Du contact à l'effet Hall: Explorer tous les types de capteurs de position

Les capteurs de position sont des composants essentiels dans les systèmes électromécaniques modernes, permettant une détection précise et une conversion de la position spatiale en signaux électriques exploitables.Cet article plonge dans les divers types de capteurs de position, y compris le contact, la proximité, les variantes photoélectriques, magnétiques inductives et à effets de la salle - examinant leurs conceptions structurelles, leurs principes de travail et leurs applications réelles.En mettant l'accent sur leurs rôles dans le contrôle moteur, les systèmes CNC et les mécanismes de synchronisation automobile, la discussion met en évidence comment les capteurs de position améliorent la précision opérationnelle, la synchronisation et les performances entre les machines et les véhicules intelligents.

Catalogue

Types de capteurs de position

Un capteur de position est un appareil conçu pour détecter le positionnement spatial d'un objet et traduire ces informations dans un signal de sortie pratique.Ces capteurs sont tissés dans les subtilités de la vie moderne, souvent inaperçus mais vivement ressentis.Ils existent principalement en deux saveurs:

- Type de contact: Cette variété nécessite une interaction directe avec l'objet, semblable à la façon dont une main douce pourrait ressentir le rythme cardiaque d'un être cher.

- Type de proximité: les capteurs de proximité, en revanche, restent à l'écart, en sentant la proximité d'un objet un peu comme ressentir une présence chaleureuse dans la pièce sans jamais avoir besoin d'une touche.

Capteur de position de contact

Principes de fonctionnement

La borne de contact du capteur de position de contact réagit à mesure que deux entités entrent en contact, pressant les uns contre les autres.Cette interaction sensorielle est enracinée dans la convergence physique des objets, manifestant l'activité tangible.

Types de capteurs

Interrupteur de voyage

Construit simplement avec la fiabilité et l'abordabilité à l'esprit, l'interrupteur de voyage est activé lors du contact, effectue des commandes de contrôle.L'utilisation des interrupteurs de voyage à l'extrémité des axes X, Y et Z du centre d'usinage permet de définir précisément les limites de mouvement.

Capteur de position de matrice bidimensionnelle

Intégré dans le palmier robotique, le capteur de position de matrice bidimensionnelle discerne le point de contact exact entre le robot et l'objet externe, permettant une communication complexe avec le monde physique.

Capteur de position de proximité

Définition et fonction

Un capteur de position de proximité, souvent appelé commutateur de proximité, détecte la présence d'un objet dans une plage spécifiée, signalant son approche sans avoir besoin de contact physique.Cette fonctionnalité incarne la danse nuancée entre la technologie et l'environnement, détectant le mouvement comme un art subtil d'anticipation.

Types de commutateurs de proximité

- électromagnétique

- Photoélectrique

- Transformateur différentiel

- Current Eddy

- capacitif

- Interrupteur à anche

- Type de salle

Chaque type de commutateur de proximité possède ses capacités uniques, reflétant une variété de principes et de mécanismes innovants qui s'adressent à des scénarios industriels spécifiques.

Applications dans les machines-outils CNC

Les capteurs de position de proximité trouvent diverses applications, en particulier dans les machines-outils CNC, améliorant des fonctions telles que:

- Contrôle de sélection des outils

- Table Contrôle des voyages

- Gestion des voyages de cylindre

- surveillance du mouvement du piston

Leurs contributions résonnent profondément dans ces processus, en alignant la précision avec les exigences intuitives des machines qu'ils régissent, harmonisant à la fois l'efficacité et la précision.

Moteur à courant continu sans pinceau

Composants du moteur CC sans balais

Le capteur de position fait partie intégrante du système de moteur CC sans balais.Ce composant le distingue du moteur CC de la brosse, car il identifie la position du rotor principal pendant son mouvement.Il convertit le signal de position du poteau magnétique du rotor en un signal électrique, en aidant le circuit de l'interrupteur logique pour contrôler leur conduction et leur coupure.En garantissant que le courant dans l'enroulement s'inverse ordonnés avec le changement de la position du rotor, un champ magnétique rotatif de pas se forme dans l'espace d'air, propulsant le rotor de l'aimant permanent pour tourner en continu.

