مبدل سرعت خطی (Linear Velocity Transducer) و مبدل سرعت زاویه ای یا چرخشی (Angular Velocity Transducer)از انواع مبدل های حرکت هستند، این دو مبدل سرعت خطی و زاویه ای شی را اندازه گیری و سپس آن را به سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می‌کنند. در این مقاله سعی کردیم تعریفی از مبدل های سرعت خطی و زاویه ای و فرمول سرعت خطی و فرمول سرعت زاویه ای ارائه نماییم.
مبدل حرکت (Motion Transducer) نوعی مبدل یا ترانسدیوسر است که حرکت مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند، مبدل های حرکت در اتوماسیون صنعتی، حمل و نقل، پزشکی و غیره کاربرد گسترده‌ای دارند. مبدل های حرکت شامل 2 بخش مهم است:
- مبدل سرعت
- مبدل شتاب یا شتاب سنج
در این مقاله قصد داریم تا درباره مبدل های سرعت (Velocity Transducers) یعنی قسمت اول مبدل های حرکت صحبت کنیم.
مبدل سرعت چیست؟
یک مبدل سرعت، دستگاهی است که سرعت حرکت یک جسم را اندازه‌گیری و آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. این سیگنال الکتریکی نشان‌دهنده‌ی سرعت حرکت یک شیء در حال حرکت است.
دو نوع اصلي مبدل هاي سرعت (Velocity Transducers) وجود دارد:
- مبدل سرعت خطی
- مبدل سرعت زاویه ای
مبدل سرعت خطی
مبدل سرعت خطی دستگاهی است که که حركت در راستاي يك محور (خطي) را اندازه‌گیری می‌کند. فرمول سرعت خطی به شرح زیر است که v عبارت است از نرخ تغييرات وضعيت x که واحد آن اينچ بر ثانيه، متر بر ثانيه، مايل بر ساعت و يا كيلومتر بر ساعت خواهد بود.
سرعت خطي را مي توان با چندين روش مختلف اندازه گيري نمود. انواع روش های محاسبه سرعت خطی به شرح زیر می‌باشد:
- الکترومغناطیسی
- انتگرال گیر از شتاب سنج
- رادار داپلر یا سیستم های لیزری
الکترومغناطیسی
روش الکترومغناطیسی زمانی کاربرد دارد که كل تغيير مكان در يك محدوده خاص صورت گیرد. هسته مبدل الكترومغناطيسي سرعت خطي، يك مغناطيس دائم بوده و ولتاژ القايي در سيم پيچ، به سرعت حركت هسته بستگي دارد. با تغییر جهت حركت، پلاريته ولتاژ القايي نيز تغيير خواهد كرد. البته، در اين ساختار، هسته مغناطيسي نبايد از سيم پيچ خارج شود. بنابراين طول سيم پيچ، محدود كننده طول مسير حركت قابل اندازه گيري می باشد.
شکل (1). مبدل سرعت خطی الکترومغناطیسی از نوع “كويل و بوبين“Coil & Bobbin Type Velocity Pickup
انتگرال گیر از شتاب سنج
حركت بسیار طولاني است… یک مبدل سرعت از نوع انتگرال گیر شتاب، محدودیت کمتری دارد. این نوع مبدل سرعت که به مبدل سرعت پيزوالكتريك معروف است، در اصل مبدل شتابي است كه با استفاده از انتگرال گيري از سرعت، كار مي كند. ولتاژ خروجي آن از يك مبدل شتاب پيزوالكتريك به دست مي آيد:
با انتگرال گيري از شتاب و اضافه نمودن سرعت اوليه (V0)، مي توان در هر لحظه، سرعت را محاسبه نمود. البته امکان انجام اين محاسبات با استفاده از مدارات الكترونيكي نصب شده درون مبدل نیز وجود دارد.
