位置传感器与线性位置换能器

作者：EEPW 时间：2025-10-30 来源：

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位置传感器与线性位置换能器（Position Sensor and Linear Positional Sensors）

一、引言

位置传感器（Position Sensor） 是用于检测物体位置、位移或运动量的换能器类型，它能够将物理位移（线性或角度）转换为与之成比例的电信号输出。
这些传感器广泛应用于工业控制系统、机器人、汽车电子和测量仪表中，用于监测或控制物体的空间位置。

位置传感器属于换能器家族中的一类，其主要功能是检测被测对象的机械运动并将其转换为可测量的电信号。这种转换可基于多种原理，如电阻式、电感式、电容式或光学方法。

根据测量的运动类型不同，位置传感器可以分为：

线性位置传感器（Linear Position Sensor）：检测直线位移；
角度位置传感器（Rotary Position Sensor）：检测旋转角度或角速度。

二、电位计式位置传感器（Potentiometer Position Sensors）

最常见、结构最简单的一类位置传感器是电位计（Potentiometer）。它利用电阻分压原理，将机械位移直接转换为电压变化。

当滑动触点沿电阻元件移动时，输出端电压将与滑动触点的线性位移成比例变化，因此称为线性电位计传感器。
若滑动臂绕轴旋转，则构成旋转式电位计，输出信号与角度成比例。

工作原理：

输入两端加上稳定电压源；
滑动臂位置决定输出端电压；
输出电压 $V_{out}$ 与滑动位置 $x$ 成线性关系：
$Vout=Vin×xLV_{out} = V_{in} times frac{x}{L}$
其中 $L$ 为电阻全程长度。

电位计主要特点：

结构简单、成本低廉；
可直接输出模拟电压信号；
测量范围一般小于 50 cm；
分辨率受机械结构与接触电阻影响；
不适用于高速或长期磨损环境。

电位计式位置传感器结构示意

potentiometer construction

(图：Potentiometer Construction)

该装置由固定电阻轨、滑动触点和三端接线组成。
两端连接电源，滑动端为输出。滑动臂移动时，改变分压比例，输出端电压随位置线性变化。

电位计输出特性

(图：Potentiometer Output Characteristics)

输出电压—位移曲线通常接近线性。
若滑动臂在全行程内移动，输出电压将从 0V 变化至供电电压（例如 5V）。
在工程应用中，通过校准可实现位移—电压的精确对应。

三、线性可变差动变压器（LVDT：Linear Variable Differential Transformer）

ldvt position sensor

另一种常用的线性位置传感器是 LVDT（线性可变差动变压器）。
LVDT 是一种电感式换能器，通过检测铁芯位置引起的互感变化，将机械位移转换为电压信号。

结构组成：

一个初级线圈（Primary Coil）；
两个对称布置的次级线圈（Secondary Coil 1、2）；
可移动的软铁芯（Core）。

当初级线圈通入交流激励电压后，铁芯位置不同会导致两组次级线圈感应电压变化。输出信号为两者的差动电压：

V_{out} = V_{S1} - V_{S2}

当铁芯处于中心位置时，两个感应电压相等且极性相反，输出为零；铁芯向一侧移动时，输出电压幅值与位移成正比，同时极性反映方向。

LVDT 的主要优点：

无机械接触，寿命长；
输出信号线性范围宽；
分辨率高、重复性好；
适用于振动或污染环境；
可实现长行程高精度测量。

缺点：

需交流激励电源；
成本高于电位计；
体积较大，不适合微型系统。

四、电感式与接近式位置传感器（Inductive & Proximity Sensors）

电感式位置传感器利用线圈与金属目标之间的磁场变化来检测位移或接近状态。
当金属目标靠近线圈时，线圈电感量因涡流效应而变化，从而引起振荡电路频率或幅值变化。检测这些变化即可推算出物体位置。

这类传感器常用于：

自动化生产线上的金属目标检测；
机床定位；
安全限位控制等。

五、光学位置传感器与编码器（Optical Position Sensors and Encoders）

在精密机械和自动控制系统中，光学位置传感器（Optical Position Sensors） 是一种常用的非接触检测方式。
通过光源、编码盘与光电探测器的组合，可以检测物体的角度、速度或线性位移。

光学传感器具有高分辨率、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，因此被广泛用于机器人、数控机床、伺服系统以及打印设备中。

