📘 لیست موضوعات
خط‌کش اهمی (Linear Potentiometric Position Sensor) برای اندازه‌گیری جابجایی بین یک جسم و نقطه‌ای مشخص در یک خط مستقیم استفاده میشه. به‌عبارت ساده تر، هر زمان جسم حرکت میکنه، خط‌کش اهمی این تغییر موقعیت رو حس میکنه و مقدار این تغییر رو به یه سیگنال الکتریکی تبدیل میکنه تا سیستم‌های اندازه‌گیری یا کنترل بتونن ازش استفاده کنن.
خط‌کش اهمی که با نام خط‌کش پتانسیومتری یا سنسور موقعیت خطی هم شناخته میشه در کاربردهای مختلف مثل کنترل حرکت در دستگاه تزریق پلاستیک، اندازه‌گیری موقعیت سیلندرهای هیدرولیک یا پنوماتیک، موقعیت‌سنجی در تجهیزات رباتیک و اتوماسیون صنعتی و بسیاری کاربرد نامحدود دیگر به کار میره.
خط‌کش اهمی چطور کار میکنه؟
خط کش اهمی بر پایه‌ی اصل تقسیم ولتاژ (Voltage Divider Principle) کار میکنه. این سنسور در واقع یک مبدل الکترومکانیکی (Electromechanical Transducer) هست که جابجایی خطی مکانیکی را به یک سیگنال الکتریکی آنالوگ (ولتاژ) تبدیل میکنه.
استفاده از اون هم خیلی راحته:
- اول بهش تغذیه میدید (مثلاً ۵V یا ۱۰V یا ۲۴V بسته به مدل)
- خروجی رو میدید به PLC، نمایشگر یا کارت دیتالاگر
- شفت یا بازوی دستگاه به سنسور وصل میشه
- با حرکت جسم، خروجی متناسب تغییر میکنه
به همین سادگی!
ساختار داخلی خط‌کش اهمی
خط کش اهمی خطی از سه بخش اصلی تشکیل شده:
- عنصر مقاومتی:
معمولاً از موادی مانند کربن، پلاستیک رسانا، یا سیم‌های مقاومتی (wire-wound) ساخته میشه که این عنصر در امتداد محور سنسور به‌صورت خطی قرار داره. - وایپر (Wiper) یا کرسر (Cursor):
یک تماس الکتریکی متحرک است که روی مسیر مقاومتی حرکت میکنه. موقعیت مکانیکی وایپر تعیین‌کننده‌ی مقدار ولتاژ خروجیه. - ترمینال ها:
دو سر عنصر مقاومتی به ولتاژ تغذیه و زمین (GND) متصل می‌شن. ترمینال سوم، خروجی ولتاژ رو از وایپر دریافت می کنه.
اصل اندازه‌گیری
وقتی که ولتاژ تغذیه بین دو سر مقاومت اعمال میشه، در طول مسیر مقاومتی یک اختلاف پتانسیل خطی ایجاد میشه. یعنی اینکه در هر نقطه از این مسیر، ولتاژ متناسب با فاصله‌ی وایپر (و همینطور شفت) از مبدا داره تغییر میکنه.
وقتی وایپر روی مسیر حرکت میکنه، در واقع محل تقسیم مقاومت رو تغییر میده:
- از ابتدای مسیر تا محل وایپر ← مقاومت R₁
- کل مسیر ← مقاومت Rtotal
- ولتاژ تغذیه ← VSupply
- ولتاژ خروجی ← VOut
در نتیجه طبق قانون تقسیم ولتاژ به معادله زیر می رسیم:
(R1/Rtotal)*VSupply=VOut
چون مقاومت مسیر به طور خطی با طول تغییر میکنه، نسبت R1/Rtotal دقیقاً متناسب با موقعیت وایپر هست.
بنابراین خروجی ولتاژ، نمایانگر موقعیت مکانیکی شفت و در نتیجه میزان جابجایی جسم متصل به آن است.
یک مثال و ۳ نتیجه‌گیری
فرض کنید:
- یک خط‌کش اهمی داریم با مقاومت کل: 10 کیلو اهم
- یک تغذیه 10 ولت DC هم بهش وصل می‌کنیم.
- سر اول ← +10V
- سر دوم ← 0V (منفی)
این خط‌کش مثل یک مقاومت خطیه و یه خروجی ولتاژی هم قاعدتا از وایپر می‌گیریم.
مثال ۱
وقتی وایپر دقیقاً وسطه:
اگر طول خط‌کش اهمی رو 100 درصد در نظر بگیریم، وسطش میشه 50٪.
پس مقاومت نصف شده:
- مقاومت بخش اول (تا وایپر): 5kΩ
- مقاومت بخش دوم (بعد از وایپر): 5kΩ
فرمول تقسیم ولتاژ:
(R1/Rtotal)*VSupply=VOut
بنابراین:
(5k/10k) * 10V = 5V
⇐ پس وقتی وایپر در وسطه ← ولتاژ خروجی 5 ولت دریافت می‌کنیم.
