今天北京優(yōu)利威公司小編給大家講一下關(guān)于位置傳感器相關(guān)的知識(shí)，主要是位置傳感器工作原理、位置傳感器有哪幾種類型進(jìn)行簡單的講解。

一、什么是位置傳感器？

顧名思義，位置傳感器檢測(cè)物體的位置，也就是意味著位置傳感器被引用到某個(gè)固定點(diǎn)或者說從某個(gè)固定的點(diǎn)或者位置引用，然后位置傳感器提供位置的反饋。

確定位置的一種方法是使用“距離”，如兩點(diǎn)之間的距離，例如從某個(gè)固定點(diǎn)行進(jìn)或移動(dòng)的距離，或者使用“旋轉(zhuǎn)”（角運(yùn)動(dòng)）。

例如，機(jī)器人輪子的旋轉(zhuǎn)以確定其沿地面行進(jìn)的距離。無論哪種方式，位置傳感器都可以使用線性傳感器檢測(cè)物體的直線運(yùn)動(dòng)，或者使用旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)物體的角運(yùn)動(dòng)。

位置傳感器可以以不同的方式運(yùn)行：

提供根據(jù)物體位置變化的信號(hào)，然后通過信號(hào)變化來轉(zhuǎn)換位移。

隨著每一個(gè)動(dòng)作，位置傳感器都會(huì)發(fā)出一種沖動(dòng)。位置傳感器通過對(duì)發(fā)射的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來確定位移和位置。

當(dāng)位置傳感器與運(yùn)動(dòng)物體之間沒有機(jī)械連接時(shí)，通過一個(gè)場(chǎng)提供信號(hào)。北京優(yōu)利威告訴您可以是渦流傳感器的電磁場(chǎng)，電容傳感器的靜電場(chǎng)和磁阻、磁阻變化或霍爾效應(yīng)傳感器的磁感應(yīng)場(chǎng)。

二、位置傳感器按其原理主要分為幾種？

電位位置傳感器（基于電阻）

感應(yīng)式位置傳感器

基于渦流的位置傳感器

電容式位置傳感器

磁致伸縮位置傳感器

基于霍爾效應(yīng)的磁性位置傳感器

光纖位置傳感器

光學(xué)位置傳感器

超聲波位置傳感器

三、位置傳感器工作原理

1、感應(yīng)式位置傳感器

1）線性可變差動(dòng)變壓器，也就是LVDT

感應(yīng)式位置傳感器通過在傳感器線圈中感應(yīng)出的磁場(chǎng)特性的變化來檢測(cè)物體的位置。

第一種是稱為LVDT位置傳感器或者線性可變差動(dòng)變壓器。在 LVDT 位置傳感器中，三個(gè)單獨(dú)的線圈纏繞在空心管上。其中一個(gè)是初級(jí)線圈，另外兩個(gè)是次級(jí)線圈。這三個(gè)線圈在電氣上是串聯(lián)的，但次級(jí)線圈的相位關(guān)系是 180°，相對(duì)于初級(jí)線圈異相。

鐵磁芯或電樞放置在空心管內(nèi)，電樞連接到被測(cè)量位置的物體。將激勵(lì)電壓信號(hào)施加到初級(jí)線圈，在 LVDT 的次級(jí)線圈中感應(yīng)出 EMF。

線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT位置傳感器）通過測(cè)量兩個(gè)次級(jí)線圈之間的電壓差，可以確定電樞的相對(duì)位置（以及它所連接的物體）。當(dāng)電樞在管子中精確居中時(shí)，EMF 抵消，導(dǎo)致沒有電壓輸出。但是隨著電樞離開零位，電壓及其極性會(huì)發(fā)生變化。

