位置傳感器

在本教程中，我們將討論各種被歸類(lèi)為輸入設備的裝置，因此稱(chēng)為“傳感器”，特別是那些本質(zhì)上是位置傳感器的設備。

顧名思義，位置傳感器檢測某物的位置，這意味著(zhù)它們要么參考某個(gè)固定點(diǎn)或位置，要么相對于某個(gè)固定點(diǎn)或位置進(jìn)行測量。這些類(lèi)型的傳感器提供“位置”反饋。

確定位置的一種方法是使用“距離”，這可以是兩點(diǎn)之間的距離，例如移動(dòng)的距離或遠離某個(gè)固定點(diǎn)的距離，或者通過(guò)“旋轉”（角運動(dòng)）來(lái)確定。例如，機器人車(chē)輪的旋轉可以確定其沿地面移動(dòng)的距離。無(wú)論哪種方式，位置傳感器都可以使用線(xiàn)性傳感器檢測物體的直線(xiàn)運動(dòng)，或者使用旋轉傳感器檢測其角運動(dòng)。

電位器作為位置傳感器

所有“位置傳感器”中最常用的是電位器，因為它是一種廉價(jià)且易于使用的位置傳感器。它使用一個(gè)與機械軸相連的滑動(dòng)觸點(diǎn)，該軸可以是角度的（旋轉的）或線(xiàn)性的（滑塊類(lèi)型），沿著(zhù)軌道移動(dòng)。

這種運動(dòng)導致滑動(dòng)觸點(diǎn)與兩個(gè)端點(diǎn)之間的電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一個(gè)與電阻軌道上實(shí)際滑動(dòng)觸點(diǎn)位置及其電阻值成比例的電信號輸出。換句話(huà)說(shuō)，電阻與物理位置成正比。

電位器位置傳感器

電位器

電位器有各種設計和尺寸，例如常見(jiàn)的圓形旋轉類(lèi)型或較長(cháng)且扁平的線(xiàn)性滑塊類(lèi)型。當用作位置傳感器時(shí)，可移動(dòng)物體直接連接到電位器的旋轉軸或滑塊上。

直流參考電壓施加在形成電阻元件的兩個(gè)外部固定連接上。輸出電壓信號從滑動(dòng)觸點(diǎn)的滑動(dòng)端取出，如下所示。

這種配置產(chǎn)生一個(gè)與軸位置成比例的電勢或電壓分壓器類(lèi)型電路輸出。例如，如果在電位器的電阻元件上施加10V的電壓，則最大輸出電壓將等于電源電壓10V，最小輸出電壓等于0V。然后電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)將輸出信號從0V變化到10V，5V表示滑動(dòng)觸點(diǎn)或滑塊處于其半程或中心位置。

電位器結構

電位器結構

電位器的輸出信號（Vout）從中心滑動(dòng)觸點(diǎn)連接處取出，隨著(zhù)它沿著(zhù)電阻軌道移動(dòng)，輸出信號與軸的角位置成比例。

簡(jiǎn)單位置傳感電路示例

電位器輸出

盡管電阻電位器位置傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：低成本、低技術(shù)、易于使用等，但作為位置傳感器，它們也有許多缺點(diǎn)：由于移動(dòng)部件導致的磨損、精度低、重復性差以及頻率響應有限。

但使用電位器作為位置傳感器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，其滑動(dòng)觸點(diǎn)或滑塊的移動(dòng)范圍（以及因此獲得的輸出信號）受限于所使用的電位器的物理尺寸。

例如，單圈旋轉電位器通常只有固定的機械旋轉范圍，介于0度到約240至330度之間。然而，也有多達3600度（10 x 360度）機械旋轉的多圈電位器。

大多數類(lèi)型的電位器使用碳膜作為其電阻軌道，但這些類(lèi)型在電氣上會(huì )產(chǎn)生噪聲（如收音機音量控制上的噼啪聲），并且機械壽命較短。