مثال ۲
فرض کن وایپر روی 20٪ از مسیر قرار گرفته
- یعنی مقاومت بخش اول: 2kΩ
- و مقاومت کل: 10kΩ
(2k/10k) * 10V = 2V
⇐ پس وقتی ۲۰٪ طول جابه‌جا شده ← ولتاژ خروجی ۲ ولت دریافت می‌کنیم.
مثال ۳
وقتی رفت آخر خط‌کش اهمی (نقطه انتهایی یا 100٪)
- مقاومت تا اون نقطه = 10kΩ
(10k/10k) * 10V = 10V
⇐ پس در انتهای کورس ← ولتاژ خروجی ۱۰ ولت دریافت می‌کنیم.
← نتیجه‌گیری ساده:
“هرچی وایپر بیشتر جابه‌جا بشه ← مقاومت بیشتر ← ولتاژ خروجی بیشتر.”
اگه طول خط‌کش رو بدونی و ولتاژ تغذیه هم مشخص باشه، هر نقطه از مسیر رو می‌تونید با همین نسبت تبدیل به ولتاژ کنید.
مثال اندازه‌گیری موارد پیچیده‌تر
اما گاهی اوقات ممکنه نقاطی که میخواهیم ولتاژ خروجی را برای‌شان محاسبه کنیم، نقاط رندی نباشند و به کمی حساب و کتاب بیشتر نیاز داشته باشیم. پس بیاید مسیری دیگری رو هم امتحان کنیم که به سادگی بتونیم در هر نقطه از مسیر، ولتاژ خروجی رو بدست بیاریم:
فرض کنیم:
- طول خط‌کش اهمی: 250 میلی‌متر
- مقاومت کل خط کش: 5 کیلو اهم
- ولتاژ تغذیه: 5 ولت DC
چون خط‌کش اهمی خطیه، یعنی مقاومت در طول مسیر به‌صورت یکنواخت پخش شده.
- اول بفهمیم هر میلی‌متر چند اهمه؟
مقاومت هر میلی متر برابره با:
5000Ω/250mm = 20 Ω/mm
یعنی هر یک میلی‌متر جابه‌جایی = 20 اهم تغییر.
حالا با چند تا موقعیت مثال می‌زنیم:
مثال اول:
- نقطه 0 میلی‌متر (ابتدا)
- مقاومت تا وایپر = 0 اهم
- (0Ω/5000Ω)*5V = 0V = VOut
⇐ پس وقتی وایپر یا شفت در ابتدای مسیره ← ولتاژ خروجی 0 ولت
مثال دوم:
- نقطه 125 میلی‌متر (نقطه میانی)
- مقاومت تا وایپر ؟
- 125*20Ω = 2500Ω
حالا خروجی رو محاسبه کنیم:
(2500Ω/5000Ω)*5V = 2.5V = VOut
⇐ پس وقتی وایپر یا شفت در میان مسیره ← ولتاژ خروجی 2.5 ولت
مثال سوم:
- نقطه 200 میلی‌متر (نقطه میانی)
- مقاومت تا وایپر؟
- 200*20Ω = 4000Ω
حالا خروجی رو محاسبه کنیم:
(4000Ω/5000Ω)*5V = 4V = VOut
⇐ وایپر یا شفت در نقطه 80٪ مسیر ← ولتاژ خروجی 4 ولت
⇐ و به همین طریق، ولتاژ خروجی رو در نقطه پایانی هم میتونیم محاسبه کنیم.
مزایای استفاده از خط کش اهمی
خط‌کش اهمی چون خیلی ساده، دقیق، سریع و ارزونه، توی خیلی از سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، ربات‌ها و دستگاه‌های کنترل موقعیت استفاده میشه. بریم یکی‌یکی مزیت‌هاش رو ببینیم:
اندازه‌گیری مستقیم و راحت
حرکت مکانیکی رو مستقیماً تبدیل به یه ولتاژ متناسب میکنه. یعنی هر چی جای شفت عوض بشه، ولتاژ هم به همون نسبت تغییر میکنه. رابطه‌ش خطیه، پس دیگه لازم نیست سراغ محاسبات پیچیده یا مدارهای خاص بریم.
دقت بالا و تفکیک‌پذیری فوق‌العاده
چون وایپر به‌صورت پیوسته روی مسیر مقاومتی حرکت میکنه، عملاً رزولوشنش بی‌نهایت حساب میشه! فقط نویز الکتریکی یا دقت مبدل آنالوگ به دیجیتال ممکنه محدودش کنه. برای اندازه‌گیری دقیق موقعیت توی دستگاه‌های صنعتی و آزمایشگاهی عالیه.
خروجی آنالوگ و سازگاری راحت با سیستم‌های کنترل
خروجیش یه ولتاژ آنالوگه که خیلی راحت میشه با PLC، کنترلر PID یا حتی یه میکروکنترلر ساده خوندش. واسه کنترل موقعیت و مانیتورینگ خیلی کاربردیه.
