนต์ และการแพทย์หลากหลายประเภท

รูปที่ 4: เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์เฉพาะสามารถระบุตำแหน่ง 3 มิติได้แล้ว

เซ็นเซอร์ตำแหน่งไฟเบอร์ออปติก

เซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกมี 2 ประเภทหลักๆ ในเซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกแบบภายใน ไฟเบอร์ออปติกถูกใช้เป็นองค์ประกอบการตรวจจับ ในเซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกแบบภายนอก ไฟเบอร์ออปติกจะถูกผสมผสานเข้ากับเทคโนโลยีการตรวจจับอื่นๆ เพื่อถ่ายทอดสัญญาณไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระยะไกลเพื่อประมวลผล ในกรณีของการวัดตำแหน่งไฟเบอร์ออปติกแบบภายใน ความล่าช้าของเวลาสามารถกำหนดได้โดยใช้เครื่องมือ เช่น รีเฟลกโตมิเตอร์โดเมนเวลาแบบออปติก การเลื่อนความยาวคลื่นสามารถคำนวณได้โดยใช้เครื่องมือที่ทำการรีเฟลกโตมิเตอร์โดเมนความถี่ออปติก เซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติกไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนจากแม่เหล็กไฟฟ้า ออกแบบมาให้ทำงานที่อุณหภูมิสูง และไม่นำไฟฟ้า จึงเหมาะสำหรับการใช้งานใกล้กับแรงดันไฟฟ้าสูงหรือวัสดุที่ติดไฟได้

เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกอีกประเภทหนึ่งที่ใช้เทคโนโลยี Fiber Bragg Grating (FBG) สามารถใช้สำหรับการวัดตำแหน่งได้เช่นกัน FBG ทำหน้าที่เป็นตัวกรองรอยหยักที่สะท้อนแสงส่วนแคบที่กระจุกตัวอยู่รอบความยาวคลื่น Bragg (λB) เมื่อได้รับแสงในสเปกตรัมกว้าง โดยผลิตขึ้นเป็นโครงสร้างจุลภาคที่แกะสลักลงในแกนกลางของใยแก้วนำแสง สามารถผลิต FBG เพื่อวัดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความเครียด แรงดัน ความเอียง การเคลื่อนตัว การเร่งความเร็ว และภาระ

เซ็นเซอร์ตำแหน่งออปติคอล

เซ็นเซอร์ตำแหน่งออปติกมี 2 ประเภท หรือที่เรียกว่าตัวเข้ารหัสออปติก ในกรณีแรก แสงจะถูกส่งไปยังตัวรับที่ปลายอีกด้านหนึ่งของเซ็นเซอร์ ในประเภทที่สอง สัญญาณแสงที่เปล่งออกมาจะสะท้อนจากวัตถุที่กำลังตรวจสอบและส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิดแสง การเปลี่ยนแปลงในลักษณะของแสง เช่น ความยาวคลื่น ความเข้ม เฟส หรือโพลาไรเซชัน จะถูกใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งของวัตถุ ขึ้นอยู่กับการออกแบบเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์ตำแหน่งออปติกที่ใช้ตัวเข้ารหัสมีให้เลือกทั้งสำหรับการเคลื่อนที่เชิงเส้นและแบบหมุน เซ็นเซอร์เหล่านี้แบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่ ตัวเข้ารหัสออปติกแบบส่งผ่าน ตัวเข้ารหัสออปติกแบบสะท้อนแสง และตัวเข้ารหัสออปติกแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริก

เซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิก

เซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิกใช้ตัวแปลงสัญญาณคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกเพื่อปล่อยคลื่นเสียงอัลตราโซนิกความถี่สูง เซ็นเซอร์จะวัดเสียงที่สะท้อนออกมา เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับระยะใกล้แบบง่ายหรือแบบที่ซับซ้อนกว่าซึ่งสามารถให้ข้อมูลระยะทางได้ เซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิกทำงานกับวัตถุเป้าหมายที่มีวัสดุและลักษณะพื้นผิวหลากหลาย และสามารถตรวจจับวัตถุขนาดเล็กในระยะไกลได้มากกว่าเซ็นเซอร์ตำแหน่งประเภทอื่นๆ เซ็นเซอร์เหล่านี้ทนทานต่อการสั่นสะเทือน เสียงแวดล้อม รังสีอินฟราเรด และสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างการใช้งานที่ใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิก ได้แก่ การตรวจจับระดับของเหลว การนับวัตถุความเร็วสูง ระบบนำทางหุ่นยนต์ และเซ็นเซอร์ยานยนต์ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกยานยนต์ทั่วไปประกอบด้วยตัวเรือนพลาสติก ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกที่มีเมมเบรนติดอยู่ และแผงวงจรพิมพ์ที่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์และไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับส่ง รับ และประมวลผลสัญญาณ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การออกแบบระบบเซ็นเซอร์ตำแหน่งอัลตราโซนิกพีโซอิเล็กทริกสำหรับยานยนต์ทั่วไป

สรุป

เซ็นเซอร์ตำแหน่งสามารถวัดการเคลื่อนที่เชิงเส้น การหมุน และเชิงมุมของวัตถุได้ เซ็นเซอร์ตำแหน่งสามารถวัดการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ เช่น ตัวกระตุ้นหรือมอเตอร์ นอกจากนี้ยังใช้ในแพลตฟอร์มเคลื่อนที่ เช่น หุ่นยนต์และรถยนต์ เทคโนโลยีต่างๆ ที่ใช้ในเซ็นเซอร์ตำแหน่งมีการผสมผสานระหว่างความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม ต้นทุน ความแม่นยำ ความสามารถในการทำซ้ำ และคุณสมบัติอื่นๆ ที่แตกต่างกัน