位置传感器原理、种类及其应用特点

传感器是任何测量系统中必不可少的组件，因为它们从物理参数或环境中收集数据并转换为电信号以向系统提供输入。

目前市场上有不同类型的传感器，它们基于不同的传感原理运行并用于不同的应用。其中，位置传感器在电传汽车、注塑机、医疗设备、电传飞机系统、子弹头列车、包装机等各种系统中发挥着关键作用，本文将重点来介绍下。

位置传感器的概念

位置传感器，英文Position Sensors，主要是用于检测物体运动并将其转换为适合传输、控制或处理的信号的传感器。这些传感器通常用于测量身体与参考位置的距离。因此，它会检测身体从一个位置移动到另一个位置的距离，并且该输出经常用作控制系统的反馈以采取适当的行动。

位置传感器的工作主要原理是依赖于通过确定目标的存在或不存在或通过检测其速度、方向、距离或运动来提供运动控制、计数和编码不同的任务。

位置传感器的特定参数将定义其性能，但它们可能会根据所选传感器的类型而改变。位置传感器的一些主要规格包括测量范围、精度、分辨率、线性度和可重复性。

如今，随着科学技术的进步，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种，即：

• 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量具有物理接触，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以接受与物体物理接触的应用中提供简单且低成本的解决方案。

非接触式设备不涉及与对象的物理接触，它们是磁传感器、电感式接近传感器、基于霍尔效应的传感器和超声波传感器等。

当然，每个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一种具有成本效益的解决方案的传感器。下面依次来介绍下。

1、基于电阻或电位的位置传感器

电阻式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而开发的，并且在收音机和电视机中用作面板安装的调节旋钮。电位器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它们的基本位置感应功能。因此，它们是无源设备。它们以两种模式运行：分压器和变阻器。在变阻器中，电阻随运动而变化。因此，应用程序利用了固定端子和滑动触点之间的这种变化电阻。分压器具有真正的电位操作。在这种情况下，参考电压被施加在电阻元件上。可移动雨刷的位置是通过计算雨刷拾取的电压来确定的。

电位器是最常用的位置传感器，它有一个固定端子和一个连接到机械轴的滑动端子。运动可以是线性的（滑动）或角度的（旋转），这种移动会导致固定端子和滑动端子之间的电阻发生变化。通常为电压的输出电信号与滑动电阻轨道的位置成比例变化，因此与电阻值成正比。

2、电容式位置传感器

电容式传感器是非接触式设备，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。当与导电目标一起使用时，它们的工作与目标材料无关，因为所有导体在电容传感器看来都是一样的。目标的厚度也不重要，因为传感器感应目标的表面。

电容式传感器主要用于磁盘驱动器、半导体技术和高精度制造行业，其中高精度和频率响应非常重要。当与非导电目标一起使用时，它们通常用于标签检测器、涂层厚度监视器以及纸张和薄膜厚度测量单元。

此外，电容式传感器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。身体储存电荷的能力是电容。用于存储电荷的最常见设备是平行板电容器。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，其电容发生变化，电容传感器就是利用了这一特性。

3、感应式传感器

如果目标本质上是导电的，感应式传感器是用于精确测量目标位置的非接触式设备。电感式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测导电目标的表面，而电感式传感器利用穿透目标的电磁场。感应式传感器探头由一个产生高频电磁场的振荡器组成，该场从探头的感应面辐射。

当该场接触导电金属靶材时，金属靶材内会感应出小电流。这些电流将产生它们自己的电磁场，该电磁场会干扰源自探头的场。这会导致来自探头的信号的振荡幅度发生变化。输出电压可以根据这种变化进行校准。当探头更接近目标时，更多的电流与来自探头的场发生反应，输出也更大。

与电容式传感器不同，电感式传感器独立于探头和目标之间间隙中的材料。因此，它们可以用于可能在间隙中出现油或其他液体的恶劣环境。

目标的材料是电感式传感器的一个重要因素。铝、钢和铜等材料对传感器的反应各不相同。因此，必须针对每个目标校准传感器，以实现最佳性能。

电感式传感器的目标材料一般有两种。它们是黑色金属和有色金属。黑色金属材料本质上是磁性的，而有色金属材料是非磁性的。黑色金属材料包括铁和大多数钢材，而有色金属材料包括锌、铝、铜和黄铜。一些感应式传感器可用于黑色金属和有色金属目标材料，而另一些则仅适用于一种材料。

4、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是用于测量线性距离的最佳、可靠和准确的方法之一。LVDT用于计算机化制造、机床、航空电子设备和机器人技术。

