位置傳感器是能夠檢測物體的運(yùn)動或確定其從既定參考點(diǎn)測量的相對位置的裝置。位置傳感器還可用于檢測物體的存在或不存在。

有幾種類型的傳感器與位置傳感器有類似的作用，比如運(yùn)動傳感器可以檢測到物體的運(yùn)動，并可用于觸發(fā)動作（如點(diǎn)亮泛光燈或激活安全攝像頭）；接近傳感器也可以檢測到一個物體已經(jīng)進(jìn)入傳感器的范圍內(nèi)。因此，這兩種傳感器都可以被認(rèn)為是位置傳感器的一種特殊形式。

位置傳感器的類型

位置傳感器的總體意圖是檢測一個物體，并通過產(chǎn)生一個提供位置反饋的信號來傳遞其位置。然后，這種反饋可用于控制過程中的自動響應(yīng)，發(fā)出警報，或觸發(fā)特定應(yīng)用所決定的其他活動。

一般來說，位置傳感器可分為三大類，包括線性位置傳感器、旋轉(zhuǎn)位置傳感器和角度位置傳感器。有幾種特定的技術(shù)可以用來實現(xiàn)這一結(jié)果。

位置傳感器的主要類型包括以下幾種。

電位傳感器

電位傳感器是基于電阻的傳感器，它使用一個帶有刮片的電阻軌道，刮片與被監(jiān)測位置的物體相連。物體的移動會使刮片沿著電阻軌道改變其位置，從而改變刮片位置和軌道末端之間的測量電阻值。通過這種方式，測量的電阻值可以作為物體位置的指示器。

這是通過使用分壓器來實現(xiàn)的，在電阻軌道的兩端施加一個固定的電壓，從刮水器位置到軌道一端的測量電壓會產(chǎn)生一個與刮水器位置成正比的值。這種方法既適用于直線位移，也適用于旋轉(zhuǎn)位移。

用于電位計位置傳感器的電位計樣式包括繞線式、金屬陶瓷或塑料（聚合物）薄膜。這些類型的位置傳感器成本相對較低，但也存在精度和重復(fù)性低的問題。此外，由于設(shè)計上的限制，設(shè)備的尺寸限制了位置變化的測量范圍。

電感式位置傳感器

電感式位置傳感器通過傳感器線圈中感應(yīng)的磁場特性的變化來檢測物體的位置。其中一種類型稱為LVDT，或線性可變差分變壓器。

在LVDT位置傳感器中，三個獨(dú)立的線圈被繞在一個空心管上。其中一個是初級線圈，另外兩個是次級線圈。它們在電氣上是串聯(lián)的，但次級線圈的相位關(guān)系與初級線圈的相位相差180o.在空心管內(nèi)放置一個鐵磁芯或銜鐵，銜鐵與被測物體的位置相連。在初級線圈上施加一個激勵電壓信號，該信號在LVDT的次級線圈中產(chǎn)生電磁場。

通過測量兩個次級線圈之間的電壓差，可以確定銜鐵（以及銜鐵所連接的物體）的相對位置。當(dāng)電樞在管子中正好處于中心位置時，電磁場就會抵消，導(dǎo)致沒有電壓輸出。但當(dāng)電樞偏離零位時，電壓及其極性就會發(fā)生變化。因此，電壓的振幅及其相位角不僅提供了反映遠(yuǎn)離中心（空）位置的移動量的信息，還提供了其方向。下圖說明了線性可變差動變壓器的操作，顯示了將電壓測量轉(zhuǎn)化為位置指示的情況。

這些類型的位置傳感器具有良好的精度、分辨率、高靈敏度，并在整個傳感范圍內(nèi)提供良好的線性。它們也是無摩擦的，并且可以密封在可能暴露在環(huán)境中的條件下使用。

雖然LVDT的功能是跟蹤線性運(yùn)動，但一種稱為RVDT（旋轉(zhuǎn)電壓差變壓器）的等效設(shè)備可以跟蹤物體的旋轉(zhuǎn)位置。RVDT的功能與LVDT相同，只是在結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)上有所不同。

基于渦流的位置傳感器

渦流是導(dǎo)電材料在磁場變化的情況下發(fā)生的感應(yīng)電流，是法拉第感應(yīng)定律的結(jié)果。這些電流在閉合回路中流動，反過來又會產(chǎn)生二次磁場。

如果線圈被ay交流電通電產(chǎn)生一次磁場，由于渦流產(chǎn)生的二次磁場的相互作用，可以感應(yīng)到線圈附近導(dǎo)電材料的存在，從而影響線圈的阻抗。所以，線圈阻抗的變化可以用來確定物體與線圈的距離。

