深度解讀角度傳感器

角度傳感器的定義

角度傳感器是指能感受被測角度并轉換成可用輸出信號的傳感器。 角度傳感器，顧名思義，是用來(lái)檢測角度的。它的身體中有一個(gè)孔，可以配合樂(lè )高的軸。當連結到RCX上時(shí)，軸每轉過(guò)1/16圈，角度傳感器就會(huì )計數一次。往一個(gè)方向轉動(dòng)時(shí)，計數增加，轉動(dòng)方向改變時(shí)，計數減少。計數與角度傳感器的初始位置有關(guān)。當初始化角度傳感器時(shí)，它的計數值被設置為0，如果需要，你可以用編程把它重新復位。

 通過(guò)計算旋轉的角度可以很容易的測出位置和速度。當在機器人身上連接上輪子（或通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)移動(dòng)機器人）時(shí)，可以依據旋轉的角度和輪子圓周數來(lái)推斷機器人移動(dòng)的距離。然后就可以把距離轉換成速度，你也可以用它除以所用時(shí)間。

實(shí)際上，計算距離的基本方程式為： 距離=速度×時(shí)間 

由此可以得到：速度=距離/時(shí)間 

磁敏角度傳感器

磁敏電阻角度傳感

磁敏感角度傳感器采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信號感應非接觸的特點(diǎn)，配合微處理器進(jìn)行智能化信號處理制成的新一代角度傳感器。

特點(diǎn)：無(wú)觸點(diǎn)、高靈敏度、接近無(wú)限轉動(dòng)壽命、無(wú)噪聲、高重復性、高頻響應特性好 。

優(yōu)點(diǎn):

1、磁鋼位置未對準自動(dòng)補償； 

2、故障檢測功能；

3、非接觸位置檢測功能，是滿(mǎn)足苛刻環(huán)境應用需求的理想選擇。

應用領(lǐng)域:

1、工業(yè)機械、工程機械建筑設備、石化設備、醫療設備、航空航天儀器儀表、國防工業(yè)等旋轉速度和角度的測量.

2、汽車(chē)電子腳踩油門(mén)角位移,方向盤(pán)位置,座椅位置,前大燈位置;

3、自動(dòng)化機器人,運動(dòng)控制,旋轉電機轉動(dòng)和控制.

基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器

傳統的拉線(xiàn)式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機械位移轉換成與之成線(xiàn)性或任意函數關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線(xiàn)電位器和圓形電位器都可分別用作直線(xiàn)位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，把電阻變化轉換為電壓輸出。傳統的拉線(xiàn)式位移傳感器由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統中用作位移反饋元件的時(shí)，則過(guò)大的階躍電壓會(huì )引起系統振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導致測量精度的下降。它的優(yōu)點(diǎn)是：結構簡(jiǎn)單，輸出信號大，使用方便，價(jià)格低廉。

基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器以磁場(chǎng)為傳輸載體，將位移變換轉換為磁場(chǎng)角度位移，同時(shí)，通過(guò)通信接口將位移信號返回給應用系統。

基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器的功能是將拉線(xiàn)的機械位移換成可以計量、記錄或傳送的電信號，主要由自動(dòng)回復彈簧、輪轂、磁鐵以及數據處理單元等部分構成，結構如圖2所示。

由圖2可以看出，該基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統的拉線(xiàn)式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點(diǎn)，基于磁敏角度技術(shù)的拉線(xiàn)式位移傳感器以磁場(chǎng)為媒介，將機械位移變化轉化為磁場(chǎng)角度變化，一方面解決傳統拉線(xiàn)位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統高頻特性，從而確保位移檢測精度。數據處理運算器，用于對接收到的磁敏角度信號通過(guò)數學(xué)模型運算為拉線(xiàn)的位移信號。通信接口，通過(guò)通信接口與應用系統的設備進(jìn)行通信，接收來(lái)自應用系統設備的命令并將采集到的位移信號反饋給應用系統。從而提高了數據采集精度、穩定性和可靠性，降低了位移傳感器的應用門(mén)檻。

各個(gè)部件功能描述如下：

1、拉線(xiàn)的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個(gè)磁鐵連接在一起，當拉線(xiàn)產(chǎn)生位移的時(shí)候，帶動(dòng)輪轂的轉動(dòng)，輪轂的轉動(dòng)造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉動(dòng)，從而磁鐵的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)變化的角度。拉線(xiàn)運動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，自動(dòng)回復彈簧確保拉線(xiàn)具備一定的張力，確保拉線(xiàn)的位移與磁敏角度的比例關(guān)系。

2、磁敏角度感應器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來(lái)感應磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過(guò)建立數學(xué)模型，將磁敏角度運算為拉線(xiàn)的位移。