Rôle du capteur de position

Un capteur de position est essentiel pour mesurer la position du rotor.Les contrôleurs de moteur synchronisent l'onduleur avec le rotor utilisant le signal du capteur de position, permettant le fonctionnement continu du moteur.Lors de la détection de la position du rotor via la force électromotive inductive de l'enroulement du stator est possible au démarrage du moteur sans capteur de position, la vitesse minimale se traduit par un signal de force électromotive indétectable.

Types de puces de capteur de salle

Les puces de capteur de salle adaptées comme capteurs de position pour les moteurs sans balais DC sont disponibles en deux types:

- Type de commutateur

- Type de verrouillage

Application dans les vélos électriques

Les deux types de puces de capteurs de salle peuvent mesurer avec précision la position de l'aimant du rotor dans les moteurs à vélo électriques.Malgré l'utilisation de ces puces de capteurs de salle, les moteurs sans balais DC présentent des performances identiques en termes de puissance de sortie, d'efficacité et de couple, harmonisant de manière transparente avec le même contrôleur de moteur.

Influence sur le fonctionnement du moteur

Les capteurs de position contribuent de manière significative en réduisant le bruit opérationnel moteur, en améliorant la longévité et les performances du moteur, tout en réduisant simultanément la consommation d'énergie.Cette amélioration sert de catalyseur robuste pour l'expansion du marché moteur.

Capteurs photoélectriques pour le vilebrequin et la position de l'arbre à cames

Architecture détaillée

Le vilebrequin photoélectrique et les capteurs de position d'arbre à cames sont composés de plusieurs composants clés, y compris un panneau de signal, un générateur de signal, un distributeur, un boîtier et une bougie de harnais.Ces éléments jouent des rôles distincts dans la fonctionnalité du capteur.

Le panneau de signal, parfois appelé rotor de signal, est fermement attaché à l'arbre du capteur.Près de son bord, il présente des cercles concentriques de trous transparents, positionnés avec précision avec un motif d'arc d'intervalle.Le cercle extérieur possède 360 ​​fentes transparentes, chacune créant un intervalle de 1 ° (les trous transparents et de blocage sont chacun 0,5 °).Leur rôle est de générer des signaux d'angle de vilebrequin et de vitesse.

En revanche, le cercle intérieur se compose de 6 trous transparents dédiés à la génération du signal central supérieur pour chaque cylindre.Ceux-ci sont espacés d'un intervalle de 60 °, bien qu'un trou se distingue avec une largeur plus longue, indiquant le centre mort supérieur pour le cylindre 1 °.

Pour assurer un fonctionnement transparent, le générateur de signal est attaché au boîtier du capteur.Il comprend les générateurs de signal NE et G à côté d'un circuit de traitement du signal.Ces générateurs, responsables de la vitesse et des signaux de centre mort supérieur, reposent sur une LED et une paire de phototransistor (ou de photodiode), face directement.

Principes opérationnels

Comme le montre la figure, le principe de fonctionnement du capteur photoélectrique dépend de l'interaction entre la LED et le phototransistor.Lorsque le panneau de signal tourne, ses trous transparents s'alignent périodiquement entre eux.La lumière émise par la LED tombe sur le phototransistor, l'allumer ainsi et résultant en une sortie de bas niveau (0,1-0,3 V).

Inversement, lorsque les segments de blocage du panneau de signal se croisent entre la LED et le phototransistor, la lumière n'atteint pas le phototransistor.Il s'éteint, provoquant la libération du collecteur d'un signal de haut niveau (4.8-5.2 V).

La rotation continue du panneau de signal provoque des trous transparents et bloquants pour alterner entre la LED et le phototransistor, générant des signaux alternés élevés et de bas niveau.Alors que l'arbre du capteur tourne avec le vilebrequin et l'arbre à cames de soupape, la lumière de la LED alterne sa focalisation sur le phototransistor, fabriquant un signal d'impulsion relatif à la position exacte du vilebrequin et de l'arbre à cames.