LVDT由三个线圈组成，一个初级线圈和两个次级线圈。如下图所示放置一个可移动的磁芯，该磁芯也称为电枢，用于控制LVDT中初级线圈和次级线圈之间的电流传输。LVDT的输出与磁芯的位置成正比。

LVDT的横截面图如下所示。

磁芯在变压器内部线性移动，变压器由一个初级线圈和两个以圆柱形方式缠绕的相同外部次级线圈组成。

当初级线圈用交流电激励时，在次级线圈上感应出电压。次级线圈电压根据轴向移动的线圈之间的磁芯位置而变化。输出电信号等于次级绕组两端的电压差。因此，输出电压与磁芯的线性机械运动成正比。

5、电感式接近传感器

电感式接近传感器是低成本、固态和非接触式设备，它们基本上用于检测本质上是黑色金属和有色金属的金属物体。电感式接近传感器的基本组成部分是线圈、振荡器、检测电路和输出电路。

当交流电通过线圈时，会产生高频磁场。如果金属物体靠近该磁场，则线圈的电感会发生变化。由场在物体中感应的涡流会改变振荡的幅度。解调器将检测幅度的变化并将其转换为直流信号。该直流信号触发触发器和输出级开关。

无需任何附加设备，感应式接近传感器即可操作电磁离合器、制动器和阀门。为了致动传感器，可以使用任何形状和尺寸的金属或气缸或机床托架或钻头。感应式接近传感器可忽略油、水、污垢等非金属物体。它可承受冲击环境并耐短路。

电感式接近传感器用于工业自动化以计算产品，用于安全系统中作为金属探测器以及用于探测地雷和其他武器的军事应用。

6、基于霍尔效应的磁性位置传感器

磁性位置传感器用于通过检测地球产生的磁场、电流、磁铁甚至脑电波活动的强度或方向或存在来确定物体的位置。磁性位置传感器是非接触式设备，在许多行业和导航系统中非常重要。

磁场是一个既具有大小又具有方向的矢量。一些传感器测量大小，但不测量磁场的方向，这些是标量传感器。其他传感器沿其主要敏感轴测量磁化分量的大小，这些是单向传感器。一些传感器包括场的方向及其大小，这些是双向传感器。

霍尔效应位置传感器是一种磁场传感器，可用于感测位置、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非常准确且价格合理。霍尔效应传感器由一个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垂直于电流方向。当霍尔效应传感器受到磁场影响时，它会产生与磁场强度成正比的输出电压。由于原始输出电压非常小，因此需要额外的电子电路（如信号调节电路）来实现有用的电压电平。因此，基本霍尔效应传感器由霍尔元件与集成电路上的信号调节电路组合而成。

霍尔效应原理指出，“当将载流导体置于磁场中时，会产生垂直于电流和磁场的电压。”

7、基于涡流位置传感器

涡流传感器是基于非接触式的设备，用于测量导电目标的位置、位移、振荡和振动。涡流传感器用于需要高精度且操作环境恶劣的应用中。

涡流传感器根据磁感应原理工作。一个简单的涡流传感器由一个驱动器和一个感应线圈组成。当交流电通过线圈时，它会产生交变磁场。当目标与该场接触时，会在目标中感应出小电流。这些电流称为涡流。目标中的涡流将产生一个与传感器磁场相反的磁场并抵抗该磁场。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，输出电压被校准为场相互作用的变化，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便宜，能够耐受恶劣和肮脏的环境，尺寸更小，并且对传感器和目标之间间隙中使用的材料类型不敏感。

涡流传感器在需要高分辨率，并且传感器与目标之间的间隙很大的应用中不太有用。

8、旋转编码器

旋转编码器是将角运动转换为模拟值或数字代码的机电设备，它也被称为轴编码器。旋转编码器在编码器的轴或轴旋转时提供值，产生与旋转角度成比例的输出信号。根据输出信号，有两种类型的编码器：增量式和绝对式。

增量编码器的输出为方波形式，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。

绝对编码器的输出是以绝对位置测量的形式，即它们指示轴的当前位置。这使它们成为角度传感器。增量和绝对编码器都有两种结构设计：光学和机械。

在必须将机械运动处理成数字信息的应用中，最流行的传感器选择是增量编码器。

增量编码器的结构如下所示：

9、电缆延长位置传感器

这些传感器是线性位置传感器，通过使用弹簧加载线轴和电缆来测量大范围的位置。这些传感器结构紧凑，因此适用于空间受限的地方。这些被称为不同的名称，如弦壶、拉线传感器、弦编码器或溜溜球壶。