3、通訊接口，微處理器通過(guò)通信接口接收來(lái)自應用系統的命令并將位移信息通過(guò)通信接口返回給應用系統。

硬件接口電路

數據處理單元由磁敏角度感應器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖所示。

通過(guò)分析，磁敏角度感應器將拉線(xiàn)位移所導致的磁鐵磁場(chǎng)轉動(dòng)的角度轉換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對接收到的磁敏角度數據進(jìn)行處理，完成磁敏角度數據的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉換的角度，所以通過(guò)建立數學(xué)模型，結合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線(xiàn)的位移。

電容式角位移傳感器

電容式角位移傳感器用于測量固定部件(定子)與轉動(dòng)部件(轉子)之間的旋轉角度，因其具有結構簡(jiǎn)單，測量精度高，靈敏度高，適合動(dòng)態(tài)測量等特點(diǎn)，而被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)控制。

一般來(lái)說(shuō)，電容式角位移傳感器由一組或若干組扇形固定極板和轉動(dòng)極板組成，為保證傳感器的精度和靈敏度，同時(shí)避免因環(huán)境溫度等因素的改變導致介電常數、極板形狀等的間接變化，進(jìn)而對傳感器性能產(chǎn)生不利影響，對傳感器的制作材料、加工工藝以及安裝精度提出了較高要求，為了克服電容角位移傳感器的局限性，國內外科學(xué)工作者進(jìn)行了長(cháng)期的大量研究工作，其主要思想方法是將傳感器設計成差動(dòng)結構。 傳感器系統原理框圖如圖所示：

由敏感元件、測量電路、智能部件與接口部件構成，敏感元件的結構所示如圖1，測量部件由選擇單元、激勵源和電荷檢測單元組成;智能部件由I/O單元、A/D單元、濾波單元、角度計算單元等組成;接口部件由電流輸出單元、RS232通訊單元等組成。

敏感元件檢測反映角度位置的電容值，是傳感器的初始轉換單元，測量單元采用了先進(jìn)的抗雜散微小電容檢測電路，將電容值轉換為電信號，智能部件的主要功能是通過(guò)比例式算法計算出角位移量，最后由接口部件輸出角度計算結果。

傾角傳感器

傾角傳感器經(jīng)常用于系統的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，傾角傳感器還可以用來(lái)測量相對于水平面的傾角變化量。

傾角傳感器基本原理

理論基礎就是牛頓第二定律，根據基本的物理原理，在一個(gè)系統內部，速度是無(wú)法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過(guò)積分計算出線(xiàn)速度，進(jìn)而可以計算出直線(xiàn)位移。所以它其實(shí)是運用慣性原理的一種加速度傳感器。

當傾角傳感器靜止時(shí)也就是側面和垂直方向沒(méi)有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。 

隨著(zhù)MEMS 技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過(guò)去的幾年中成為最成功,應用最廣泛的微機電系統器件之一，而微加速度計就是慣性傳感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應用，現在的MEMS 加速度計有非常高的集成度，即傳感系統與接口線(xiàn)路集成在一個(gè)芯片上。 

傾角傳感器把MCU，MEMS加速度計，模數轉換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面?？梢灾苯虞敵鼋嵌鹊葍A斜數據，讓人們更方便的使用它。 

其特點(diǎn)是： 硅微機械傳感器測量(MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準面為參考，基準面可被再次校準。數據方式輸出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強。 

傾角傳感器的分類(lèi)

“固體擺”式慣性器件

固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統，其由擺錘、擺線(xiàn)、支架組成， 擺錘受重力G和擺拉力T的作用，如應變式傾角傳感器就基于此原理。 

 “液體擺”式慣性器件

液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有導電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等。當殼體水平時(shí)，電極插入導電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時(shí)，電極之間會(huì )形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個(gè)電阻RI和RIII。若液體擺水平時(shí)，則RI＝RIII。當玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。左邊電極浸入深度小，則導電液減少，導電的離子數減少，電阻RI增大，相對極則導電液增加，導電的離子數增加，而使電阻RIII 減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。 

在液體擺的應用中也有根據液體位置變化引起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實(shí)用中除此類(lèi)型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時(shí)氣泡會(huì )運動(dòng)使電容發(fā)生變化而感應出傾角的“液體擺”。 

 “氣體擺”式慣性器件

氣體在受熱時(shí)受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質(zhì)量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性?！皻怏w擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線(xiàn)組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時(shí)，熱線(xiàn)的阻值發(fā)生變化，并且熱線(xiàn)阻值的變化是角度q或加速度的函數，因而也具有擺的效應。其中熱線(xiàn)阻值的變化是氣體與熱線(xiàn)之間的能量交換引起的。 