所以，電壓幅度及其相角用于提供信息，這些信息不僅反映了遠(yuǎn)離中心（零）位置的移動(dòng)量，還反映了它的方向。

LVDT 電感式位置傳感器提供良好的精度、分辨率、高靈敏度，并在整個(gè)傳感范圍內(nèi)提供良好的線性度，無摩擦。

雖然 LVDT 用于跟蹤線性運(yùn)動(dòng)，但稱為 RVDT（用于旋轉(zhuǎn)電壓差動(dòng)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，僅在構(gòu)造細(xì)節(jié)上有所不同。

2）電感式接近傳感器

電感式接近傳感器有四個(gè)主要組件；產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩器，產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈。當(dāng)物體進(jìn)入時(shí)檢測(cè)磁場(chǎng)變化的檢測(cè)電路，以及產(chǎn)生輸出信號(hào)的輸出電路，常閉（NC）或者常閉開（NO）觸點(diǎn)。

電感式接近傳感器允許檢測(cè)傳感器頭前面的金屬物體，而無需檢測(cè)到物體本身的任何物理接觸，非常適合在骯臟或潮濕的環(huán)境中使用。電感式接近傳感器的“感應(yīng)”范圍非常小，通常為 0.1 毫米至 12 毫米。

除工業(yè)應(yīng)用外，電感式接近傳感器也常用于通過改變路口和十字路口的交通信號(hào)燈來控制交通流量。矩形電感線圈埋入柏油路面。

當(dāng)汽車或其他道路車輛經(jīng)過此感應(yīng)回路時(shí)，車輛的金屬車身會(huì)改變回路電感并激活傳感器，從而提醒交通信號(hào)燈控制器有車輛在等待。

這些類型的位置傳感器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們是“全向的”，即它們會(huì)感應(yīng)金屬物體的上方、下方或側(cè)面。此外，盡管電容式接近傳感器和超聲波接近傳感器可用，但它們不能檢測(cè)非金屬物體。其他常用的磁性位置傳感器包括：簧片開關(guān)、霍爾效應(yīng)傳感器和可變磁阻傳感器。

2、電容式位置傳感器

電容式位置傳感器依靠檢測(cè)電容值的變化來確定被測(cè)物體的位置。電容由彼此分開的兩塊板組成，兩塊板之間有介電材料。

電容式位置傳感器檢測(cè)物體的位置有兩種方法：

1、通過改變電容器的介電常數(shù)

2、通過改變電容器極板的重疊面積

在第一種情況下，被測(cè)物體附著在介電材料上，其相對(duì)于電容板的位置隨著物體的移動(dòng)而變化。隨著介電材料的移動(dòng)，電容器的有效介電常數(shù)發(fā)生變化，這是由于部分區(qū)域的介電材料和其余部分是空氣的介電常數(shù)的結(jié)果。這種方法提供了電容值相對(duì)于物體相對(duì)位置的線性變化。

在第二種情況下，不是將物體連接到介電材料上，而是連接到電容板上。因此，當(dāng)物體移動(dòng)其位置時(shí)，電容極板的重疊區(qū)域會(huì)發(fā)生變化，從而再次改變電容值。

改變電容以測(cè)量物體位置的原理可以應(yīng)用于線性和角度方向的運(yùn)動(dòng)。

3、電位位置傳感器

所有“位置傳感器”中最常用的是電位器，因?yàn)樗且环N便宜且易于使用的位置傳感器。它有一個(gè)與機(jī)械軸相連的觸點(diǎn)，該機(jī)械軸的運(yùn)動(dòng)可以是有角度的（旋轉(zhuǎn)的）或線性的（滑塊型），這會(huì)導(dǎo)致滑塊和兩個(gè)端部連接之間的電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)輸出在電阻軌道上的實(shí)際抽頭位置與其電阻值之間具有比例關(guān)系。換句話說，阻力與位置成正比。

電位器有多種設(shè)計(jì)和尺寸，例如常用的圓形旋轉(zhuǎn)類型或較長且扁平的線性滑塊類型。當(dāng)用作位置傳感器時(shí)，可移動(dòng)物體直接連接到電位計(jì)的旋轉(zhuǎn)軸或滑塊。