Étant donné les deux rotations du vilebrequin, invitant une rotation de l'arbre du capteur, le capteur de signal G accumule 6 signaux d'impulsion, tandis que le capteur de signal NE accumule 360 ​​impulsions.Avec un espace de 60 ° entre les trous transparents du signal G, chaque tour de vilebrequin de 120 ° cultive une impulsion, donc le signal G souvent appelé signal à 120 °.Ce signal doit être conçu 70 ° BTDC (avant le centre mort supérieur) pour un contrôle en temps opportun de l'ECU sur l'injection de carburant et le calage d'allumage.

De plus, avec l'espacement de 1 ° du trou NE (trous transparents et bloquants de 0,5 ° chacun), dans chaque cycle d'impulsion, les niveaux à faible basse se répartissent sur des rotations de vilebrequin de 1 °.En conséquence, 360 signaux indiquent des rotations de vilebrequin de 720 °.Pour chaque virage à 120 °, le capteur G signale une fois, tandis que le capteur NE signale 60 fois.

Détection de position inductive magnétique chez les vilers et les arbres à cames

Principe de travail des capteurs de position magnétique

Le principe de travail du capteur de position magnétique est illustré sur la figure.Les lignes de force magnétique voyagent à travers des régions spécifiques:

- à partir du pole n de l'aimant permanent

- à travers l'écart aérien entre les statistiques

- à travers les dents surélevées du rotor

- à travers l'espace d'air entre ces dents surélevées et la tête magnétique du stator

- passer par la tête magnétique

- Atteindre la plaque de concentration de flux

- Retour au n-poole de l'aimant permanent

Fonctionnalité du rotor et force électromotive induite

Lorsque le rotor de signal tourne, l'espace d'air dans le circuit magnétique varie périodiquement, influençant à la fois la résistance magnétique et le flux magnétique dans la tête de bobine de signal.Ce changement périodique, conformément aux principes d'induction électromagnétique, entraîne la génération d'une force électromotive alternative dans la bobine de détection.

Pendant la rotation dans le sens horaire du rotor, la diminution de l'espace d'air entre les dents surélevées du rotor et la tête magnétique est en corrélation avec une diminution de la résistance magnétique dans le circuit et une augmentation du flux magnétique, φ.À mesure que le taux de changement de φ augmente (dφ / dt> 0), la force électromotive induite E devient positive (E> 0), comme le montre la courbe ABC sur la figure.Lorsque les dents surélevées s'approche du bord de la tête magnétique, l'ascension rapide dans le flux magnétique φ et son taux de changement augmentent, ce qui fait passer le pic E à Emax, vu au point B à la figure.L'avancement du point passé B conduit à un taux de changement de flux magnétique malgré l'augmentation continue de φ, réduisant la force électromotive induite E.

À la jonction où les dents surélevées du rotor s'alignent sur la ligne médiane de la tête magnétique, l'espace d'air minimisée assure la résistance magnétique la plus basse et le plus grand flux magnétique, φ.Malgré ces améliorations, le flux magnétique cesse d'augmenter.Par conséquent, avec un taux de changement nul du flux magnétique, la force électromotrice induite E se régala à zéro, représentée par le point C sur la figure.

Un autre mouvement dans le sens horaire du rotor fait que les dents surélevées s'écartent de la tête magnétique, conduisant à un espace d'air élargi et à une résistance magnétique accrue, diminuant donc le flux magnétique φ (dφ / dt<0), and inducing a negative electromotive force E, consistent with curve cda in Figure. Upon completely departing from the edge of the magnetic head, φ's swift downturn hits its lowest point [dφ/dt=-(dφ/dt)max], asserting E's negative peak as -Emax, illustrated at point d on the curve in Figure.

Avantages de la détection de la position magnétique

Chaque rotation du rotor à travers une dent surélevée produit des forces électromotives alternées périodiques dans la bobine de détection, aboutissant à des valeurs maximales et minimales qui se manifestent comme un signal de tension alterné.

Un luxe proéminent de détection de position magnétique est l'élimination d'une source d'alimentation externe.L'aimant permanent transforme efficacement l'énergie mécanique en énergie électrique sans diminuer son énergie magnétique.Avec des fluctuations de la vitesse du moteur, la vitesse de dents augmentée du rotor change, modifiant le taux de changement de flux magnétique dans le noyau.Une vitesse de rotation accrue amplifie le changement de débit de flux magnétique et augmente la force électromotive induite dans la bobine de détection, avec ces variations représentées sur la figure.

