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，因为它们在家用产品、汽车、办公室或工业场所等方面都很丰富。位置传感器，顾名思义，提供对测量的位置(被测量的数量)的反馈。
大纲
介绍
位置传感器通过确定目标的存在或不存在或通过检测其方向，速度，运动或距离来提供运动控制，计数和编码任务。
位置传感器可以检测物体的位置或电或磁场的干扰，并将该物理参数转换为输出电信号来指示目标的位置。
随着该技术的提高，传感器设备继续更小，更便宜且更好地进行性能，为更多应用打开网关。
位置传感器类型
位置传感器一般根据其传感方式分为两类。
他们是
- 接触设备
- 非接触式设备
当名称表示时，位置传感器的接触类型具有与测量的物理接触。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与物体的物理接触是可以接受的应用中提供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。它们是磁性传感器，接近传感器，霍尔效应传感器和超声波传感器。
每种位置传感器都有其优点和局限性。我们的目标是为特定应用的参数选择一种具有成本效益的传感器。
基于电阻或电位的位置传感器
电阻位置传感器也称为电位计或位置传感器。它们最初是为军事使用的应用而开发的。它们用于收音机和电视机，作为面板安装的调节旋钮。电位计可以用作线性或旋转位置传感器。
电位器不需要电源或额外的电路来执行其基本位置传感功能。因此，它们是无源设备。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。分压器具有真正的电位运算。在这种情况下，参考电压被施加到电阻元件上。移动刮水器的位置是通过计算刮水器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。运动可以是直线(滑动)或角(旋转)。这种运动导致固定端子和雨刷端子之间的电阻发生变化。输出电信号通常是电压，它与雨刷电阻轨迹的位置以及电阻的值成比例变化。
电位计有不同的尺寸和设计。常用类型是线性滑块和旋转类型。当它用作位置传感器时，该物体连接到其滑块。
图像资源链接：en.wikipedia.org/wiki/potentiomometer
在雨刷两侧的固定终端之间加一个参考电压，输出电压取自该雨刷。这种配置形成了一个分压器网络，输出电压依赖于滑块的位置。
如果将12 V的电位施加到电位器，则最多12 V和至少0 V作为输出电压。根据刮水器的位置，输出电压可以是0 V至12 V之间的任何值。如果擦拭器位于电阻轨道的中心，则输出电压为6 V。
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。该电位器具有成本低、操作简单、应用原理简单、使用方便、抗电磁干扰能力强等优点。缺点是由于滑动雨刷，较小的传感角度和低精度，最终磨损。基于电位器的位置传感器的主要缺点是它的物理尺寸，因为它限制了滑动的运动，从而限制了输出信号。典型电位器的传感角度在00到2400到3300之间的最大值范围内。游标回转可用于实现多回转能力。
简单的位置感测电路如下所示。
它由一个运算放大器和一个基于位置传感器的电位器组成。输出电压取决于雨刷的位置。
碳膜是电位器中最常用的一种电阻磁道。但是有一个接触噪声叠加在预期电阻上。接触噪声是雨刷与电阻表面机械接触的结果。这可能导致高达5%的总阻力。
绕线型电位器使用直线电阻元件或线圈缠绕电阻。卷绕电位计的问题是在产生对数输出信号的位置之间的刮水器的跳跃。