شکل (2). شکل و مدارات الکتریکی یک مبدل سرعت پيزوالكتريك
رادار داپلر یا سیستم های لیزری
هيچ اتصالي به قطعه متحرك، مجاز نیست… گاهی اوقات نمی توان مبدل سرعت را به جسم متحركي كه باید سرعت آن اندازه گيري شود، نصب نمود. زیرا ممکن است جرم مبدل، موجب کاهش سرعت جسم متحرك گردد يا شايد جسم متحرك هدفي است كه باید رديابي شود و در دسترس نيست. در اين صورت مي توان از رادار داپلر يا ليزر استفاده نمود.
اثر داپلر بر اساس شيفت فركانسي است كه متناسب است با سرعت نسبي. اين موضوع را همگان تجربه كرده اند که وقتي كنار جاده ايستاده اند و اتومبيلي نزديك مي شود، صداي آن داراي فركانس بيش تري نسبت به زمانی که دور مي شود.، شنیده می شود. فركانس رسيده نسبت به نظاره گر ثابت برابر است با:
به صورتی که f0 فركانس پخش شده و fv تابع خطي از سرعت است. اگر جسم متحرك نزديك شود اين فركانس مثبت است و اگر جسم متحرك دور شود اين فركانس منفي است.
در رادار داپلر يا ليزر، يك موج پيوسته يا يك سري پالس به سمت جسم متحرك كه سرعت آن مورد نظر است، فرستاده مي شود. فركانس موج فرستاده شده پس از برخورد به هدف و بازگشت تغيير مي كند. به صورتی که اين تغيير بر اساس سرعت نسبي اتفاق می افتد. سيگنال برگشتي پس از دريافت زمان و فركانس آن با سيگنال ارسالي مقايسه مي گردد. طول زمان سيگنال ارسالي تا هدف و برگشت آن و اختلاف فركانس سيگنال برگشتي در مقايسه با فركانس سيگنال فرستاده شده fv نشان گر سرعت هدف مي باشد.
برای مثال، مي توان از رادارهاي داپلري كه به طور معمول، پليس براي تشخيص سرعت خودروها استفاده می کند، نام برد. همين روش براي هدف گيري موشك و رديابي هواپيماها نیز کاربرد دارد.
تمامي اين مبدل ها بر اساس اين اصل كه ولتاژ القايي ايجاد شده توسط ميدان مغناطيسي در يك سيم پيچ، به صورت مستقيم با نرخ تغييرات ميدان مغناطيسي متناسب است، عمل مي كنند:
مبدل سرعت زاویه ای
مبدل سرعت زاویه ای حركت حول يك محور (زاويه اي) را اندازه گیری می‌کند. مبدل سرعت زاویه ای سرعت دوراني يك نقطه مورد نظر حول يك مركز را به سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. سرعت زاويه اي بر حسب راديان بر ثانيه، درجه بر ثانيه، يا دور بر دقيقه بيان مي گردد.
فرمول سرعت زاویه ای
مبدل هاي سرعت زاويه ای به صورت معمول به دو دسته تقسيم مي شوند:
- ولتاژ خروجی معرف سرعت زاويه ای
- فركانس خروجی معرف سرعت زاويه ای
سرعت زاويه ای – ولتاژ خروجی
متداول ترین مبدل سرعت زاويه اي، تاكومترهاي الكترومغناطيسي DC هستند. ميدان توسط مغناطيس دائم و يا با تحريك سيم پيچ مجزا بر روي استاتور فراهم مي گردد.
روتور از سيم پيچ هاي سري ساخته شده است. با چرخش روتور، ولتاژ از طريق ميدان مغناطيسي درون سيم پيچ القاء مي گردد. دامنه EMF القايي در سيم پيچ به صورت مستقيم متناسب با سرعت چرخش روتور مي باشد. با اتصال چندين سيم پيچ به صورت سري و دوران آن ها از طريق چندين ميدان، يك ولتاژ خروجي به نسبت بزرگ و بدون ريپل به دست مي آيد.
