在本教程中，我们将学习位置传感器。位置传感器在我们的日常生活中扮演着重要的角色，在家用产品、汽车、办公或工业场所等方面都有大量的应用。位置传感器，顾名思义，对被测物(被测量)的位置提供反馈。
大纲
简介
位置传感器通过确定目标的存在或不存在，或通过检测目标的方向、速度、运动或距离，提供运动控制、计数和编码任务。
位置传感器可以检测物体的位置或电场或磁场的干扰，并将该物理参数转换为输出电信号，以指示目标的位置。
随着技术的进步，传感设备继续变得更小，更便宜，性能更好，为更多的应用打开了大门。
位置传感器的种类
位置传感器根据传感方式一般分为两类。
他们是
- 接触设备
- 非接触式设备
顾名思义，位置传感器的接触类型与被测对象有物理接触。基于接触的传感器是限位开关和基于电阻的位置传感器。基于接触的传感器在可接受与物体的物理接触的应用中提供了简单和低成本的解决方案。
非接触式设备不涉及与物体的物理接触。它们是磁传感器、接近传感器、基于霍尔效应的传感器和超声波传感器。
每一种位置传感器都有其优点和局限性。目标是为特定应用的参数选择具有成本效益的传感器解决方案。
基于电阻或电位的位置传感器
电阻性位置传感器也称为电位器或位置传感器。它们最初是为军事用途开发的。它们被用于收音机和电视作为面板安装的调节旋钮。电位器可以作为线性或旋转位置传感器工作。
电位器不需要电源或额外的电路来执行其基本的位置传感功能。因此，它们是被动设备。它们有两种工作模式:分压器和变阻器。在变阻器中，电阻随运动而变化。因此，应用程序利用固定终端和滑动触点之间的可变电阻。分压器具有真正的测电位操作。在这种情况下，在电阻元件上施加一个参考电压。移动刮水器的位置是通过计算刮水器所拾取的电压来确定的。
电位器是最常用的位置传感器。它有一个固定终端和一个连接到机械轴的雨刷终端。移动可以是直线(滑动)或角度(旋转)。这个运动导致固定和雨刷端子之间的电阻发生变化。输出电信号通常是电压，其变化与雨刷电阻轨道的位置成比例，因此也与电阻的值成比例。
电位器有不同的尺寸和设计。常用的类型有直线滑块和旋转滑块。当它被用作位置传感器时，对象连接到它的滑块上。
图片资源链接:en.wikipedia.org/wiki/Potentiometer
在雨刷器两侧的固定端子之间施加参考电压，输出电压从该雨刷器获得。这种配置形成一个分压器网络，输出电压取决于滑块的位置。
如果对电位器施加12v的电位，则输出电压可达12v和最小0 V。根据雨刷的位置，输出电压可以是0v到12v之间的任何值。如果雨刷位于阻性轨迹的中心，则输出电压为6v。
电位器的结构如下图所示。
对于一般用途的位置传感，一个低成本的电位器就足够了。该电位器的优点是成本低，操作简单，应用原理简单，使用方便，抗电磁干扰能力强。缺点是最终磨损由于滑动雨刷，较小的传感角度和低精度。基于电位器的位置传感器的主要缺点是它的物理尺寸，因为它限制了滑动块的运动，从而限制了输出信号。典型电位器的感应角度在00到2400到3300之间的最大范围内。游标转弯可实现多转弯能力。
一个简单的位置传感电路如下所示。
它由一个运算放大器和一个基于电位器的位置传感器组成。输出电压取决于雨刷的位置。
碳膜是电位器中最常用的电阻履带。但是在预期电阻中有一个接触噪声。接触噪声是雨刷器与电阻表面机械接触的结果。这可能导致高达5%的总阻力。
绕线式电位器采用直线电阻元件或线圈绕线电阻丝。问题与电线缠绕电位器是跳雨刷之间的位置产生对数输出信号。
聚合物膜或陶瓷型电位器可用于高精度和低噪声的应用。这些是由导电塑料电阻材料组成的。他们有非常少的摩擦之间的雨刷和表面，因此更少的电噪声，良好的分辨率和更长的寿命。这些可作为单转和多转设备。这些设备用于高精度应用，如操纵杆，工业机器人等。
电容式位置传感器
电容式传感器是非接触式的设备，用于精确测量目标位置，如果目标是导电的性质，或用于测量材料的厚度和密度，如果目标是不导电的性质。当与导电目标一起使用时，它们的工作与目标的材料无关，因为所有导体对电容传感器来说都是一样的。目标的厚度也不重要，因为传感器感知目标的表面。它们主要用于磁盘驱动器、半导体技术和高精度制造行业，这些行业对高精度和频率响应很重要。当与非导电目标一起使用时，它们通常用于标签探测器、涂层厚度监视器和纸和薄膜厚度测量装置。