渦流位置傳感器的工作對象是導(dǎo)電的物體。大多數(shù)渦流傳感器的功能是作為接近傳感器，旨在確定一個物體已經(jīng)接近傳感器的位置。它們作為位置傳感器是有限的，因為它們是全向的，意味著它們可以確定物體與傳感器的相對距離，但不能確定物體相對于傳感器的方向。

電容式位置傳感器

電容式位置傳感器依靠檢測電容值的變化來確定被測物體的位置。電容器由兩塊相互分離的板子組成，板子之間有介電材料。使用電容式位置傳感器檢測物體位置的方法一般有兩種——通過改變電容器的介電常數(shù)和通過改變電容器板的重疊面積。

在第一種情況下，被測物體附著在介電材料上，隨著物體的移動，其相對于電容器板的位置發(fā)生變化。隨著介電材料的移動，電容器的有效介電常數(shù)發(fā)生變化，是介電材料部分面積的結(jié)果，而余額是空氣的介電常數(shù)。這種方法提供了一個相對于物體相對位置的線性變化的電容值。

在第二種情況下，不是將物體連接到介電材料上，而是連接到其中一個電容板上。因此，當(dāng)物體移動位置時，電容板的重疊面積會發(fā)生變化，從而再次改變電容值。

改變電容測量物體位置的原理，可以應(yīng)用于直線和角度方向的運(yùn)動。

磁致伸縮位置傳感器

鐵、鎳、鈷等鐵磁材料表現(xiàn)出一種被稱為磁致伸縮的特性，這意味著當(dāng)存在外加磁場時，材料將改變其尺寸或形狀。磁致伸縮位置傳感器就是利用這一原理來確定物體的位置。

一個可移動的位置磁鐵連接到被測物體上。波導(dǎo)由一根導(dǎo)線組成，電流脈沖通過這根導(dǎo)線傳輸，與位于波導(dǎo)末端的傳感器相連。位置磁鐵產(chǎn)生一個軸向磁場，這個磁場的場線相對于磁阻線和波導(dǎo)是共面的。當(dāng)一個電流脈沖被送下波導(dǎo)時，在導(dǎo)線中產(chǎn)生了一個與永磁體（位置磁鐵）的軸向磁場相互作用的磁場。磁場相互作用的結(jié)果是一種扭曲，這就是所謂的Wiedemann效應(yīng)。這種扭曲導(dǎo)致導(dǎo)線中的應(yīng)變，產(chǎn)生一個聲波脈沖，該脈沖沿波導(dǎo)傳播，并被波導(dǎo)末端的傳感器檢測到。通過測量電流脈沖啟動和檢測到聲波脈沖之間的經(jīng)過時間，磁致伸縮位置傳感器可以確定位置磁鐵的相對位置。

由于聲波將從位置磁體所在的位置向兩個方向傳播（既朝向拾取傳感器，又遠(yuǎn)離傳感器），因此在波導(dǎo)的另一端設(shè)置了阻尼裝置，以吸收遠(yuǎn)離傳感器傳播的脈沖，使其不會引起干擾信號反射回拾取傳感器。下圖為磁阻式位置傳感器的工作原理示意圖。

就其性質(zhì)而言，磁致伸縮位置傳感器用于檢測線性位置。它們可以配備多個位置磁鐵，以提供沿同一軸線的多個組件的位置信息。它們是非接觸式傳感器，由于波導(dǎo)通常被安置在不銹鋼或鋁管中，因此這些傳感器可用于可能存在污染的應(yīng)用中。此外，即使在波導(dǎo)和位置磁鐵之間有障礙物，只要障礙物是由非磁性材料制成，磁阻式位置傳感器也能發(fā)揮作用。

該傳感器有多種輸出，包括直流電壓、電流、PWM信號和啟停數(shù)字脈沖。

基于霍爾效應(yīng)的磁式位置傳感器

基于霍爾效應(yīng)的磁式位置傳感器可提供多種輸出，包括直流電壓、電流、PWM信號和啟停數(shù)字脈沖。

霍爾效應(yīng)指出，當(dāng)一個薄薄的平面電導(dǎo)體有電流流過并置于磁場中時，磁場會對電荷載流子產(chǎn)生沖擊，迫使電荷載流子相對聚集在導(dǎo)體的一側(cè)，以平衡磁場的干擾。這種電荷的不平等分布導(dǎo)致導(dǎo)體兩邊之間產(chǎn)生電位差，稱為霍爾電壓。這種電動勢發(fā)生的方向與電流的流動方向和磁場的方向是橫向的。如果導(dǎo)體中的電流保持恒定值，霍爾電壓的大小將直接反映磁場的強(qiáng)度。

在霍爾效應(yīng)位置傳感器中，被測量其位置的物體與裝在傳感器軸上的磁鐵相連。當(dāng)物體移動時，磁鐵的位置相對于傳感器中的霍爾元件發(fā)生變化。這種位置的移動會改變施加在霍爾元件上的磁場強(qiáng)度，這反過來又會反映為被測霍爾電壓的變化。這樣，測量到的霍爾電壓就成為物體位置的指標(biāo)。

