位置传感器

在本教程中，我们将讨论各种被归类为输入设备的装置，因此称为“传感器”，特别是那些本质上是位置传感器的设备。

顾名思义，位置传感器检测某物的位置，这意味着它们要么参考某个固定点或位置，要么相对于某个固定点或位置进行测量。这些类型的传感器提供“位置”反馈。

确定位置的一种方法是使用“距离”，这可以是两点之间的距离，例如移动的距离或远离某个固定点的距离，或者通过“旋转”（角运动）来确定。例如，机器人车轮的旋转可以确定其沿地面移动的距离。无论哪种方式，位置传感器都可以使用线性传感器检测物体的直线运动，或者使用旋转传感器检测其角运动。

电位器作为位置传感器

所有“位置传感器”中最常用的是电位器，因为它是一种廉价且易于使用的位置传感器。它使用一个与机械轴相连的滑动触点，该轴可以是角度的（旋转的）或线性的（滑块类型），沿着轨道移动。

这种运动导致滑动触点与两个端点之间的电阻值发生变化，从而产生一个与电阻轨道上实际滑动触点位置及其电阻值成比例的电信号输出。换句话说，电阻与物理位置成正比。

电位器位置传感器

电位器

电位器有各种设计和尺寸，例如常见的圆形旋转类型或较长且扁平的线性滑块类型。当用作位置传感器时，可移动物体直接连接到电位器的旋转轴或滑块上。

直流参考电压施加在形成电阻元件的两个外部固定连接上。输出电压信号从滑动触点的滑动端取出，如下所示。

这种配置产生一个与轴位置成比例的电势或电压分压器类型电路输出。例如，如果在电位器的电阻元件上施加10V的电压，则最大输出电压将等于电源电压10V，最小输出电压等于0V。然后电位器滑动触点将输出信号从0V变化到10V，5V表示滑动触点或滑块处于其半程或中心位置。

电位器结构

电位器结构

电位器的输出信号（Vout）从中心滑动触点连接处取出，随着它沿着电阻轨道移动，输出信号与轴的角位置成比例。

简单位置传感电路示例

电位器输出

尽管电阻电位器位置传感器有许多优点：低成本、低技术、易于使用等，但作为位置传感器，它们也有许多缺点：由于移动部件导致的磨损、精度低、重复性差以及频率响应有限。

但使用电位器作为位置传感器的一个主要缺点是，其滑动触点或滑块的移动范围（以及因此获得的输出信号）受限于所使用的电位器的物理尺寸。

例如，单圈旋转电位器通常只有固定的机械旋转范围，介于0度到约240至330度之间。然而，也有多达3600度（10 x 360度）机械旋转的多圈电位器。

大多数类型的电位器使用碳膜作为其电阻轨道，但这些类型在电气上会产生噪声（如收音机音量控制上的噼啪声），并且机械寿命较短。

线绕电位器，也称为变阻器，可以是直线或线圈电阻丝形式，但线绕电位器存在分辨率问题，因为其滑动触点从一个线段跳到下一个线段，产生对数（LOG）输出，导致输出信号中的误差。这些电位器也存在电气噪声问题。

对于高精度低噪声应用，现在可以使用导电塑料电阻元件类型的聚合物薄膜或金属陶瓷电位器。这些电位器具有平滑的低摩擦电线性（LIN）电阻轨道，使其具有低噪声、长寿命和出色的分辨率，并且有单圈和多圈设备可供选择。这种高精度位置传感器的典型应用包括计算机游戏操纵杆、方向盘、工业和机器人应用。

感应式位置传感器

线性可变差动变压器

一种不受机械磨损问题影响的位置传感器是“线性可变差动变压器”或简称LVDT。这是一种感应式位置传感器，其工作原理与用于测量运动的交流变压器相同。它是一种非常精确的线性位移测量设备，其输出与其可移动核心的位置成比例。