它们主要用于测量从几毫米到纳米的线性位移。电容式传感器利用电导率来测量位置。物体储存电荷的能力就是电容。最常用的储存电荷的装置是平行板电容器。平行极板电容器的电容与极板的表面积和介电常数成正比，与极板之间的距离成反比。因此，当板之间的间距发生变化时，其电容也会发生变化，电容式传感器就利用了这一特性。
电容,
C =(εrεo) / d
在哪里
εr介电的相对介电常数是多少
εo是自由空间的介电常数吗
A是板块的重叠面积
d是两个平板之间的距离
典型的电容式传感模型由两块金属板组成，中间有空气作为介电介质。传感器或探针是其中一块金属板，而导电的目标物体是另一块金属板。
当电势施加到导体的两个极板上时，由于一个极板上聚集正电荷，另一个极板上聚集负电荷，从而在两个极板之间形成电场。
电容式传感器采用交流电压。交流电压使电荷不断地改变它们的位置。监测电容探头和目标之间的交变电场的变化，并用于测量探头和目标之间的电容。电容是由表面的面积，介电常数和表面的间距决定的。在大多数电容式传感应用中，电容式传感器与目标的尺寸和面积不变。导电表面之间的介电材料不改变。导致电容变化的唯一因素是电容传感器和目标之间的距离或间距。
因此，电容是目标位置的指示器。电容式传感器经过校准，产生一个输出电压，对应于探头和目标之间的距离的变化，这导致电容的变化。这叫做电容式传感器的灵敏度。电容式传感器的灵敏度是指电压变化量与距离变化量的比值。通常使用的灵敏度设置为1 V / 100 μ m，即输出电压每100 μ m变化1 V。
电容式传感器探头由三部分组成:感应区、防护层和探头体。
电势应用于传感区域。有一个问题是电场扩散到目标上的区域，而不是定义的传感区域和目标。为了防止这种情况的发生，使用了一种叫做守护的技术。在这种技术中，通过围绕感知区域的两侧和后面创建一个保护区域，并保持与感知区域相同的电位。由于防护层和传感区域处于相同的电位，因此它们之间不会有电场。在感应区域以外的任何其他导体都将与防护装置形成电场。传感区域和相应的目标是不受干扰的。
由于这个防护，感应区域的电场投影本质上将是圆锥形的。来自探头的电场覆盖在目标上的面积大约比传感器的面积大30%。因此，必须有一个最小的目标直径为30%的敏感区域的直径的标准校准。
传感探头的范围与传感面积的大小成正比。较小的探头必须放置更接近目标，以达到所需的电容量。探头和目标之间的最大允许间隙约为感知区域直径的40%。超过这个范围，探针就变得毫无用处。有些应用程序同时使用多个探测。在这些应用中，必须同步所有探头的激励电压。如果电压不同步，两个探针会相互干扰，因为一个探针可能试图增加电场，而另一个则试图减小电场。这给出了错误的解读。
电容式传感器也可用于非导电目标。非导电靶的介电常数是操作的基础。塑料等非导电材料的介电常数与空气不同。当非导电材料作为两个导电板之间的介电介质时，其介电常数将决定导体之间的电容。
所述两个导电板分别为传感器探针和接地导电基准。电容的变化以及由此产生的传感器输出将对应于材料厚度、密度或成分的变化。
有高精度、高性能的电容式传感器，可以测量纳米量级的位移。这些高性能传感器是稳定的温度变化，产生线性输出和高分辨率。
与其他非接触式器件相比，电容式传感器的优点是分辨率高，价格便宜，对目标材料不敏感。电容式传感器不适用于环境干燥或潮湿、探头与目标之间距离较大的条件。
感应位置传感器
感应传感器是一种非接触式的设备，如果目标是导电的，则用于精确测量目标位置。感应传感器用于识别任何导电金属目标。
电容式传感器利用电场来感知导电目标的表面。感应式传感器利用穿透目标的电磁场。一种感应传感器探头由产生高频电磁场的振荡器组成。这个场是从探头的传感面辐射出来的。
图片资源链接:baumer.com/typo3temp/pics/User_Knowledge_Presence_Inductive_Functionality_sensor_EN_216cc0d8dd.jpg