聚合物薄膜或金属陶瓷型电位器可用于高精度和低噪音应用。这些由导电塑料电阻材料组成。它们在刮水器和表面之间具有非常少的摩擦，因此电噪声较少，良好的分辨率和寿命更长。这些可用作单匝和多匝设备。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，如果目标是导电的，则用于精确测量目标位置;如果目标是非导电的，则用于测量材料的厚度和密度。当使用导电目标时，它们的工作与目标的材料无关，因为所有导体看起来都是一样的电容传感器。目标的厚度也不重要，因为传感器感知的是目标的表面。它们主要用于磁盘驱动器、半导体技术和高精度制造行业，这些行业的高精度和频率响应非常重要。当与非导电靶配合使用时，它们通常用于标签探测器、涂层厚度监测器、纸张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特性来测量位置。一个物体储存电荷的能力叫电容。最常用的储存电荷的装置是平行板电容器。平行板电容器的电容与板的表面积和介电常数成正比，与板间距离成反比。因此，当两极板之间的间距发生变化时，其电容就会发生变化，电容式传感器就利用了这一特性。
电容,
C =(εrεo) / d
在哪里
εr介质的相对介电常数是多少
εo是自由空间的介电常数吗
A是板的重叠区域
而d是板之间的距离
典型的电容式传感模型由两个金属板组成，它们之间的空气充当电介质。传感器或探针是导电的金属板和目标物体之一，是另一个板。
当电势作用于导体的各极板时，由于正电荷聚集在一块极板上而负电荷聚集在另一块极板上，在它们之间就产生了电场。
电容式传感器采用交流电压。交流电压使电荷不断地颠倒它们的位置。监测电容性探针和靶之间的交变电场的变化，并用于测量探针和靶之间的电容。电容由表面的面积、介电常数和表面的间距决定。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是不变的。导电表面之间的介电材料不变。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。电容传感器经过校准，以产生对应于探头和目标之间距离变化的输出电压，从而导致电容变化。这叫做电容式传感器的灵敏度。电容式传感器的灵敏度是电压变化量到距离变化量的变化量。通常采用灵敏度设置为1 V / 100µm，即每100µm距离变化输出电压变化1 V。
电容式传感器探头由传感区、保护区和探头本体三部分组成。
潜力应用于传感区域。存在将电场扩散到除限定的传感区域之外的目标的区域和目标的问题。为了防止这种情况发生，使用称为保护的技术。在该技术中，通过围绕感测区域的侧面和背面来产生保护区域，并且保持与传感区域相同的电势。当护罩和传感区域处于相同的电位时，它们之间不会存在电场。除感应区域之外的附近的任何其他导体将形成带防护装置的电场。感测区域和相应的目标不受干扰。
由于这个防护，传感区域的电场投影在本质上将是锥形的。来自探头的电场覆盖的目标区域大约比传感器区域大30%。因此，在标准标定中，最小目标直径为传感区域直径的30%是至关重要的。
传感探头的范围与传感区域的大小成正比。较小的探头必须放置在离目标更近的地方，以达到所需的电容量。探头与目标之间的最大允许间隙约为传感区域直径的40%。除此之外，探测器就变得毫无用处了。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，两个探针就会相互干扰，因为一个探针可能会试图增加电场，而另一个则会降低电场。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。当非导电材料用作两个导电板之间的介质时，其介电常数将决定导体之间的电容。
两个导电板是传感器探针和接地导电参考。电容的变化以及传感器的输出将对应于材料厚度，密度或组成的变化。
有高精度和高性能的电容式传感器，可以测量纳米的顺序的位移。这些高性能传感器对温度的变化稳定，产生线性输出并具有高分辨率。
在其他非接触装置上的电容传感器的优点是高分辨率，廉价且对目标材料不敏感。电容传感器不适用于环境干燥或潮湿的条件以及探头与目标之间的距离大。
感应位置传感器
感应式传感器是一种非接触式设备，用于在目标是导电的情况下精确测量目标位置。感应式传感器用于识别任何导电金属目标。
电容传感器利用电场来感测导电目标的表面。电感传感器利用穿过目标的电磁场。电感传感器探针由振荡器组成，振荡器产生高频电磁场。该领域从探头的传感面辐射。
图片资源链接:baumer.com/typo3temp/pics/User_Knowledge_Presence_Inductive_Functionality_sensor_EN_216cc0d8dd.jpg