它基本上由三个绕在空心管上的线圈组成，一个形成初级线圈，另外两个线圈形成相同的次级线圈，电气上串联连接，但在初级线圈的两侧相位相差180度。

一个可移动的软铁铁磁核心（有时称为“电枢”）连接到被测量的物体，在LVDT的管体内上下滑动或移动。

一个称为“激励信号”的小交流参考电压（2 – 20V rms，2 – 20kHz）施加到初级绕组，从而在两个相邻的次级绕组中感应出电动势信号（变压器原理）。

如果软铁磁核心电枢正好位于管和绕组的中心，“零位”，则两个次级绕组中的感应电动势由于相位相差180度而相互抵消，因此输出结果电压为零。当核心从零位稍微向一侧或另一侧移动时，其中一个次级绕组中的感应电压将变得大于另一个次级绕组，并产生输出。

输出信号的极性取决于移动核心的方向和位移。软铁核心从其中心零位移动得越远，输出信号就越大。结果是一个与核心位置成线性关系的差分电压输出。因此，这种类型的位置传感器的输出信号既具有与核心位移成线性关系的幅度，又具有指示运动方向的极性。

输出信号的相位可以与初级线圈激励相位进行比较，使适当的电子电路（如AD592 LVDT传感器放大器）能够知道磁芯位于线圈的哪一半，从而知道运动方向。

线性可变差动变压器

ldvt位置传感器

当电枢从一端通过中心位置移动到另一端时，输出电压从最大值变为零，然后再回到最大值，但在此过程中其相位角变化180度。这使得LVDT能够产生一个交流信号输出，其幅度表示从中心位置的移动量，其相位角表示核心的运动方向。

线性可变差动变压器（LVDT）传感器的典型应用是作为压力传感器，被测量的压力推动隔膜产生力。然后传感器将力转换为可读的电压信号。

与电阻电位器相比，线性可变差动变压器或LVDT的优点是线性度非常好，即其电压输出与位移的关系非常准确，分辨率高，灵敏度高，且无摩擦操作。它们还密封用于恶劣环境。

感应接近位置传感器

另一种常用的感应位置传感器是感应接近传感器，也称为涡流传感器。虽然它们实际上不测量位移或角旋转，但它们主要用于检测物体是否在其前方或近距离内存在，因此得名“接近传感器”。

接近传感器是非接触式位置传感器，使用磁场进行检测，最简单的磁传感器是干簧开关。在感应传感器中，线圈绕在电磁场内的铁芯上，形成感应回路。

当铁磁材料放置在感应传感器周围产生的涡流场中时，例如铁磁金属板或金属螺钉，线圈的电感会显著变化。接近传感器的检测电路检测到这种变化，产生输出电压。因此，感应接近传感器根据法拉第电感定律的电气原理工作。

感应接近位置传感器

感应接近位置传感器

感应接近传感器有四个主要组件；产生电磁场的振荡器，产生磁场的线圈，检测物体进入时磁场变化的检测电路，以及产生输出信号的输出电路，具有常闭（NC）或常开（NO）触点。

感应接近传感器允许在不与被检测物体本身进行物理接触的情况下检测传感器头前方的金属物体。这使得它们非常适合在脏或湿的环境中使用。接近传感器的“感应”范围非常小，通常为0.1毫米到12毫米。

接近位置传感器

接近传感器

除了工业应用外，感应接近传感器还常用于通过改变交叉路口的交通信号灯来控制交通流量。矩形感应线圈埋入柏油路面。

当汽车或其他道路车辆通过这个感应线圈时，车辆的金属车身会改变线圈的电感并激活传感器，从而提醒交通信号灯控制器有车辆在等待。

这些类型的位置传感器的一个主要缺点是它们是“全向的”，即它们会感应到上方、下方或侧面的金属物体。此外，它们不检测非金属物体，尽管有电容式接近传感器和超声波接近传感器可用。其他常见的磁位置传感器包括：干簧开关、霍尔效应传感器和可变磁阻传感器。