Étant donné que l'espace d'air entre les dents du rotor et la tête magnétique balance considérablement la résistance du circuit magnétique et la tension de sortie de la bobine de détection, la prudence est essentielle pour modifier l'espace d'air.Les ajustements doivent adhérer aux réglementations spécifiées, généralement réglées entre 0,2 et 0,4 mm.

Capteur de position magnétique inductif pour les voitures

Caractéristiques structurelles

Le capteur magnétique de position de vilebrequin inductif pour les automobiles est stratégiquement positionné sur le cylindre adjacent à l'embrayage du carter.Ce dispositif se compose essentiellement d'un générateur de signal associé à un rotor de signal.

Le générateur de signal, fermement monté sur le bloc de cylindre du moteur avec des vis, comprend un aimant permanent, une bobine de détection et un connecteur de harnais.La bobine de détection, semblable à un cœur dans sa fonction et appelé bobine de signal, fait face au rotor de signal, qui est fixé sur le vilebrequin.Avec une tête magnétique alignée directement en face, l'aimant permanent est lié par un joug magnétique, forgeant une voie magnétique.

Le rotor de signal est un disque dentaire, marqué par 58 dents surélevées;Ceux-ci sont séparés par 57 petites lacunes, avec un écart plus grand notable.Ce grand espace contribue à fournir un signal de référence qui signale un angle précis avant que le cylindre 1 ou le cylindre 4 n'atteigne le centre mort supérieur de compression.Ainsi, la configuration angulaire des dents et des lacunes sur la circonférence de ce rotor totalise 360 ​​°.

Dynamique opérationnelle

Le capteur de position se déplace en tandem avec la rotation du vilebrequin.Lorsque le rotor de signal passe sur chaque dent convexe, la bobine de détection se réveille à la vie, générant une force électromotive alternée rythmique qui libère un signal de tension alterné associé.

En raison de la conception spéciale du rotor de signal avec son espace dentaire important, un signal de référence émerge pendant le passage de cet espace au-delà de la tête magnétique, résultant en un signal d'impulsion plus large.Ce signal s'aligne sur un angle distinct précédant le centre mort supérieur dans le cylindre 1 ou 4, transmettant des moments pivots au capteur.

Lors de l'unité de commande électronique (ECU) détectant cette impulsion étendue, l'anticipation s'accumule lorsqu'il évalue le centre mort supérieur imminent du cylindre 1 ou 4, en fonction de l'entrée du capteur de position de l'arbre à cames.À chaque rotation du rotor de signal, la bobine de détection envoie 58 signaux de tension alternés à l'ECU, reflétant chaque révolution complète du vilebrequin du moteur.

Pour chaque rotation complète du rotor de signal avec le vilebrequin, la bobine de détection alimente 58 signaux d'impulsion dans l'ECU.Comme l'ECU les collecte, il reconnaît chaque rotation complète du vilebrequin du moteur.Par exemple, lorsque l'ECU enregistre 116000 signale dans la portée d'une minute, il calcule la vitesse du vilebrequin à 2000 révolutions par minute (n = 116000/58 = 2000).De même, en évaluant la fréquence du signal par minute, l'ECU déduit la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur.

Les signaux de vitesse du moteur et de charge servent d'entrées de contrôle essentiels dans le système de contrôle électronique.Ces signaux jettent les bases de l'ECU afin de calculer trois paramètres de contrôle principaux: l'angle d'avance d'injection de base, l'angle d'avance de base d'allumage et l'angle de conduction d'allumage.

Capteurs de position de vilebrequin et d'arbre à cames de type Hall

Comprendre la structure et la fonctionnalité

Le vilebrequin de type Hall et les capteurs de position de l'arbre à cames, ainsi que d'autres capteurs de salle, tirent leur fonctionnement de l'effet de la salle, les positionnant dans la catégorie des capteurs de position de l'effet Hall.