当这个磁场接触到导电的金属靶时，金属靶内就会产生一个小电流。这些电流会产生自己的电磁场，干扰来自探头的电磁场。这引起了探头信号振荡振幅的变化。输出电压可根据此变化进行校准。当探头靠近目标时，与探头产生的磁场反应的电流越多，输出也就越大。
与电容式传感器不同，电感式传感器与探头和目标之间的缝隙中的材料无关。因此，它们可以在石油或其他液体可能出现在空隙的恶劣环境中使用。
在电感式传感器中，目标材料是一个重要因素。铝、钢和铜等材料对传感器的反应各不相同。因此，传感器必须针对每个目标进行校准，以实现最佳至最高的可能性能。
电感式传感器的目标材料一般有两种。它们是黑色和有色金属。黑色材料本质上是磁性的，而非黑色材料是无磁性的。黑色材料包括铁和大多数钢铁材料，而有色材料包括锌、铝、铜和黄铜。有些感应传感器可以同时作用于黑色和有色目标材料，而另一些则只能作用于一种类型的材料。
目标的大小也很重要，因为探头的有效电磁场面积因传感器而异。最低要求是目标的横截面积至少为探头线圈直径的300%，即理想情况下，目标的表面积必须至少为探头直径的3倍。
目标的厚度也是一个重要的因素，因为电磁场会穿透目标并产生电流。目标的厚度取决于驱动探头的信号频率，并与频率成反比，即当驱动频率增大时，目标的最小厚度减小。
对于1 MHz的驱动频率，一些常用的目标材料的最小厚度如下:
- 铁- 0.6毫米
- 不锈钢- 0.4毫米
- 铜- 0.2毫米
- 铝- 0.25毫米
- 铜- 1.6毫米
具有模拟输出信号的电感式传感器以其纳米分辨率、短响应时间、80khz或更高的频率响应、重复精度和对环境污染物的免疫而闻名。
电感式传感器的输出电压和电流与传感器表面与目标物体之间的距离成正比，即电压和电流代表与该距离对应的绝对测量值。此属性在许多应用程序中使用。
线性可变差动变压器(LVDT)
线性可变差动变压器(LVDT)是一种常见的机电、高分辨率、基于接触的线性位置传感器。LVDT是一种可用的、可靠的、准确的测量线性距离的方法。lvdt用于计算机化制造、机床、航空电子设备和机器人。
线性可变差动变压器是一种位置传感器。LVDT由三个线圈组成，一个主线圈和两个副线圈。如图所示放置一个可移动磁芯。这个磁芯也被称为电枢，控制LVDT中初级和次级线圈之间的电流转移。LVDT的输出与磁芯的位置成正比。
LVDT的横断面视图如下所示。
图片资源链接:keckec.com/seismo/images/lvdtbig.gif
磁芯在变压器内线性移动，该变压器由一个主线圈和两个相同的以圆柱形方式缠绕的外部二次线圈组成。
当初级线圈被交流电激励时，次级线圈就会产生电压。次级线圈的电压根据轴向移动的线圈之间的磁芯位置而变化。输出电信号等于通过二次绕组的电压之差。因此，输出电压与磁芯的线性机械运动成正比。
LVDT的普通变压器样式表示如下所示。
LVDT的示意图如下所示。
线性的工作:
变压器的一次线圈通过施加恒幅交变源来通电。这产生了一个磁场和发展的磁通量是耦合到次级线圈S1和S2的磁芯在中心。次级线圈彼此绕成不相。因此，当磁芯的位置正好位于两个次级线圈之间时，等量的磁通量耦合到S1和S2。每个次级线圈的感应电压V1和V2是相等的。因此输出差电压V出等于零。
V1= V2
和
V出= V1- - - - - - V2= 0
当线圈远离中心时，每个次级线圈的感应电压是不同的。当磁芯向S1移动时，与S1耦合的磁通量大于与S2耦合的磁通量。因此感应电压V1增加和V2减少。
输出差电压为V出= V1- - - - - - V2．
如果磁芯或电枢向二次线圈S2移动，则与S2耦合的磁通量大于S1。感应电压V2增加而V1减少。
因此,
输出电压为V出= V2- - - - - - V1．
输出信号的相位可以确定磁芯的位置。
简单地说，如果次级线圈或任何漏电感之间有任何不匹配，LVDT的输出电压将不能确定磁芯的位置。信号调理电路在消除这些困难方面是有用的。
正常的LVDT如下所示。
LVDT与信号调理电路如下图所示。
它由附加的滤波和放大电路组成，其中两个输出信号的绝对值被减去。绝对值电路可以由二极管电容整流器形成。滤波器用于检测两个次级电压的幅值。这种方法在测量中心位置的正变化和负变化时都很有用。