اين سيگنال توسط كموتاتور و جاروبك ها از روتور به بیرون مرتبط مي گردد. يك تغيير جهت در دور باعث تغيير پلاريته ولتاژ خروجي مي گردد. دلايل گوناگونی برای رایج بودن استفاده از تاكومترها وجود دارد:
- استفاده بسيار ساده
- ولتاژ خروجي به نسبت بزرگ و مستقيم و عدم نياز بیش از حد به بهبود كيفيت سيگنال
- ولتاژ خروجي با مغناطيس دائم، به طور معمول، 3 تا 7 ولت به ازاء هر 1000 دور در دقيقه ، ولتاژ خروجي با تحريك سيم پيچ الكترومغناطيس در استاتور ، 10 تا 20 ولت در هر 1000 دور در دقيقه.
- دقت 0.1 % الی 0.25 % FSO
اما نقطه ضعف تاكومتر، كموتاتور و جاروبك هاي آن مي باشد. هر جرقه در جاروبك ها موجب تداخل فركانس راديويي RFI شده كه سایر سيستم هاي كنترلي باید از آن محفوظ باشند. در كاربردهايي كه استفاده از جاروبك ها، موجب اختلال می شود؛ استفاده از تاكومترهاي AC القايي پيشنهاد مي شود. در ساختار اين نوع تاكومترها كه به آن ها “تاكومتر مغناطيس دائم” نيز گفته مي شود؛ هيچ گونه جاروبكي به کار نرفته است. در اين نوع تاكومترها سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه با زاويه 90 درجه بر روي استاتور قرار دارند. روتور آن ها از نوع “قفس سنجابي” بوده و از فلز آهن با ضريب هدايت بالا ساخته مي شود.
زمانی که يك سيگنال 50 هرتز به سيم پيچ اوليه متصل مي شود، يك “جريان ادي” (Eddy Current) با زاويه 90 درجه به سيم پيچ در روتور القاء مي گردد. وقتي كه روتور ثابت و بدون حركت است، ميدان مغناطيسي توليد شده توسط جريان ادي در روتور با زاويه 90 درجه نسبت به سيم پيچ ثانويه مي باشد، سيم پيچ ثانويه قطع نشده و ولتاژي در آن ايجاد نمی شود.
اما زمانی كه روتور مي چرخد، اين ميدان در اطراف سیم پیچ ثانويه مي چرخد و باعث القاء ولتاژ خروجی می گردد. هر چه سرعت چرخش و دوران بیش تر باشد ميدان القايي روتور ثانويه را قطع نموده و ولتاژ القايي بزرگ تری را در سیم پیچ ثانويه القاء مي كند. ولتاژ خروجي از نوع AC مي باشد و برای استفاده بايد یک جهته و فيلتر شود. از آن جا که سیم پیچ های اوليه و ثانويه در زاويه 90 درجه نسبت به يكديگر قرار دارند، خروجي، 90 درجه نسبت به تحريك ورودي اختلاف فاز دارد.
وقتي محور در جهت خاصی مي چرخد، خروجي نسبت به ورودي پيش فاز و اگر در جهت مخالف بچرخد خروجي 180 درجه تغيير فاز مي دهد و در نهايت 90 درجه نسبت به ورودي تاخير فاز خواهد داشت. پس براي تعيين جهت بايد اختلاف فاز بين ورودي و خروجي آشكار گردد. گرچه در اين نوع تاكومتر، مشكلات مربوط به جاروبك ها وجود ندارد ولي باید در آن از مدارات يك سو كننده، فيلتر و تشخيص فاز استفاده کرد.
اگر چرخش پيوسته نداشته باشيم و يا كل سيستم به همراه مدارات الكترونيك، نمايشگر و سنسور بچرخد (مثل هواپيما) سنسور نرخ تغییر زاویه واتسون انتخاب خوبي خواهد بود. شكل زير اين نوع سنسور را نشان مي دهد.
شکل (3). سنسور نرخ تغييرات زاويه واتسون
مبدل هاي سرعت زاويه اي كه تاكنون مورد بحث قرار گرفته است، خروجي ولتاژ داشته اند.