Découvert par le physicien américain, le Dr E.H.Hall à l'Université Johns Hopkins en 1879, l'effet Hall révèle des phénomènes intrigants.Lorsqu'un conducteur de platine rectangulaire avec un courant I est placé perpendiculaire aux lignes magnétiques dans un champ avec induction B, une tension uh perpendiculaire à la fois au champ magnétique et le courant apparaît sur les côtés du conducteur.Cette tension de hall, directement proportionnelle à l'I et à l'induction B, disparaît instantanément avec la disparition du champ magnétique:

Formule d'effet de salle

- KH: Coefficient de salle

- D: épaisseur du conducteur de platine

Les composants fabriqués avec l'effet de la salle sont appelés éléments de la salle, et les capteurs incorporant ces éléments sont des capteurs de hall.Ces capteurs sont capables non seulement d'indiquer des changements de tension avec l'état du champ magnétique, mais aussi de mesurer le courant à travers un fil basé sur la corrélation entre la résistance au champ magnétique et le courant.

Depuis les années 1980, les automobiles s'appuient de plus en plus sur des capteurs de hall, en grande partie en raison de leurs caractéristiques attrayantes:

- Le signal de tension de sortie ressemble à une onde carrée.

- La vitesse de l'objet ne dépend pas de la vitesse de rotation.

Contrairement aux capteurs d'induction magnétique, les capteurs de hall nécessitent généralement une alimentation externe.

Composants essentiels d'un capteur de salle

Un capteur de hall se compose d'une roue de déclenchement, d'un circuit intégré de hall (IC), d'un joug magnétique et d'un aimant permanent.La roue de déclenchement est apposée sur l'arbre du rotor, avec des lames identiques à compter pour les cylindres de moteur.Alors que la roue tourne le long de l'arbre du rotor, ses pales traversent l'écart entre le hall IC et l'aimant permanent.Le Hall IC comprend un élément Hall, un circuit d'amplification, un circuit de stabilisation de tension, un circuit de compensation de température, un circuit de conversion de signal et un circuit de sortie.

Mécanique opérationnelle d'un capteur de salle

La rotation de l'arbre du capteur entraîne des lames de roue à travers l'espace d'air entre l'IC Hall et l'aimant.Sortant de l'espace aérien, le flux de l'aimant boucles à travers le Hall IC, incitant l'élément de hall à produire une tension (euh = 1,9-2,0 V).Par conséquent, le transistor de sortie du Hall IC s'active, résultant en une faible tension de signal de capteur U0 (0,1-0,3 V lorsque l'UCC est de 14,4 V ou 5V).

Lorsqu'une lame entre dans l'espace d'air, il détourne le champ magnétique du Hall IC.La tension du hall UH tombe à zéro, désactivant le transistor de sortie du CI et augmentant la tension du signal du capteur U0 (9,8V à UCC = 14,4V; 4.8V à UCC = 5V).

Architecture des capteurs de position de l'arbre à cames de type Hall

Situé à l'extrémité de l'arbre à cames d'admission du moteur, le capteur de position de l'arbre à cames de type Hall intègre un générateur de signaux de salle et un rotor de signal.Possidé avec des boulons de positionnement et une lunette sur l'arbre à cames d'admission, le rotor de signal ou la roue de déclenchement, dispose d'un septum fenêtré agissant comme une lame.La fenêtre est en corrélation avec les signaux de bas niveau;Le septum concerne les signaux de haut niveau.

Composé d'un IC Hall, d'un aimant permanent et d'une feuille en acier magnétique, le générateur de signal de type Hall exploite les matériaux semi-conducteurs de silicium dans l'élément Hall, en maintenant un espace de 0,2-0,4 mm de l'aimant.Au fur et à mesure que la rotation se produit, le septum et la fenêtre coupent l'écart entre le hall IC et les aimants.

La prise de connexion du capteur abrite trois bornes:

- Terminal 1 (positif) Liens vers l'ECU Terminal 62.

- La borne 2, pour la sortie du signal, se connecte à la borne ECU 76.

- Terminal 3 (négatif) Interfaces avec l'ECU Terminal 67.

Contexte opérationnel

Fonctionnant selon les principes du capteur de la salle, le capteur sortira un signal de haut niveau (5V) avec la lame dans l'espace d'air;Une lame partante induit un signal de bas niveau (0,1 V).