LVDT作为位置传感器在许多方面都比电位器有巨大的优势。由于磁芯不接触线圈，线圈和磁芯之间没有机械接触。因此实现了无摩擦操作，在测试和高分辨率设备中很有用。这也是延长它们使用寿命的一个重要因素。
由于其电磁耦合原理和无摩擦工作，LVDT可以测量无穷小的微小变化。
感应距离传感器
感应接近传感器是一种低成本、固态和非接触式的设备。它们主要用于检测本质上是黑色和有色的金属物体。感应接近传感器的基本部件是线圈、振荡器、检测电路和输出电路。
当交流电通过线圈时，它产生高频磁场。如果一个金属物体靠近这个磁场，线圈的电感就会改变。磁场在物体中引起的涡流将改变振荡的振幅。解调器将检测到振幅的变化，并将其转换为直流信号。这个直流信号触发触发器和输出级开关。
无需任何额外设备，感应接近传感器可以操作电磁离合器、刹车和阀门。为了驱动传感器，可以使用任何形状和大小的金属、气缸、机床支架或钻头。
感应接近传感器忽略非金属物体，如油，水，污垢等。它能承受冲击环境和耐短路。
它们被用于工业自动化的产品计数，在安全系统中作为金属探测器，在军事应用中探测地雷和其他武器。
基于霍尔效应的磁位传感器
磁位传感器通过探测地球产生的磁场、电流、磁铁甚至脑电波活动的强度、方向或是否存在来确定物体的位置。磁性位置传感器是一种非接触式设备，在许多工业和导航系统中都具有重要的作用。
磁场是一个矢量，它既有大小也有方向。有些传感器测量的是磁场的大小，而不是磁场的方向。这些是标量传感器。其他传感器测量沿其主敏感轴的磁化分量的大小。这些是单向传感器。有些传感器包括磁场的方向及其大小。这些是双向传感器。
霍尔效应传感器是一种磁场传感器，可用于感知位置、压力、电流、温度等。
一般霍尔效应传感器如下图所示。
霍尔效应装置当用作位置传感器时，可以非常精确和负担得起。霍尔效应传感器由由导电材料薄片构成的霍尔元件组成。霍尔元件的输出连接与电流方向垂直。当霍尔效应传感器受到磁场作用时，它会与与磁场强度成正比的输出电压发生反应。由于原始输出电压非常小，需要附加的电子电路，如信号调理电路，以达到有用的电压水平。因此，一个基本的霍尔效应传感器由霍尔元件和集成电路上的信号调理电路组成。
霍尔效应的原理是这样的:“当一个带电流的导体被置于磁场中时，就会产生一个与电流和磁场都垂直的电压。”
考虑一张导电材料的薄板。电流通过这个和输出连接是垂直于电流流动的方向。
在没有磁场的情况下，电流分布是均匀的，输出中没有电位差。
当存在垂直于电流方向的磁场时，电流受到洛伦兹力的作用。这个力扰乱了电流分布，在输出端产生了电位差。
基于霍尔效应的位置传感器可提供数字和模拟输出。在数字输出传感器中，输出是ON状态或OFF状态。数字霍尔效应传感器有两种类型:双极和单极。双极传感器需要南极的正高斯来工作，北极的负高斯来释放。释放是通过移动正高斯或南极远离传感器获得的。单极传感器需要一个磁极才能工作。
在模拟输出传感器中，输出电压是连续的，依赖于磁场的强度。输出电压分别随强磁场或弱磁场的增大或减小。它们靠靠近磁极来运作。
考虑基于霍尔效应的位置传感器的以下安排。
它由四个带数字输出的单极传感器组成，这四个传感器连接在一起，装在一个铝制外壳中。这些传感器由四个单独的磁性执行器驱动，并连接到一个液压系统。传感器产生事件信号，表示从参考表面测量的距离。这些信号定义了被测物体必须产生电信号的可接受极限。
以下设置用于实现0.002英寸的线性定位精度。它由四个带数字输出的双极传感器组成。它们是由安装在杆子上的磁铁驱动的。
霍尔效应传感器的优点是寿命长，速度快，温度范围为-40 - 150℃。
涡流位置传感器
涡流传感器是非接触式的器件，用于测量导电目标的位置、位移、振荡和振动。涡流传感器用于要求高精度和工作环境恶劣的应用场合。
涡流传感器的工作原理是磁感应。一个简单的涡流传感器由驱动器和传感线圈组成。当交流电通过线圈时，就会产生交变磁场。当目标接触到这个电场时，目标内就会产生一个小电流。这些电流被称为涡流。目标内的涡流会产生一个与传感器的磁场相反的磁场，并对磁场产生抵抗作用。传感器和目标之间的距离是两个磁场相互作用的因素。因此，输出电压根据场相互作用的变化进行校准，这取决于距离。目标的表面积必须至少是探头直径的三倍。