سرعت زاويه ای – فرکانس
دسته اي ديگر از انواع تاكومترها وجود دارند كه فركانس خروجي آن ها متناسب با سرعت است (دامنه آن ها نيز ممكن است تغيير یابد).تاكومتر مغناطيس دائم AC، از يك روتور با چندين قطب مغناطيس دائم استفاده مي کند. يك سيم پيچ که روي استاتور قرار دارد، توسط مغناطيس هاي روتور قطع مي شود. به اين ترتيب، زمانی كه قطب شمال روتور از مقابل سيم پيچ مي گذرد، يك پالس با يك پلاريته مشخص توليد می شود.
در حالي كه پلاريته مخالف آن وقتي ايجاد مي گردد كه قطب جنوب از مقابل سيم پيچ مي گذرد. دامنه و زمان صعود پالس هاي ايجاد شده متناسب با سرعت تغيير می كند كه پردازش سيگنال باید بر روي آن ها صورت بگیرد تا بر استانداردهای TTL يا CMOS منطبق گردد.
نوع ديگر تاكومتر، مطابق نمونه ذکر شده با استفاده از “اثر هال“ (Hall Effect) کار می کند که در آن به جاي سيم پيچ از سنسور اثر هال استفاده مي شود. خروجي اين نوع تاكومتر باید با استفاده از مقاومت “پول آپ” به ولتاژ 5+ ولت وصل شود تا بتوان پالس هاي توليد شده را محاسبه کرد.
در تاكومتر با روتور دندانه اي، يك مغناطيس دائم در استاتور قرار مي گيرد. روتور به شكل چرخ دنده و از جنس فلز با رلوكتانس (Reluctance) كم ساخته مي شود. زمانی که دندانه ها مي چرخند و از مقابل سنسور مغناطيسي مي گذرند، كوپل بين مغناطيس و سنسور بيش تر شده و باعث قطع ميدان مغناطيسي مي گردد و پالسي به ازاء هر دندانه ايجاد می شود.
مبدل هاي نوري افزايشي كه در بخش گذشته مورد بحث قرار گرفتند؛ نيز مي توانند به عنوان مبدل سرعت مورد استفاده قرار بگيرند که در آن ها فركانس پالس هاي ايجاد شده معرف سرعت زاويه اي محور چرخان خواهد بود.
در اغلب مبدل هاي سرعت دوراني و چرخشي كه تا به حال مورد بررسي قرار گرفته است باید محور به مبدل وصل شود، اين نکته در بسیاری از مواقع، اختلالات مكانيكي ایجاد مي كند. البته گاهی اوقات نیز ممکن است، امكان اتصال مبدل سرعت به محور وجود نداشته باشد.
وزن مبدل نیز گاهی ممكن است موجب بروز اختلالاتی در سيستم “سرومكانيسم” گردد. اين نوع اختلالات را مي توان با استفاده از سيستم انعكاس نور حل نمود. در اين روش، يك نوار باريك منعكس كننده نور به محور متصل مي كنند و با استفاده از يك منبع مادون قرمز و آشكار كننده آن، مي توان سرعت محور چرخان را اندازه گيري نمود.
شکل (4) مبدل سرعت زاویه ای – نوري افزايشي
تبدیل سرعت زاویه ای به سرعت خطی
فرمول سرعت دورانی
تبدیل سرعت دورانی به خطی
تبدیل سرعت خطی به دورانی
تا جای ممکن که مربوط به این مقاله است از تایتل فرمول های سرچ کنسول استفاده شود
سخن پایانی
در این مقاله مبدل حرکت و انواع آن را توضیح دادیم سپس مبدل سرعت را تعریف کرده و دو نوع مبدل سرعت به نام های مبدل سرعت خطی و مبدل سرعت زاویه ای را به همراه فرمول سرعت خطی و فرمول سرعت زاویه ای بیان کردیم. همچنین انواع مبدل سرعت خطی را بر اساس نحوه اندازه گیری سرعت خطی اجسام شرح دادیم. لازم به ذکر است که این مقاله بخشی از کتاب Industrial Control Electronics نوشته مایکل جاکوب است با مراجعه به بخش اصول و مبانی ابزار دقیق در مقالات سایت می توانید مقالات بیشتری را با محوریت این کتاب مطالعه نمایید.