当该场接触导电金属靶时，在金属靶内诱导小电流。这些电流将产生自己的电磁场，干扰源自探针的场。这导致来自探针的信号振荡幅度的变化。可以将输出电压校准到此变化。当探头更接近目标时，电流越多与源自探针的场，输出更大。
与电容式传感器不同，感应式传感器独立于探头和目标之间的缝隙中的材料。因此，它们可以用于可能出现油或其他液体在间隙的恶劣环境。
在电感式传感器中，靶材是一个重要因素。像铝、钢和铜这样的材料，每种材料对传感器的反应都不同。因此，传感器必须针对每个目标进行校准，以达到最佳的最高性能。
一般来说，感应式传感器的目标材料有两种。它们是黑色的和非黑色的。铁材料在本质上是有磁性的，而有色材料是无磁性的。黑色材料包括铁和大多数钢材料，而有色材料包括锌、铝、铜和黄铜。有些感应传感器可以同时工作在黑色金属和有色金属靶材料上，而有些传感器只能工作在一种材料上。
目标的尺寸也很重要，因为探针的电磁场的有效面积将从传感器变化到传感器。对于具有至少300％的探头的线圈直径的靶的横截面积是最小要求，即，理想情况下，目标的表面积必须是探针直径的至少三倍。
目标的厚度也是电磁场将渗透目标并产生电流的重要因素。目标的厚度取决于驱动探针的信号的频率，并且与频率成反比，即当驱动频率增加时，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感应式传感器以其纳米分辨率、短响应时间、80 KHz或更高的频率响应、重复精度和对环境污染物的免疫力而闻名。
感应式传感器的输出电压和电流与传感器表面与目标之间的距离成正比，即电压和电流代表距离对应的绝对测量值。这个属性在许多应用程序中使用。
线性可变差动变压器
线性可变差压变压器（LVDT）是一种常见的机电，高分辨率，基于触点的线性位置换能器。LVDT是用于测量线性距离的最佳可用，可靠和准确的方法之一。LVDT用于计算机制造，机床，航空电子设备和机器人。
线性可变差压变压器是电气传感器的位置。LVDT由三个线圈组成，一个初级和两个二级。如图所示放置可动磁芯。该磁芯也称为电枢控制了LVDT中的初级和次级线圈之间的电流的传输。LVDT的输出与核心的位置成比例。
LVDT的横截面图如下所示。
图片资源链接:keckec.com/seismo/images/lvdtbig.gif
磁芯在变压器内部线性移动，由一个初级线圈和两个以圆柱形方式缠绕的相同的外部次级线圈组成。
当用交流电激励初级线圈时，次级线圈之间就会产生电压。次级线圈电压根据磁芯在轴向移动的线圈之间的位置而变化。输出电信号等于通过次级绕组的电压差。因此，输出电压与磁芯的线性机械运动成正比。
LVDT的正常变压器样式表示如下所示。
LVDT的原理图如下所示。
线性的工作:
变压器的初级线圈是通过施加一个恒定振幅的交流源来通电的。这就产生了一个磁场，所开发的磁通量通过中心的磁芯耦合到次级线圈S1和S2。次级线圈被绕得彼此不相。因此，当铁芯的位置正好处于两个次级线圈的中间位置时，等量的磁通量耦合到S1和S2。每个次级线圈中感应的电压V1和V2是平等的。因此输出差电压V出等于零。
V1= V2
和
V出= V1- - - - - - V2= 0
当线圈离开中心时，在每个次级线圈中感应的电压是不同的。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。
差分输出电压为V出= V1- - - - - - V2。
如果磁芯或电枢向二次线圈S2移动，则与S2耦合的磁通大于S1。和感应电压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核心的位置。
只要在次级线圈或任何泄漏电感之间存在任何不匹配，LVDT的输出电压将不会确定核心的位置。信号调节电路可用于去除这些困难。
正常的LVDT如下图所示。
使用信号调节电路的LVDT如下所示。
它包括额外的滤波和放大电路，其中减去了两个输出信号的绝对值。绝对值电路可以由二极管电容器整流器形成。过滤器用于检测辅助电压的幅度。该技术可用于测量关于中心位置的正极和负变化。