پاسخ‌دهی سریع
ولتاژ خروجی تقریباً بدون تاخیر با حرکت شفت تغییر میکنه، یعنی برای کنترل‌های سریع و سیستم‌هایی که با سرعت بالا کار می‌کنن، خیلی خوب جواب میده.
پایداری و تکرارپذیری عالی
مدل‌های باکیفیت خط‌کش اهمی هیسترزیس و دریفت دمایی خیلی کمی دارن، یعنی خروجیشون همیشه پایدار و قابل اعتماد می‌مونه.
طراحی جمع‌وجور و نصب راحت
ساختارش ساده‌ست، معمولاً به شکل استوانه‌ای یا میله‌ایه و خیلی راحت می‌تونی اون رو موازی با محور حرکتی دستگاه ببندی.
قیمت مناسب
در مقایسه با سنسورهای غیرتماسی مثل LVDT یا سنسورهای موقعیت مغناطیسی، خیلی ارزون‌تره، ولی دقت و سرعتش برای بیشتر کاربردهای صنعتی کاملاً کافیه.
دامنه اندازه‌گیری متنوع
مدل‌هاش از چند میلی‌متر تا چند هزار میلی‌متر طول دارن، برای مثال توی سیلندرهای هیدرولیک، دستگاه تزریق پلاستیک یا ماشین CNC خیلی استفاده می‌شن.
بدون نیاز به مدار خاص
فقط یه منبع تغذیه DC و یه مدار ساده برای خوندن ولتاژ لازمه؛ دیگه نیازی به فرستنده یا مدار پیچیده نداره.
نکات مهم برای انتخاب خط‌کش اهمی
وقتی می‌خوای یه خط‌کش اهمی انتخاب کنی، باید چند تا نکته‌ی ساده ولی مهم رو در نظر بگیری تا هم دقت اندازه‌گیری خوب بمونه، هم عمر خط کش اهمی بیشتر بشه:
۱. محدوده اندازه‌گیری:
اول از همه ببین قراره چه طول حرکتی رو اندازه بگیره. خط‌کشی انتخاب کن که کل مسیر حرکتی مورد نیازت رو پوشش بده تا خروجی‌اش دقیق باشه و وسط کار به مشکل نخوری.
۲. شرایط محیطی:
محیط کاری خیلی تأثیر داره. اگه دما بالاست، رطوبت زیاده، یا گرد و خاک و مواد شیمیایی اطراف هست، باید مدل مقاوم‌تر و آب‌بندی‌شده بگیری. به لرزش یا ضربه زیاد دستگاه هم موقع انتخاب باید دقت کنی.
۳. نوع خروجی:
خط‌کش‌ها می‌تونن خروجی ولتاژ، جریان یا مقاومت ارایه بدن. باید بدونی سیستم کنترل یا دستگاهت با کدوم نوع سیگنال راحت‌تر کار میکنه تا هماهنگی کامل بینشون برقرار باشه.
کاربردهای خط کش اهمی
سنسورهای موقعیت خطی برای اندازه‌گیری جابه‌جایی، حرکت یا موقعیت دقیق یک جسم در راستای مستقیم استفاده می‌شن. این سنسورها توی صنایع مختلف نقش مهمی دارن چون اطلاعات موقعیت رو برای کنترل دقیق‌تر سیستم فراهم می‌کنن.
چند تا از کاربردهای رایجش:
۱. دستگاه‌های تزریق پلاستیک:
برای کنترل موقعیت واحد تزریق، مارپیچ، میزان باز و بسته شدن قالب و سیستم استخراج
۲. پرس‌های هیدرولیکی و پنوماتیکی:
برای تشخیص موقعیت دقیق پیستون و کنترل نقطه توقف یا فشار نهایی.
۳. ماشین‌آلات CNC و ربات‌ها:
جهت اندازه‌گیری حرکت محور‌ها و تأمین بازخورد موقعیت (Position Feedback) برای کنترل دقیق مسیر.
۴. سیستم‌های تعلیق خودرو (Automotive Suspension Systems):
برای اندازه‌گیری ارتفاع خودرو نسبت به زمین یا کنترل سیستم تعلیق فعال (Active Suspension).
۵. صنایع بسته‌بندی و چاپ:
برای هم‌زمان‌سازی دقیق بین اجزای متحرک مثل فیدر، برش یا چاپگر.
۶. کنترل دریچه‌ها و دمپرها (Valves & Dampers):
در سیستم‌های صنعتی برای تشخیص باز یا بسته بودن موقعیت دقیق شیر یا دمپر استفاده می‌شن.
در کل، هر جا که بخوای حرکت خطی دقیق رو اندازه بگیری یا کنترل کنی — از دستگاه‌های صنعتی گرفته تا تجهیزات آزمایشگاهی — یه خط کش اهمی می‌تونه ابزار اصلیت باشه.
