位置傳感器

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

顧名思義，位置傳感器檢測(cè)某物的位置，這意味著它們要么參考某個(gè)固定點(diǎn)或位置，要么相對(duì)于某個(gè)固定點(diǎn)或位置進(jìn)行測(cè)量。這些類型的傳感器提供“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(yuǎn)離某個(gè)固定點(diǎn)的距離，或者通過(guò)“旋轉(zhuǎn)”（角運(yùn)動(dòng)）來(lái)確定。例如，機(jī)器人車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)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性傳感器檢測(cè)物體的直線運(yùn)動(dòng)，或者使用旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)其角運(yùn)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?yàn)樗且环N廉價(jià)且易于使用的位置傳感器。它使用一個(gè)與機(jī)械軸相連的滑動(dòng)觸點(diǎn)，該軸可以是角度的（旋轉(zhuǎn)的）或線性的（滑塊類型），沿著軌道移動(dòng)。

這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)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(hào)輸出。換句話說(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(shè)計(jì)和尺寸，例如常見(jiàn)的圓形旋轉(zhuǎn)類型或較長(zhǎng)且扁平的線性滑塊類型。當(dāng)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(zhuǎn)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(hào)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(shì)或電壓分壓器類型電路輸出。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(hào)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(jié)構(gòu)

電位器結(jié)構(gòu)

電位器的輸出信號(hào)（Vout）從中心滑動(dòng)觸點(diǎn)連接處取出，隨著它沿著電阻軌道移動(dòng)，輸出信號(hào)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(dǎo)致的磨損、精度低、重復(fù)性差以及頻率響應(yīng)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(hào)）受限于所使用的電位器的物理尺寸。

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

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

線繞電位器，也稱為變阻器，可以是直線或線圈電阻絲形式，但線繞電位器存在分辨率問(wèn)題，因?yàn)槠浠瑒?dòng)觸點(diǎn)從一個(gè)線段跳到下一個(gè)線段，產(chǎn)生對(duì)數(shù)（LOG）輸出，導(dǎo)致輸出信號(hào)中的誤差。這些電位器也存在電氣噪聲問(wèn)題。

對(duì)于高精度低噪聲應(yīng)用，現(xiàn)在可以使用導(dǎo)電塑料電阻元件類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性（LIN）電阻軌道，使其具有低噪聲、長(zhǎng)壽命和出色的分辨率，并且有單圈和多圈設(shè)備可供選擇。這種高精度位置傳感器的典型應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)游戲操縱桿、方向盤(pán)、工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用。

感應(yīng)式位置傳感器

線性可變差動(dòng)變壓器

一種不受機(jī)械磨損問(wèn)題影響的位置傳感器是“線性可變差動(dòng)變壓器”或簡(jiǎn)稱LVDT。這是一種感應(yīng)式位置傳感器，其工作原理與用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的交流變壓器相同。它是一種非常精確的線性位移測(cè)量設(shè)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)繞在空心管上的線圈組成，一個(gè)形成初級(jí)線圈，另外兩個(gè)線圈形成相同的次級(jí)線圈，電氣上串聯(lián)連接，但在初級(jí)線圈的兩側(cè)相位相差180度。

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

一個(gè)稱為“激勵(lì)信號(hào)”的小交流參考電壓（2 – 20V rms，2 – 20kHz）施加到初級(jí)繞組，從而在兩個(gè)相鄰的次級(jí)繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)信號(hào)（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(jí)繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由于相位相差180度而相互抵消，因此輸出結(jié)果電壓為零。當(dāng)核心從零位稍微向一側(cè)或另一側(cè)移動(dòng)時(shí)，其中一個(gè)次級(jí)繞組中的感應(yīng)電壓將變得大于另一個(gè)次級(jí)繞組，并產(chǎn)生輸出。

輸出信號(hào)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(yuǎn)，輸出信號(hào)就越大。結(jié)果是一個(gè)與核心位置成線性關(guān)系的差分電壓輸出。因此，這種類型的位置傳感器的輸出信號(hào)既具有與核心位移成線性關(guān)系的幅度，又具有指示運(yùn)動(dòng)方向的極性。

輸出信號(hào)的相位可以與初級(jí)線圈激勵(lì)相位進(jìn)行比較，使適當(dāng)?shù)碾娮与娐罚ㄈ鏏D592 LVDT傳感器放大器）能夠知道磁芯位于線圈的哪一半，從而知道運(yùn)動(dòng)方向。

線性可變差動(dòng)變壓器

ldvt位置傳感器

當(dāng)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(hào)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(yùn)動(dòng)方向。

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

與電阻電位器相比，線性可變差動(dòng)變壓器或LVDT的優(yōu)點(diǎn)是線性度非常好，即其電壓輸出與位移的關(guān)系非常準(zhǔn)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(yīng)接近位置傳感器