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，线圈和磁芯之间就没有机械接触。因此，实现了无摩擦操作，在测试和高分辨率设备中是有用的。这也是延长其使用寿命的一个重要因素。
由于它的电磁耦合原理和无摩擦工作，LVDT可以测量无穷小的变化。
感应距离传感器
电感式接近传感器是低成本、固态和非接触的设备。它们基本上是用来探测金属物体的铁和非铁的性质。电感式接近传感器的基本元件是线圈、振荡器、检测电路和输出电路。
当交流电流通过线圈时，它产生高频磁场。如果金属物体靠近该字段，则线圈的电感会发生变化。字段在物体中引起的涡流将改变振荡的幅度。解调器将检测幅度的变化并将它们转换为直流信号。该直流信号驾驶触发器和输出级交换机。
没有任何额外的设备，电感接近传感器可以操作电磁离合器，制动器和阀门。为了致动传感器，可以使用任何形状和尺寸或气缸或机床托架或钻头的金属。
电感接近传感器忽略了油，水，污垢等的非金属物体。它在震动环境中承受，并且是短路抵抗力。
它们在工业自动化中用于产品计数，在安全系统中用作金属探测器，在军事应用中用于探测地雷和其他武器。
基于霍尔效应的磁性位置传感器
磁位置传感器通过探测地球产生的磁场、电流、磁体甚至脑波活动的强度、方向或存在来确定物体的位置。磁位置传感器是非接触式器件，在许多工业和导航系统中都非常重要。
磁场是一个矢量，它既有大小又有方向。有些传感器测量磁场的大小，但不测量磁场的方向。这些是标量传感器。其他传感器沿其主敏感轴测量磁化分量的大小。这些是单向传感器。有些传感器包括磁场的方向和大小。这些是双向传感器。
霍尔效应传感器是一种磁场传感器，可用于传感位置、压力、电流、温度等。
一般霍尔效应传感器如下图所示。
霍尔效应器件用作位置传感器时可以非常准确和负担得起。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，因此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，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。
霍尔效应的原理指出，“当将电流承载导体放置在磁场中时，产生电压，垂直于电流和磁场。”
以一片导电材料为例。电流通过这个，输出连接垂直于电流流动的方向。
在不存在磁场的情况下，电流分布是均匀的并且输出没有电位差异。
在垂直于电流方向的磁场存在时，一个洛伦兹力作用在电流上。这个力扰乱了电流的分布，并在输出处产生电位差。
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，输出处于ON或OFF状态。数字霍尔效应传感器有两种类型:双极和单极。双极传感器需要正高斯，这是南极操作和负高斯，这是北极释放。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单一的磁极来操作。
在模拟输出传感器中，输出电压是连续的，并依赖于磁场的强度。输出电压随强磁场或弱磁场分别增大或减小。它们的工作原理是靠近磁极。
考虑以下基于霍尔效应的位置传感器的布置。
它由具有数字输出的四个单极传感器组成，并且这四个传感器连接在一起并安装在铝壳中。这些传感器由连接到液压系统的四个单独的磁致动器致动。传感器生成表示从参考表面测量的距离的事件信号。这些信号定义了所测试的对象必须产生电信号的可接受限制。
下面的设置是用来实现精度0.002英寸的线性定位。它由四个带有数字输出的双极传感器组成。它们是由安装在杆上的磁铁驱动的。
霍尔效应传感器的优点是寿命长，高速高，温度范围为-40 0℃至150 0℃。
基于涡流位置传感器
涡流传感器是基于非接触的设备，用于测量导电目标的位置，位移，振动和振动。涡流传感器用于需要高精度的应用中，操作环境苛刻。
涡流传感器采用磁诱导原理。简单的涡流传感器包括驱动器和传感线圈。当交流电通过线圈时，它产生交替的磁场。当目标与该字段接触时，在目标中引起小电流。这些电流称为涡流。目标中的涡电流将产生一个与传感器的字段相对的字段并抵抗该字段。传感器和目标之间的距离是两个磁场的相互作用的因素。因此，输出电压被校准到现场交互的变化，这取决于距离。目标的表面积必须是探针直径的至少三倍。