涡流传感器的优点是价格较低，能忍受恶劣和肮脏的环境，尺寸较小，对传感器和目标之间的缝隙所使用的材料类型不敏感。
涡流传感器在要求高分辨率和传感器与目标之间的距离大的应用中不太有用。
旋转编码器
旋转编码器是一种将角度运动转换为模拟值或数字编码的机电设备。它也被称为轴编码器。旋转编码器提供价值的轴或轴编码器旋转。产生的输出信号与旋转的角度成正比。根据输出信号，有两种类型的编码器:增量和绝对。
增量编码器的输出是方波的形式，并提供有关轴运动的信息。这些信息被处理成速度、位置、距离和RPM。
绝对编码器的输出采用绝对位置测量的形式，即表示轴的当前位置。这使得它们成为角度传感器。增量编码器和绝对编码器都有两种结构设计:光学和机械。
在机械运动必须被处理成数字信息的应用中，最受欢迎的传感器选择是增量编码器。
增量式编码器的结构如下所示。
图片资源链接:tamagawa-seiki.com/english/encoder/rotary01.jpg
增量式编码器提供与轴的旋转位移成正比的脉冲串输出，即它只在编码器的轴旋转时提供输出。为了确定旋转的量，使用计数器来计算输出脉冲的数量。从一定的输入轴位置，编码器检测旋转的数量，计数器中的计数重置到参考位置，从该位置脉冲的数量由计数器添加。参考位置可以是任何地方，计数可以是无限的。
增量编码器有两种通道类型:单通道编码器和正交编码器。当系统向一个方向旋转时，则使用单通道编码器。这些通常称为转速表，只提供位置和速度信息。正交编码器有两个输出信号，相位900分开。因此，正交编码器为复杂运动应用提供高速双向信息。
增量式光学编码器用于计算高转速和高精度的应用。机械增量编码器通常用作数字电位器，需要反跳。
绝对编码器为轴的每个不同角度产生唯一的二进制码输出。代码可以是灰码、多余灰码或自然二进制码。在绝对编码器的情况下，即使在电源故障后，轴的位置也总是已知的。
绝对编码器的结构如下所示。
图片资源链接:tamagawa-seiki.com/english/encoder/rotary02.jpg
光学绝对编码器由玻璃或塑料碟片组成，碟片有不透明和透明的区域。像LED这样的光源和阵列照片探测器被用来读取光盘的位置在任何时候产生的光学模式。
光位置传感器
光学传感器将光信号转换成电信号。它们是非接触式传感器。它类似于光电阻器，测量物理量，并转换成任何适当仪器都可读的形式。光学传感器可以测量以下物理测量:温度，压力，流量，液位，位移，位置，旋转，振动，加速度，力，速度，应变，辐射，pH值，磁场，电场，声场。
一般来说，采用光学传感器的系统包括三个子系统:光源、测量装置和光学传感器。它连接到一个电子触发器，该触发器会对光传感器信号的变化做出反应。
光学位置传感器的例子是位置敏感检测器(PSD)。位置敏感探测器检测入射光的位置数据。位置敏感探测器可以跟踪非常小的位置变化。位置敏感探测器能提供高速响应、高可靠性和高位置分辨率。
光纤位置传感器
光纤传感器采用光纤作为传感器件。它们可以用来感知温度、应变、压力、位移、速度和加速度。光纤位置传感器利用光纤内由于近端镜面的运动而产生的光的反射率。光纤位置传感器不受电磁辐射、磁场、闪电和许多其他恶劣环境条件的影响。它们通常用于远距离位置传感。
光纤位置传感器由两部分组成:嵌入在无源传感器中的光学技术和主动控制器。这两者通过全双工光纤链路连接。控制器用于发送光信号。它将一束光以类似条形码的形式传输到编码光盘上。圆盘旋转，在圆盘上入射的代码在每个位置都是唯一的。只有在特定波长时，该杆才会反射光，并且通过单独的光纤电缆将特定颜色的光返回到控制器。在控制器中对光进行波长分析并产生适当的二进制输出。
光纤传感器有两种类型:内部传感器和外部传感器。
在固有传感器中，测量和调制传感光纤的传输特性。性质有强度、偏振、相位等。
在外部传感器中，调制发生在光纤外部。在这里，光纤只是作为一个导管，将光从传感器头传输到传感器头。
光纤位置传感器的优点是:
- 对电磁辐射免疫
- 由绝缘材料组成。
- 宽温度范围。
- 多路复用信号能力。