Illustré à la figure, la relation de tension de signal des capteurs de position CAM et de la manivelle implique le rotor de signal du capteur de hall complétant un tour (360 °) pour deux virages de vilebrequin (720 °), produisant des signaux de niveau élevé et de bas niveau.Le signal de bas niveau s'aligne sur un angle avant le centre mort supérieur de compression du cylindre 1.

Pendant le fonctionnement du moteur, les tensions de signal de l'induction magnétique CPS et des CI du Hall atteignent systématiquement l'ECU.Le chevauchement des signaux de baisse des vitres du vilebrequin de niveau (15 °) informe l'ECU de la compression du cylindre 1 et les traits d'échappement du cylindre 4.

De plus, les angles d'avance d'allumage s'ajustent en fonction des signaux des lacunes dentaires du carter.Reconnaissance du centre mort supérieur post-compression pour le cylindre 1, l'ECU contrôle l'injection de carburant séquentielle du cylindre et le calage d'allumage.

La détection de dénotation par l'ECU, informé par les signaux des capteurs de dénotation, permet l'identification des cylindres affectés et les réductions d'angle d'avance pour contrer la détonation.

Capteur de position de vilebrequin de type hall différentiel

L'appareil connu sous le nom de capteur de hall différentiel, parfois appelé le capteur du double hall, ressemble au capteur inductif magnétique comme illustré dans la figure.Il dispose d'un rotor de signal avec des dents surélevées le long d'un générateur de signaux de hall.

Structure et composants

Le rotor de signal est fabriqué avec des dents prononcées, qui fonctionnent de concert avec un générateur de signaux de salle.Ces deux composantes forment la structure fondamentale du capteur.

Principe et fonctionnalité de travail

Le fonctionnement du capteur de la salle différentielle reflète celui d'un capteur de salle conventionnel.Lorsque les dents encoche et surélevées sur le volant du moteur naviguent au-delà des doubles sondes dans le système du hall, des variations se produisent dans l'espace d'air au milieu des dents et des sondes.Par conséquent, ces changements modifient le flux magnétique.

Dans l'élément Hall, un signal de tension alternatif émerge, illustré à la figure.La sortie de tension se compose d'une superposition de deux tensions de signal de hall distinctes.Cette interaction à double tension permet à l'écart d'air entre le générateur de signal et les dents surélevées de s'étendre à 1 ± 0,5 mm, une amélioration notable par rapport à l'écart typique de 0,2 à 0,4 mm trouvé dans les capteurs standard.Cela signifie que le rotor de signal peut adopter une configuration de disque dentée semblable au rotor d'un capteur inductif magnétique, facilitant une installation plus facile.

Applications dans les systèmes automobiles

Dans des contextes automobiles, le rotor de dents surélevé trouve généralement son placement sur le vilebrequin ou le volant du moteur, améliorant les performances du système.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Quel est le capteur de position?

Les capteurs de position servent d'outils pour mesurer la distance qu'un corps couvre à partir de son point de référence.Ils évaluent le positionnement linéaire ou angulaire par rapport à un point de référence à point fixe ou arbitraire.Ces capteurs peuvent également détecter si un objet est présent ou absent.

2. Comment fonctionnent les capteurs de position?

Les capteurs de position optique fonctionnent sur la base de deux principes de base: Premièrement, la transmission de la lumière d'un émetteur à un récepteur positionné à l'extrémité opposée du capteur;et deuxièmement, le reflet de la lumière émise sur l'objet surveillé, qui revient ensuite vers la source lumineuse.

3. Quel type de matériaux peut être détecté par le capteur de position de courant de Foucault?

Les capteurs de déplacement de courant de Foucault sont aptes à identifier les objets métalliques en tirant parti d'un champ magnétique à haute fréquence pendant le processus de détection.

4. Qu'est-ce que le capteur de position du potentiomètre?

Les capteurs du potentiomètre évaluent la distance ou le déplacement d'un objet en mouvement linéaire ou rotatif, traduisant par la suite ces mesures en signaux électriques.

5. Qu'est-ce qu'un capteur de position linéaire?

Les capteurs de position linéaire s'intègrent à un objet ou à des machines pour convertir le déplacement linéaire en un signal électrique, qui reflète le déplacement proportionnel de l'objet.