旋转编码器作为位置传感器

旋转编码器是另一种类型的位置传感器，类似于前面提到的电位器，但它们是用于将旋转轴的角位置转换为模拟或数字数据代码的非接触式光学设备。换句话说，它们将机械运动转换为电信号（最好是数字信号）。

所有光学编码器都基于相同的基本原理。来自LED或红外光源的光通过一个旋转的高分辨率编码盘，该盘包含所需的代码模式，如二进制、格雷码或BCD。光电探测器在盘旋转时扫描盘，电子电路将信息处理为数字形式，作为二进制输出脉冲流，馈送到计数器或控制器，确定轴的实际角位置。

旋转光学编码器有两种基本类型，增量编码器和绝对位置编码器。

增量编码器

光学编码盘

编码盘

增量编码器，也称为正交编码器或相对旋转编码器，是两种位置传感器中最简单的。它们的输出是一系列方波脉冲，由光电探测器装置生成，当带有均匀间隔的透明和暗线（称为段）的编码盘移动或旋转经过光源时。编码器产生一系列方波脉冲，当计数时，指示旋转轴的角位置。

增量编码器有两个独立的输出，称为“正交输出”。这两个输出相位相差90度，轴旋转的方向由输出序列确定。

盘上的透明和暗段或槽的数量决定了设备的分辨率，增加图案中的线数会增加每度旋转的分辨率。典型的编码盘每转分辨率可达256个脉冲或8位。

最简单的增量编码器称为转速计。它有一个单一的方波输出，通常用于只需要基本位置或速度信息的单向应用。“正交”或“正弦波”编码器更常见，有两个输出方波，通常称为通道A和通道B。该设备使用两个光电探测器，彼此略微偏移90度，从而产生两个独立的正弦和余弦输出信号。

简单增量编码器

增量位置编码器

通过使用反正切数学函数，可以计算轴的弧度角。通常，旋转位置编码器中使用的光学盘是圆形的，那么输出分辨率将给出为：θ = 360/n，其中n等于编码盘上的段数。

例如，要使增量编码器的分辨率为1度，所需的段数为：1度 = 360/n，因此，n = 360个窗口，等等。此外，旋转方向通过注意哪个通道首先产生输出来确定，通道A或通道B给出两个旋转方向，A领先B或B领先A。这种安排如下所示。

增量编码器输出

增量编码器输出

当用作位置传感器时，增量编码器的一个主要缺点是它们需要外部计数器来确定给定旋转内轴的绝对角度。如果电源暂时关闭，或者如果编码器由于噪声或脏盘而错过一个脉冲，则产生的角度信息将产生误差。克服这一缺点的一种方法是使用绝对位置编码器。

绝对位置编码器

绝对位置编码器比正交编码器更复杂。它们为每个旋转位置提供唯一的输出代码，指示位置和方向。它们的编码盘由多个同心“轨道”的光和暗段组成。每个轨道都是独立的，有自己的光电探测器，同时读取每个运动角度的唯一编码位置值。盘上的轨道数量对应于编码器的二进制“位”分辨率，因此12位绝对编码器将有12个轨道，相同的编码值每转只出现一次。

4位二进制编码盘

绝对位置编码器

绝对编码器的一个主要优点是其非易失性存储器，如果电源故障，无需返回到“家”位置即可保留编码器的确切位置。大多数旋转编码器被定义为“单转”设备，但也有绝对多转设备可用，通过添加额外的编码盘在多个旋转中获得反馈。

绝对位置编码器的典型应用包括计算机硬盘驱动器和CD/DVD驱动器，其中驱动器读/写头的绝对位置被监控，或打印机/绘图仪中用于准确定位打印头在纸张上的位置。

在本教程中，我们讨论了几个用于测量物体位置或存在的传感器示例。在下一个教程中，我们将讨论用于测量温度的传感器，如热敏电阻、恒温器和热电偶，因此通常称为温度传感器。