線(xiàn)繞電位器，也稱(chēng)為變阻器，可以是直線(xiàn)或線(xiàn)圈電阻絲形式，但線(xiàn)繞電位器存在分辨率問(wèn)題，因為其滑動(dòng)觸點(diǎn)從一個(gè)線(xiàn)段跳到下一個(gè)線(xiàn)段，產(chǎn)生對數（LOG）輸出，導致輸出信號中的誤差。這些電位器也存在電氣噪聲問(wèn)題。

對于高精度低噪聲應用，現在可以使用導電塑料電阻元件類(lèi)型的聚合物薄膜或金屬陶瓷電位器。這些電位器具有平滑的低摩擦電線(xiàn)性（LIN）電阻軌道，使其具有低噪聲、長(cháng)壽命和出色的分辨率，并且有單圈和多圈設備可供選擇。這種高精度位置傳感器的典型應用包括計算機游戲操縱桿、方向盤(pán)、工業(yè)和機器人應用。

感應式位置傳感器

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器

一種不受機械磨損問(wèn)題影響的位置傳感器是“線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器”或簡(jiǎn)稱(chēng)LVDT。這是一種感應式位置傳感器，其工作原理與用于測量運動(dòng)的交流變壓器相同。它是一種非常精確的線(xiàn)性位移測量設備，其輸出與其可移動(dòng)核心的位置成比例。

它基本上由三個(gè)繞在空心管上的線(xiàn)圈組成，一個(gè)形成初級線(xiàn)圈，另外兩個(gè)線(xiàn)圈形成相同的次級線(xiàn)圈，電氣上串聯(lián)連接，但在初級線(xiàn)圈的兩側相位相差180度。

一個(gè)可移動(dòng)的軟鐵鐵磁核心（有時(shí)稱(chēng)為“電樞”）連接到被測量的物體，在LVDT的管體內上下滑動(dòng)或移動(dòng)。

一個(gè)稱(chēng)為“激勵信號”的小交流參考電壓（2 – 20V rms，2 – 20kHz）施加到初級繞組，從而在兩個(gè)相鄰的次級繞組中感應出電動(dòng)勢信號（變壓器原理）。

如果軟鐵磁核心電樞正好位于管和繞組的中心，“零位”，則兩個(gè)次級繞組中的感應電動(dòng)勢由于相位相差180度而相互抵消，因此輸出結果電壓為零。當核心從零位稍微向一側或另一側移動(dòng)時(shí)，其中一個(gè)次級繞組中的感應電壓將變得大于另一個(gè)次級繞組，并產(chǎn)生輸出。

輸出信號的極性取決于移動(dòng)核心的方向和位移。軟鐵核心從其中心零位移動(dòng)得越遠，輸出信號就越大。結果是一個(gè)與核心位置成線(xiàn)性關(guān)系的差分電壓輸出。因此，這種類(lèi)型的位置傳感器的輸出信號既具有與核心位移成線(xiàn)性關(guān)系的幅度，又具有指示運動(dòng)方向的極性。

輸出信號的相位可以與初級線(xiàn)圈激勵相位進(jìn)行比較，使適當的電子電路（如AD592 LVDT傳感器放大器）能夠知道磁芯位于線(xiàn)圈的哪一半，從而知道運動(dòng)方向。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器

ldvt位置傳感器

當電樞從一端通過(guò)中心位置移動(dòng)到另一端時(shí)，輸出電壓從最大值變?yōu)榱?，然后再回到最大值，但在此過(guò)程中其相位角變化180度。這使得LVDT能夠產(chǎn)生一個(gè)交流信號輸出，其幅度表示從中心位置的移動(dòng)量，其相位角表示核心的運動(dòng)方向。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）傳感器的典型應用是作為壓力傳感器，被測量的壓力推動(dòng)隔膜產(chǎn)生力。然后傳感器將力轉換為可讀的電壓信號。

與電阻電位器相比，線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器或LVDT的優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)性度非常好，即其電壓輸出與位移的關(guān)系非常準確，分辨率高，靈敏度高，且無(wú)摩擦操作。它們還密封用于惡劣環(huán)境。