光纖位置傳感器

光纖位置傳感器使用了一根光纖，光纖兩端各有一組光電探測器。

光源連接到被觀察運(yùn)動的物體上。在物體位置處射入熒光光纖的光能在光纖中得到反射，并被送到光纖的兩端，由光電探測器檢測。在兩個光電檢測器處觀測到的測量光功率之比的對數(shù)將是物體與光纖末端距離的線性函數(shù)，因此該值可用于提供物體的位置信息。

光學(xué)位置傳感器

光學(xué)位置傳感器的工作原理有兩種。在第一種類型中，光從發(fā)射器發(fā)射，并被送到傳感器另一端的接收器。在第二種類型中，發(fā)射的光信號從被監(jiān)測的物體反射到光源。光線特性的變化（如波長、強(qiáng)度、相位、偏振）被用來確定物體的位置信息。這些類型的傳感器可分為三類：

透射式光學(xué)編碼器

反射式光學(xué)編碼器

干涉式光學(xué)編碼器

基于編碼器的光學(xué)位置傳感器可用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

超聲波位置傳感器

與光學(xué)位置傳感器類似，超聲波位置傳感器發(fā)出的高頻聲波通常由壓電晶體傳感器產(chǎn)生。換能器產(chǎn)生的超聲波從被測物體或目標(biāo)反射到換能器，在那里產(chǎn)生輸出信號。超聲波傳感器可以作為近距離傳感器，報告物體在傳感器指定范圍內(nèi)的情況，也可以作為位置傳感器，提供測距信息。超聲波位置傳感器的優(yōu)點(diǎn)是，它們可以與不同材料和表面特征的目標(biāo)物體一起工作，并能比其他類型的位置傳感器在更大的距離內(nèi)檢測到小物體。它們還具有抗振動、抗環(huán)境噪聲、抗電磁干擾和抗紅外輻射的能力。

位置傳感器的性能參數(shù)

確定位置傳感器性能的具體參數(shù)將根據(jù)所選擇的傳感器類型而變化，因為基本技術(shù)原理因類型而異。需要注意的一些適用于大多數(shù)位置傳感器的關(guān)鍵規(guī)格如下。

測量范圍 - 提供可獲得測量值的傳感器距離范圍的指示。

分辨率 - 定義了傳感器可以測量的最小位置增量的值。

準(zhǔn)確度--衡量測量位置與被測對象實際位置一致的程度。

重復(fù)性 - 反映了傳感器在一段時間內(nèi)執(zhí)行相同測量時，所獲得的測量位置值的范圍。

線性度--在傳感器的輸出范圍內(nèi)，測量的輸出信號與線性行為的偏差程度。

設(shè)備的工作溫度范圍-傳感器抵御其他環(huán)境和操作條件的能力，如存在冷凝、污染或機(jī)械沖擊和振動。

位置傳感器的應(yīng)用

位置傳感器的應(yīng)用很多，是很多自動化過程的核心。

大家熟悉的就是自動洗車。位置傳感器用于測量車輛在洗車過程中的位置。這使得清洗設(shè)備能夠在正確的時間被激活。洗車店要想清洗輪胎，就需要知道輪胎的位置，以及什么時候處于正確的位置，以便涂抹清潔劑或輪胎保護(hù)劑。鑒于汽車有各種不同的尺寸，需要位置傳感器來檢測何時開始和停止清洗過程，以便洗車店能夠適應(yīng)不同的車輛，并且仍然能夠有效地清洗所有車輛。

位置傳感器還可以用來控制設(shè)備。感應(yīng)式傳感器是嵌入道路中的大環(huán)線，用于檢測左轉(zhuǎn)車道上是否有車輛，以便交通控制系統(tǒng)啟動交通燈。有門禁系統(tǒng)的停車場使用位置傳感器，當(dāng)車輛接近停車場時，就會升起閘門。電梯使用位置傳感器來檢測電梯在特定樓層的位置是否正確，電梯門是否可以安全打開。

自動化生產(chǎn)線中的工業(yè)流程使用位置傳感器，以確保產(chǎn)品在自動流程步驟發(fā)生之前被正確定位，例如在汽車車身上噴漆，或在水瓶中加水。醫(yī)療機(jī)構(gòu)的核磁共振成像掃描儀利用位置傳感器在掃描或成像開始前確定病人的位置是否正確，并在核磁共振成像機(jī)中移動病人。

汽車設(shè)計師和工程師使用位置傳感器來測量重要的發(fā)動機(jī)參數(shù)，如曲軸位置和節(jié)氣門位置。

具有掃描和傾斜功能的安防攝像機(jī)將使用位置傳感器來建立攝像機(jī)的相對方向，以確保其正確定向以獲得最佳視野。