1. 光电编码器的基本结构（Optical Encoder Construction）

光电编码器是一种基于光学原理的旋转式位置传感器（Rotary Position Sensor）。
它主要由以下部分组成：

光源（Light Source）：通常为 LED，用于产生稳定的光束；
编码盘（Code Disk）：在圆盘上开有等间距的透光槽或不透光区；
光电检测器（Photodetector）：如光敏二极管或光电晶体管，用于接收透射光信号。

当编码盘随轴旋转时，光线周期性地被遮断与透过，探测器输出相应的电脉冲信号。每个脉冲代表一个角度增量。

2. 增量式光电编码器（Incremental Encoder）

在增量式编码器（Incremental Encoder） 中，光盘上通常刻有多个等距的透明与不透明槽。
光电探测器检测光信号的通断变化并输出矩形脉冲信号。

(1) 双通道结构

通常编码器设有两个光电通道 A 与 B，它们的输出波形相差 90°电相位。
这种设计的目的是：

判断旋转方向；
提高分辨率。

(2) 信号输出原理

若 A 相超前 B 相 → 表示顺时针旋转；
若 B 相超前 A 相 → 表示逆时针旋转。

输出脉冲数与转动角度成比例，因而可实现角度或速度测量。
每转输出的脉冲总数即为编码器的分辨率（Resolution），常见值有 360、1024、4096 脉冲/转。

3. 增量式编码器输出波形

inductive proximity position sensor

(图示：Incremental Encoder Output)

信号形式为两路方波脉冲（A、B 相），当两路信号组合时，可实现四倍频检测（即四倍分辨率）。
某些高精度系统还带有零位信号（Z 相），用于标定初始位置。

4. 绝对式光电编码器（Absolute Encoder）

与增量式不同，绝对式编码器（Absolute Encoder） 通过在编码盘上刻画多圈光学轨迹，以唯一的二进制或格雷码形式表示每个角度位置。
每个位置都有唯一的输出编码值，即使断电后也能保持位置记忆。

(1) 工作原理

编码盘由若干同心圆环组成，每个圆环代表一个二进制位（bit）。
光电检测阵列同时读取所有轨迹上的光通断状态，输出并行的二进制码，例如：

编码轨迹	二进制输出
0000	起始位置
0001	1号位置
0010	2号位置
0011	3号位置
...	...

当编码盘旋转时，输出码值连续变化。
例如使用 10 位编码，可区分 $2^{10} = 1024$ 个角位置。

(2) 优点

无需计数器，可直接读取绝对位置；
即使断电重新上电，也能立即获得当前位置；
抗干扰能力强，适用于安全关键控制系统。

(3) 缺点

成本较高，结构复杂；
输出位数多时需并行数据总线。

5. 光学位置传感器的应用与比较

类型	输出形式	特点	典型应用
增量式编码器	脉冲信号（A、B、Z 相）	结构简单、响应快，但断电需重新计数	工业伺服、机器人关节检测
绝对式编码器	二进制码	直接输出绝对角度，抗干扰强	精密定位、自动化检测
光学线性编码器	直线光栅	高分辨率、适合精密测距	CNC、三坐标测量仪

六、位置传感器性能比较与应用选型

技术类型	测量范围	精度	接触方式	输出信号	成本	典型应用
电位计式	0–50 mm	中等	接触式	模拟电压	低	控制旋钮、简单定位
LVDT	0–250 mm	高	非接触	模拟交流	中高	工业测量、伺服定位
电感式	0–30 mm	中	非接触	模拟电压或频率	中	机械设备检测
光学编码器	旋转角度	极高	非接触	数字脉冲	中高	精密伺服、自动化设备
绝对式编码器	旋转角度	极高	非接触	数字二进制	高	CNC、机器人系统

七、总结

位置传感器是连接物理运动与电子控制系统的核心部件。
从简单的电位计到复杂的光学编码器，各类传感器在精度、线性度、响应速度和稳定性方面不断演进。
在现代智能设备中，位置检测技术正与 数字接口（SPI/I²C）、微处理器 和 AI 校准算法 深度融合，构成智能感知系统的重要基础。

【编辑点评】

1. 技术背景与意义
位置传感器的发展体现了自动化与精密测控技术的持续创新。从传统接触式测量（如电位计）到非接触式（LVDT、光学编码器），其核心目标始终是实现高精度与高可靠性的空间位置检测。

2. 工程应用与创新趋势