感應接近位置傳感器

另一種常用的感應位置傳感器是感應接近傳感器，也稱(chēng)為渦流傳感器。雖然它們實(shí)際上不測量位移或角旋轉，但它們主要用于檢測物體是否在其前方或近距離內存在，因此得名“接近傳感器”。

接近傳感器是非接觸式位置傳感器，使用磁場(chǎng)進(jìn)行檢測，最簡(jiǎn)單的磁傳感器是干簧開(kāi)關(guān)。在感應傳感器中，線(xiàn)圈繞在電磁場(chǎng)內的鐵芯上，形成感應回路。

當鐵磁材料放置在感應傳感器周?chē)a(chǎn)生的渦流場(chǎng)中時(shí)，例如鐵磁金屬板或金屬螺釘，線(xiàn)圈的電感會(huì )顯著(zhù)變化。接近傳感器的檢測電路檢測到這種變化，產(chǎn)生輸出電壓。因此，感應接近傳感器根據法拉第電感定律的電氣原理工作。

感應接近位置傳感器

感應接近位置傳感器

感應接近傳感器有四個(gè)主要組件；產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩器，產(chǎn)生磁場(chǎng)的線(xiàn)圈，檢測物體進(jìn)入時(shí)磁場(chǎng)變化的檢測電路，以及產(chǎn)生輸出信號的輸出電路，具有常閉（NC）或常開(kāi)（NO）觸點(diǎn)。

感應接近傳感器允許在不與被檢測物體本身進(jìn)行物理接觸的情況下檢測傳感器頭前方的金屬物體。這使得它們非常適合在臟或濕的環(huán)境中使用。接近傳感器的“感應”范圍非常小，通常為0.1毫米到12毫米。

接近位置傳感器

接近傳感器

除了工業(yè)應用外，感應接近傳感器還常用于通過(guò)改變交叉路口的交通信號燈來(lái)控制交通流量。矩形感應線(xiàn)圈埋入柏油路面。

當汽車(chē)或其他道路車(chē)輛通過(guò)這個(gè)感應線(xiàn)圈時(shí)，車(chē)輛的金屬車(chē)身會(huì )改變線(xiàn)圈的電感并激活傳感器，從而提醒交通信號燈控制器有車(chē)輛在等待。

這些類(lèi)型的位置傳感器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們是“全向的”，即它們會(huì )感應到上方、下方或側面的金屬物體。此外，它們不檢測非金屬物體，盡管有電容式接近傳感器和超聲波接近傳感器可用。其他常見(jiàn)的磁位置傳感器包括：干簧開(kāi)關(guān)、霍爾效應傳感器和可變磁阻傳感器。

旋轉編碼器作為位置傳感器

旋轉編碼器是另一種類(lèi)型的位置傳感器，類(lèi)似于前面提到的電位器，但它們是用于將旋轉軸的角位置轉換為模擬或數字數據代碼的非接觸式光學(xué)設備。換句話(huà)說(shuō)，它們將機械運動(dòng)轉換為電信號（最好是數字信號）。

所有光學(xué)編碼器都基于相同的基本原理。來(lái)自L(fǎng)ED或紅外光源的光通過(guò)一個(gè)旋轉的高分辨率編碼盤(pán)，該盤(pán)包含所需的代碼模式，如二進(jìn)制、格雷碼或BCD。光電探測器在盤(pán)旋轉時(shí)掃描盤(pán)，電子電路將信息處理為數字形式，作為二進(jìn)制輸出脈沖流，饋送到計數器或控制器，確定軸的實(shí)際角位置。

旋轉光學(xué)編碼器有兩種基本類(lèi)型，增量編碼器和絕對位置編碼器。

增量編碼器

光學(xué)編碼盤(pán)

編碼盤(pán)