电缆延长位置传感器用于不同行业的不同位移测量应用，如伸缩柱塞、起重机、搬运材料、调平平台、定位液压缸、控制起重机、工农业设备等。

10、超声波位置传感器

超声波位置传感器是一种检测和产生超声波能量的位置传感器，这些传感器主要用于检测可靠位置和精确连续测量固体、液体和粉末的距离，它们在超声波范围内发送和接收声音信号。

11、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。由于近端镜面的移动，光纤位置传感器利用了光纤内部光的逆反射。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。它们通常用于长距离位置传感。

光纤位置传感器由两部分组成：嵌入无源传感器的光学技术和有源控制器，这两者通过全双工光纤链路连接。控制器用于发送光信号，它以类似于条形码的形式将一束光传输到码盘。圆盘旋转，并且入射在圆盘上的代码在每个位置都是唯一的。仅在特定波长下，条形反射光和特定颜色的光通过单独的光纤电缆返回到控制器。在控制器中分析光的波长并产生适当的二进制输出。

光纤传感器有两种类型：本征光纤传感器和非本征光纤传感器。

在本征传感器中，被测量调节传感光纤的传输特性。属性是强度、极化、相位等。

在外部传感器中，调制发生在光纤之外。在这里，光纤仅充当将光从传感器头传输到传感器头的管道。

12、光学位置传感器

光学传感器将光信号转换为电信号，它们是基于非接触式的传感器，类似于光敏电阻，测量物理量并转换为任何适当仪器均可读取的形式。光学传感器可以测量以下物理量：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。

通常情况下，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。这连接到一个电子触发器，该触发器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)，位置敏感检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。位置敏感探测器可以提供高速响应、高可靠性和高位置分辨率。

13、磁致伸缩位置传感器

这些传感器称为非接触式线性位置传感器，它利用两个磁场的快速相互作用来产生通过波导移动的应变信号。第一个场来自沿波导外部移动的磁体，而另一个场来自波导。

这些位置传感器提供完整的测量结果，为通过移动轴的每个点生成独特的信号。该传感器的主要优点是，它是非接触式的，没有摩擦或磨损，并且不受振动影响。主要缺点是传感器两面的死区，因此不能减少到零。

位置传感器电路图和工作过程示例

用于监控旋转或线性运动的常见位置传感器类型称为电位计，它是一种分压器，可为计算机提供可变的直流电压读数。这些类型的传感器通常用于确定空调机组门、阀门、座椅轨道等的位置。电位计传感器电路用于测量电压降的总和以找出位置，电位器位置传感器电路图如下：

通常，电位器包括一个绕线电阻器，该电阻器在中心包括一个可移动的雨刷器。向“A”端子提供一个稳定的电压值，例如5伏。如果雨刮器靠近“A”端子连接，则电压降将很低，这通过整个“B”端子返回到计算机的高压信号来表示。当雨刷器向“С”端方向移动时，向“В”端的传感器电压信号将减小。

在这里，计算机将各种电压值解释为各种轴位置。一旦雨刷在电阻器上移动，则可以通过计算机跟踪单元位置。由于施加的电压必须流经整个电阻，因此温度和其他因素不会向计算机发出不正确和错误的传感器信号。由于变阻器并不精确，它的使用仅限于计算机系统。

位置传感器的优缺点

位置传感器的优点包括以下几点内容：

• 电位传感器价格低廉且精度高。
• LVDT或RVDT传感器提供高精度和重载，对恶劣环境不太敏感。
• 光学传感器具有高精度和高分辨率。
• 磁性和霍尔效应传感器对液体和重型传感器不太敏感。
• 磁致伸缩传感器非常准确，尤其适用于长距离和重载。

位置传感器的缺点包括以下几点内容：

• 电位传感器对灰尘、极端温度、高磨损很敏感。
• LVDT或RVDT价格昂贵、而且笨重。
• 光学式传感器对灰尘、温度和精密敏感。
• 磁性和霍尔效应传感器对冲击做出响应，通过电线、磁性材料和磁滞中断。
• 磁致伸缩型传感器对温度变化敏感，小长度精度不高且价格昂贵

位置传感器的应用

位置传感器的应用包括以下几点内容：

• 是测量旋转或线性位置的基本设备。
• 用于需要测量运动的地方。
• 用于不同的行业，如汽车、液压、赛车、医疗、移动车辆、航空航天等。
• 其它一些应用主要包括医疗设备、包装机、线控汽车、线控飞行器系统、注塑机等。

总结

以上就是关于位置传感器、工作、类型及其应用的相关内容介绍。最后要注意的是，在选择位置传感器的时候，考虑因素主要包括尺寸、重量、传感器提供的信息（如增量或绝对值）、工作温度范围、精度、环境、响应时间、易于安装、初始成本等。