 “氣體擺”式慣性器件的敏感機理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線(xiàn)，熱線(xiàn)是唯一的熱源。當裝置通電時(shí)，對氣體加熱。在熱線(xiàn)能量交換中對流是主要形式。 

固、液、氣體擺性能比較

就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而言，它們各有所長(cháng)。在重力場(chǎng)中，固體擺的敏感質(zhì)量是擺錘質(zhì)量，液體擺的敏感質(zhì)量是電解液，而氣體擺的敏感質(zhì)量是氣體。 

氣體是密封腔體內的唯一運動(dòng)體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過(guò)載時(shí)產(chǎn)生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動(dòng)或沖擊能力。但氣體運動(dòng)控制較為復雜，影響其運動(dòng)的因素較多，其精度無(wú)法達到軍用武器系統的要求。 

固體擺傾角傳感器有明確的擺長(cháng)和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同。在實(shí)用中產(chǎn)品類(lèi)型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測量范圍、精度及抗過(guò)載能力較高，在武器系統中應用也較為廣泛。 

液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統穩定，在高精度系統中，應用較為廣泛，且國內外產(chǎn)品多為此類(lèi)

其它角度傳感器

RFA4000系列

RFA4000系列角度傳感器，非接觸式，無(wú)磨損，空間測量

● 非接觸式測量技術(shù)，磁場(chǎng)感應測量

● 磁塊、傳感器空間隔離

● 工作量程可達360o

● 安裝簡(jiǎn)便

● 磁塊對中允許左右偏移±3mm

● 防護等級IP67

● 可單路或冗余輸出

● 無(wú)限機械使用壽命

● 分辨率12位

● 獨立線(xiàn)性±0.5%

● 高性?xún)r(jià)比

● 體積小巧，30 x 30 x 7mm3

特點(diǎn)：該傳感器通過(guò)感知磁場(chǎng)方向的變化，來(lái)確定需要測量的角度。一般情況，轉動(dòng)的機件軸上裝有磁塊，機件軸轉動(dòng)造成磁場(chǎng)方向變化，該變化被傳感器的集成電路反應出來(lái)。經(jīng)過(guò)計算得出模擬量的角度信號輸出。傳感器外形小巧，可以應用于非常狹窄的安裝空間。傳感器由高等級耐高溫塑料材料制成。傳感器安全密封，適用于灰塵，污垢或潮濕等惡劣環(huán)境。

RFA 系列傳感器由磁塊和傳感器兩部分組成，傳感器自身無(wú)轉動(dòng)軸和軸承，這樣最大程度方便客戶(hù)安裝和維護。磁塊和傳感器之間允許非磁性介質(zhì)，磁場(chǎng)能穿透介質(zhì)進(jìn)行空間測量。信號輸出通過(guò)密封于傳感器內部的屏蔽電纜/ 鍍錫導線(xiàn)實(shí)現。

CK系傳感器

CK 系列角度傳感器采用智能磁敏感元件，將機械轉動(dòng)或角位移轉化為電信號輸出，非接觸測量。產(chǎn)品具有分辨率高，溫度穩定性好， 360 °范圍內絕對角位置測量等優(yōu)點(diǎn)。適用于水、油、汽、粉塵等惡劣環(huán)境。產(chǎn)品可提供多種輸出形式：模擬量， PWM 脈寬調制波， SPI 串行協(xié)議輸出等?？膳浣语@示儀表。角度顯示儀表可選帶報警功能、角度設定功能、 PID 調節以及計算機通訊接口和打印接口等多項功能。

CK系列特點(diǎn)： 非接觸測量；360 °全角度絕對位置測量；溫度穩定性好；高靈敏度；長(cháng)壽命；性?xún)r(jià)比高 產(chǎn)品應用 

角度傳感器的選擇標準

1、頻率響應特性

角度傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。

傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。

在動(dòng)態(tài)測量中，應根據信號的特點(diǎn)(穩態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。

2、靈敏度的選擇

通常，在角度傳感器的線(xiàn)性范圍內，希望角度傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時(shí)，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì )被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠(chǎng)擾信號。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、穩定性

傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱(chēng)為穩定性。影響傳感器長(cháng)期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。

另外，在選擇角度傳感器之前，應對其使用環(huán)境進(jìn)行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。

4、線(xiàn)性范圍

角度傳感器的線(xiàn)形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。

但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內，可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的，這會(huì )給測量帶來(lái)極大的方便。

角度傳感器的好壞并非單一因素決定的。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)并不是越靈敏越好，或是越穩定越好。這些都是多方面的考慮。綜合自身的要求去選擇適合自己的傳感器才是最好的。