增量編碼器，也稱(chēng)為正交編碼器或相對旋轉編碼器，是兩種位置傳感器中最簡(jiǎn)單的。它們的輸出是一系列方波脈沖，由光電探測器裝置生成，當帶有均勻間隔的透明和暗線(xiàn)（稱(chēng)為段）的編碼盤(pán)移動(dòng)或旋轉經(jīng)過(guò)光源時(shí)。編碼器產(chǎn)生一系列方波脈沖，當計數時(shí)，指示旋轉軸的角位置。

增量編碼器有兩個(gè)獨立的輸出，稱(chēng)為“正交輸出”。這兩個(gè)輸出相位相差90度，軸旋轉的方向由輸出序列確定。

盤(pán)上的透明和暗段或槽的數量決定了設備的分辨率，增加圖案中的線(xiàn)數會(huì )增加每度旋轉的分辨率。典型的編碼盤(pán)每轉分辨率可達256個(gè)脈沖或8位。

最簡(jiǎn)單的增量編碼器稱(chēng)為轉速計。它有一個(gè)單一的方波輸出，通常用于只需要基本位置或速度信息的單向應用?！罢弧被颉罢也ā本幋a器更常見(jiàn)，有兩個(gè)輸出方波，通常稱(chēng)為通道A和通道B。該設備使用兩個(gè)光電探測器，彼此略微偏移90度，從而產(chǎn)生兩個(gè)獨立的正弦和余弦輸出信號。

簡(jiǎn)單增量編碼器

增量位置編碼器

通過(guò)使用反正切數學(xué)函數，可以計算軸的弧度角。通常，旋轉位置編碼器中使用的光學(xué)盤(pán)是圓形的，那么輸出分辨率將給出為：θ = 360/n，其中n等于編碼盤(pán)上的段數。

例如，要使增量編碼器的分辨率為1度，所需的段數為：1度 = 360/n，因此，n = 360個(gè)窗口，等等。此外，旋轉方向通過(guò)注意哪個(gè)通道首先產(chǎn)生輸出來(lái)確定，通道A或通道B給出兩個(gè)旋轉方向，A領(lǐng)先B或B領(lǐng)先A。這種安排如下所示。

增量編碼器輸出

增量編碼器輸出

當用作位置傳感器時(shí)，增量編碼器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們需要外部計數器來(lái)確定給定旋轉內軸的絕對角度。如果電源暫時(shí)關(guān)閉，或者如果編碼器由于噪聲或臟盤(pán)而錯過(guò)一個(gè)脈沖，則產(chǎn)生的角度信息將產(chǎn)生誤差?？朔@一缺點(diǎn)的一種方法是使用絕對位置編碼器。

絕對位置編碼器

絕對位置編碼器比正交編碼器更復雜。它們?yōu)槊總€(gè)旋轉位置提供唯一的輸出代碼，指示位置和方向。它們的編碼盤(pán)由多個(gè)同心“軌道”的光和暗段組成。每個(gè)軌道都是獨立的，有自己的光電探測器，同時(shí)讀取每個(gè)運動(dòng)角度的唯一編碼位置值。盤(pán)上的軌道數量對應于編碼器的二進(jìn)制“位”分辨率，因此12位絕對編碼器將有12個(gè)軌道，相同的編碼值每轉只出現一次。

4位二進(jìn)制編碼盤(pán)

絕對位置編碼器

絕對編碼器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其非易失性存儲器，如果電源故障，無(wú)需返回到“家”位置即可保留編碼器的確切位置。大多數旋轉編碼器被定義為“單轉”設備，但也有絕對多轉設備可用，通過(guò)添加額外的編碼盤(pán)在多個(gè)旋轉中獲得反饋。

絕對位置編碼器的典型應用包括計算機硬盤(pán)驅動(dòng)器和CD/DVD驅動(dòng)器，其中驅動(dòng)器讀/寫(xiě)頭的絕對位置被監控，或打印機/繪圖儀中用于準確定位打印頭在紙張上的位置。

在本教程中，我們討論了幾個(gè)用于測量物體位置或存在的傳感器示例。在下一個(gè)教程中，我們將討論用于測量溫度的傳感器，如熱敏電阻、恒溫器和熱電偶，因此通常稱(chēng)為溫度傳感器。