直流參考電壓施加在形成電阻元件的兩個(gè)外部固定連接上。輸出電壓信號(hào)取自滑動(dòng)觸點(diǎn)的抽頭端子，如下圖所示。

這種配置產(chǎn)生與軸位置成比例的電位或分壓器類型的電路輸出。然后，例如，如果在電位器的電阻元件上施加 10v 的電壓，則最大輸出電壓將等于 10 伏的電源電壓，最小輸出電壓等于 0 伏。

然后電位器抽頭將輸出信號(hào)在 0 到 10 伏之間變化，其中 5 伏表示抽頭或滑塊處于其中間位置或中心位置。電位器的輸出信號(hào) (Vout) 在沿電阻軌道移動(dòng)時(shí)取自中心游標(biāo)連接，并且與軸的角位置成正比。

雖然電阻式電位器位置傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：成本低、技術(shù)含量低、易于使用等，但作為位置傳感器，它們也有許多缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)部件磨損、精度低、可重復(fù)性低和頻率響應(yīng)有限。

但是將電位計(jì)用作位置傳感器有一個(gè)主要缺點(diǎn)。其游標(biāo)或滑塊的移動(dòng)范圍（以及因此獲得的輸出信號(hào)）受限于所使用的電位器的物理尺寸。

例如，單圈旋轉(zhuǎn)電位器通常僅具有在 0° 和最大約 240 至 330° 之間的固定機(jī)械旋轉(zhuǎn)。但是，也可提供機(jī)械旋轉(zhuǎn)高達(dá) 3600 o (10 x 360° ) 的多圈鍋。

大多數(shù)類型的電位器都使用碳膜作為電阻軌道，但這些類型的電位器具有電噪聲（收音機(jī)音量控制上的噼啪聲），并且機(jī)械壽命也很短。

4、基于渦流的位置傳感器

渦流是在磁場(chǎng)變化的情況下發(fā)生在導(dǎo)電材料中的感應(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(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生次級(jí)磁場(chǎng)。

如果線圈通過交流電通電以產(chǎn)生初級(jí)磁場(chǎng)，則由于渦流產(chǎn)生的次級(jí)場(chǎng)的相互作用，可以感應(yīng)到靠近線圈的導(dǎo)電材料的存在，這會(huì)影響線圈的阻抗線圈。因此，線圈阻抗的變化可以用來確定物體與線圈的距離。

渦流位置傳感器與導(dǎo)電物體一起工作。大多數(shù)渦流傳感器用作接近傳感器，旨在確定物體是否接近傳感器的位置。它們被限制為位置傳感器。

因?yàn)槲恢脗鞲衅魇侨虻?，這意味著它們可以確定物體與傳感器的相對(duì)距離，但不能確定物體相對(duì)于傳感器的方向。

5、磁致伸縮位置傳感器

鐵、鎳和鈷等鐵磁材料表現(xiàn)出一種稱為磁致伸縮的特性。磁致伸縮位置傳感器利用當(dāng)存在外加磁場(chǎng)時(shí)，材料會(huì)改變其尺寸或形狀這一原理來確定物體的位置。

一個(gè)可移動(dòng)的位置磁鐵附在被測(cè)物體上。波導(dǎo)由傳輸電流脈沖的導(dǎo)線組成，連接到位于波導(dǎo)末端的傳感器。定位磁鐵產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，其磁力線與磁致伸縮線和波導(dǎo)共面。當(dāng)電流脈沖沿波導(dǎo)向下發(fā)送時(shí)，導(dǎo)線中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與永磁體（位置磁體）的軸向磁場(chǎng)相互作用。

場(chǎng)相互作用的結(jié)果是一種扭曲，稱為維德曼效應(yīng)。這種扭曲會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線產(chǎn)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生沿著波導(dǎo)傳播并由波導(dǎo)末端的傳感器檢測(cè)到的聲脈沖。