另一種常用的感應(yīng)位置傳感器是感應(yīng)接近傳感器，也稱為渦流傳感器。雖然它們實(shí)際上不測(cè)量位移或角旋轉(zhuǎn)，但它們主要用于檢測(cè)物體是否在其前方或近距離內(nèi)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(cè)，最簡(jiǎn)單的磁傳感器是干簧開(kāi)關(guān)。在感應(yīng)傳感器中，線圈繞在電磁場(chǎng)內(nèi)的鐵芯上，形成感應(yīng)回路。

當(dāng)鐵磁材料放置在感應(yīng)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，線圈的電感會(huì)顯著變化。接近傳感器的檢測(cè)電路檢測(cè)到這種變化，產(chǎn)生輸出電壓。因此，感應(yīng)接近傳感器根據(jù)法拉第電感定律的電氣原理工作。

感應(yīng)接近位置傳感器

感應(yīng)接近位置傳感器

感應(yīng)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)的線圈，檢測(cè)物體進(jìn)入時(shí)磁場(chǎng)變化的檢測(cè)電路，以及產(chǎn)生輸出信號(hào)的輸出電路，具有常閉（NC）或常開(kāi)（NO）觸點(diǎn)。

感應(yīng)接近傳感器允許在不與被檢測(cè)物體本身進(jìn)行物理接觸的情況下檢測(cè)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(yīng)”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(yīng)用外，感應(yīng)接近傳感器還常用于通過(guò)改變交叉路口的交通信號(hào)燈來(lái)控制交通流量。矩形感應(yīng)線圈埋入柏油路面。

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

這些類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(yīng)到上方、下方或側(cè)面的金屬物體。此外，它們不檢測(cè)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(yīng)傳感器和可變磁阻傳感器。

旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置傳感器

旋轉(zhuǎn)編碼器是另一種類型的位置傳感器，類似于前面提到的電位器，但它們是用于將旋轉(zhuǎn)軸的角位置轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)代碼的非接觸式光學(xué)設(shè)備。換句話說(shuō)，它們將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（最好是數(shù)字信號(hào)）。

所有光學(xué)編碼器都基于相同的基本原理。來(lái)自LED或紅外光源的光通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(cè)器在盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)掃描盤(pán)，電子電路將信息處理為數(shù)字形式，作為二進(jìn)制輸出脈沖流，饋送到計(jì)數(shù)器或控制器，確定軸的實(shí)際角位置。

旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器有兩種基本類型，增量編碼器和絕對(duì)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，也稱為正交編碼器或相對(duì)旋轉(zhuǎn)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(cè)器裝置生成，當(dāng)帶有均勻間隔的透明和暗線（稱為段）的編碼盤(pán)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)光源時(shí)。編碼器產(chǎn)生一系列方波脈沖，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)，指示旋轉(zhuǎn)軸的角位置。

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

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

最簡(jiǎn)單的增量編碼器稱為轉(zhuǎn)速計(jì)。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(yīng)用?！罢弧被颉罢也ā本幋a器更常見(jiàn)，有兩個(gè)輸出方波，通常稱為通道A和通道B。該設(shè)備使用兩個(gè)光電探測(cè)器，彼此略微偏移90度，從而產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的正弦和余弦輸出信號(hào)。

簡(jiǎn)單增量編碼器

增量位置編碼器

通過(guò)使用反正切數(shù)學(xué)函數(shù)，可以計(jì)算軸的弧度角。通常，旋轉(zhuǎn)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(shù)。

例如，要使增量編碼器的分辨率為1度，所需的段數(shù)為：1度 = 360/n，因此，n = 360個(gè)窗口，等等。此外，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(jì)數(shù)器來(lái)確定給定旋轉(zhuǎn)內(nèi)軸的絕對(duì)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(cuò)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(duì)位置編碼器。

絕對(duì)位置編碼器

絕對(duì)位置編碼器比正交編碼器更復(fù)雜。它們?yōu)槊總€(gè)旋轉(zhuǎn)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(dú)立的，有自己的光電探測(cè)器，同時(shí)讀取每個(gè)運(yùn)動(dòng)角度的唯一編碼位置值。盤(pán)上的軌道數(shù)量對(duì)應(yīng)于編碼器的二進(jìn)制“位”分辨率，因此12位絕對(duì)編碼器將有12個(gè)軌道，相同的編碼值每轉(zhuǎn)只出現(xiàn)一次。

4位二進(jìn)制編碼盤(pán)

絕對(duì)位置編碼器

絕對(duì)編碼器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其非易失性存儲(chǔ)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(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器被定義為“單轉(zhuǎn)”設(shè)備，但也有絕對(duì)多轉(zhuǎn)設(shè)備可用，通過(guò)添加額外的編碼盤(pán)在多個(gè)旋轉(zhuǎn)中獲得反饋。

絕對(duì)位置編碼器的典型應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和CD/DVD驅(qū)動(dòng)器，其中驅(qū)動(dòng)器讀/寫(xiě)頭的絕對(duì)位置被監(jiān)控，或打印機(jī)/繪圖儀中用于準(zhǔn)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(cè)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(cè)量溫度的傳感器，如熱敏電阻、恒溫器和熱電偶，因此通常稱為溫度傳感器。