涡流传感器的优点是价格便宜，能承受恶劣和肮脏的环境，体积小，对传感器和目标之间的间隙所使用的材料类型不敏感。
涡流传感器在需要高分辨率的应用中不太有用，传感器和目标之间的间隙很大。
旋转编码器
旋转编码器是一种机电装置，它将角度运动转换为模拟值或数字代码。它也被称为轴编码器。随着编码器的轴或轴旋转的旋转编码器提供值。产生输出信号，其与旋转角度成比例。基于输出信号，有两种类型的编码器：增量和绝对。
增量式编码器的输出是方波的形式，并提供有关轴运动的信息。这些信息被加工成速度、位置、距离和转速。
绝对编码器的输出呈绝对位置的形式，即它们表示轴的当前位置。这使得它们是角换能器。增量和绝对编码器都有两个施工设计：光学和机械。
在机械运动必须处理到数字信息中的应用中，最受欢迎的传感器选择是增量编码器。
增量编码器的结构如下所示。
图像资源链接：tamagawa-seiki.com/english/encoder/rotary01.jpg
增量式编码器提供与轴旋转位移成正比的脉冲串输出，即仅当编码器轴旋转时才提供输出。为了确定旋转的数量，需要使用一个计数器来计数输出脉冲的数量。从一定的输入轴位置，编码器检测旋转量，计数器中的计数在参考位置复位，计数器从该位置增加脉冲数。参考位置可以在任何地方，计数可以是无限的。
增量编码器有两个通道类型：单通道编码器和正交编码器。当系统在一个方向上旋转时，使用单通道编码器。这些通常被称为转速计，并仅提供位置和速度信息。正交编码器具有两个输出信号，分开900。因此，正交编码器为复杂运动应用提供高速双向信息。
增量光学编码器用于计算具有高精度的高RPM的应用中。机械增量编码器通常用作数字电位计，并且需要去弹性。
绝对编码器为轴的每个不同角度产生一个独特的二进制代码输出。代码可以是灰色代码、多余灰色代码或自然二进制代码。在绝对编码器的情况下，即使在电源故障后，轴的位置总是已知的。
绝对编码器的结构如下所示。
图像资源链接：tamagawa-seiki.com/english/encoder/rotary02.jpg
光学绝对编码器由玻璃或塑料圆盘组成，圆盘上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由光盘位置产生的光学图案。
光位置传感器
光学传感器把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、磁场、电场、声场。
通常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。它与一个电子触发器相连，该触发器会对光传感器中的信号变化做出反应。
光学位置传感器的示例是位置敏感检测器（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追踪非常小的位置变化。位置敏感探测器可以提供高速响应，高可靠性和高位置分辨率。
光纤位置传感器
光纤传感器使用光纤作为传感装置。它们可用于感测温度，应变，压力，位移，速度和加速度。由于近侧镜面的移动，光纤位置传感器利用光纤内部的灯的复古反射率。光纤位置传感器免受电磁辐射，磁场，闪电等许多苛刻的环境条件。它们通常用于长距离位置感测。
光纤位置传感器由两部分组成：嵌入无源传感器和主动控制器中的光学技术。这两个通过全双工光纤链路连接。控制器用于发送光信号。它以类似于代码光盘的形式发送形式的光突发。光盘旋转，并且在光盘上的代码在每个位置都是独一无二的。仅在特定波长处，杆反射光和特定颜色通过单独的光缆返回控制器。在控制器中分析光以进行波长，并且产生适当的二进制输出。
光纤传感器有两种类型:固有传感器和外部传感器。
在本征传感器中，测量和调制传感光纤的传输特性。其性质有强度、极化、相位等。
在外部传感器中，调制发生在纤维外部。这里，光纤只用作传感器头部的导管以传送光线。
光纤位置传感器的优点是:
- 免疫电磁辐射。
- 由电绝缘材料组成。
- 宽温度范围。
- 能够复用信号。