由于聲波將從定位磁鐵所在的位置沿兩個(gè)方向傳播，因此在波導(dǎo)的另一端安裝了一個(gè)阻尼裝置，以吸收遠(yuǎn)離傳感器傳播的脈沖。傳感器，使其不會(huì)導(dǎo)致干擾信號(hào)反射回拾取傳感器。

就其性質(zhì)而言，磁致伸縮位置傳感器用于檢測(cè)線性位置。它們可以配備多個(gè)位置磁鐵，以提供沿同一軸的多個(gè)組件的位置信息。它們是非接觸式傳感器，由于波導(dǎo)通常安裝在不銹鋼或鋁管中，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)和定位磁體之間存在屏障，只要屏障由非磁性材料制成，磁致伸縮位置傳感器也可以工作。如果您需要LVDT位置傳感器或磁致伸縮位置傳感器可以聯(lián)系北京優(yōu)利威科技公司咨詢，我們免費(fèi)提供技術(shù)支持為您選型和提供解決方案。

磁阻位置傳感器可提供多種輸出，包括直流電壓、電流、PWM 信號(hào)和啟停數(shù)字脈沖。

6、基于霍爾效應(yīng)的磁性位置傳感器

霍爾效應(yīng)指出，當(dāng)薄的扁平電導(dǎo)體有電流流過它并置于磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)影響電荷載流子，迫使它們相對(duì)于另一側(cè)積聚在導(dǎo)體的一側(cè)，以平衡磁場(chǎng)的干擾。

這種電荷的不均勻分布導(dǎo)致在導(dǎo)體兩側(cè)之間產(chǎn)生電位差，稱為霍爾電壓。該電勢(shì)發(fā)生在橫向于電流流動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向的方向上。

如果導(dǎo)體中的電流保持在一個(gè)恒定值，霍爾電壓的大小將直接反映磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

在霍爾效應(yīng)位置傳感器中，被測(cè)量其位置的物體連接到容納在傳感器軸中的磁鐵。隨著物體移動(dòng)，磁鐵的位置相對(duì)于傳感器中的霍爾元件發(fā)生變化。然后，這種位置移動(dòng)會(huì)改變施加到霍爾元件的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這反過來會(huì)反映為測(cè)量的霍爾電壓的變化。這樣，測(cè)得的霍爾電壓就成為了物體位置的指標(biāo)。

7、光纖位置傳感器

光纖位置傳感器使用光纖，在光纖的每一端都有一組光電探測(cè)器。光源附在被觀察運(yùn)動(dòng)的物體上。在物體位置被引導(dǎo)到熒光光纖中的光能在光纖中被反射，并被發(fā)送到光纖的任一端，在那里被光電探測(cè)器檢測(cè)到。

在兩個(gè)光電探測(cè)器上觀察到的測(cè)量光功率比的對(duì)數(shù)將是物體到光纖末端的距離的線性函數(shù)，因此該值可用于提供物體的位置信息。

8、光學(xué)位置傳感器（激光位置傳感器/激光雷達(dá)）

光學(xué)位置傳感器使用兩種原理之一進(jìn)行操作。在第一種類型中，光從發(fā)射器傳輸并發(fā)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(hào)從被監(jiān)測(cè)的物體反射返回到光源。光特性（例如波長、強(qiáng)度、相位、偏振）的變化用于建立關(guān)于物體位置的信息。這些類型的傳感器分為三類：

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(dòng)。

9、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)射通常由壓電晶體換能器產(chǎn)生的高頻聲波，換能器產(chǎn)生的超聲波從被測(cè)物體或目標(biāo)反射回?fù)Q能器，在此產(chǎn)生輸出信號(hào)。

超聲波傳感器可以用作接近傳感器，它們報(bào)告物體在傳感器的指定范圍內(nèi)，或者用作提供測(cè)距信息的位置傳感器。

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性的目標(biāo)物體一起工作，并且可以比其他類型的位置傳感器檢測(cè)更遠(yuǎn)距離的小物體。它們還可以抵抗振動(dòng)、環(huán)境噪聲、EMI和紅外輻射。

審核編輯：湯梓紅