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，主要是位置傳感器工作原理、位置傳感器有哪幾種類型進行簡單的講解。

一、什么是位置傳感器？

顧名思義，位置傳感器檢測物體的位置，也就是意味著位置傳感器被引用到某個固定點或者說從某個固定的點或者位置引用，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”，如兩點之間的距離，例如從某個固定點行進或移動的距離，或者使用“旋轉(zhuǎn)”（角運動）。

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

位置傳感器可以以不同的方式運行：

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

隨著每一個動作，位置傳感器都會發(fā)出一種沖動。位置傳感器通過對發(fā)射的脈沖進行計數(shù)來確定位移和位置。

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

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)出的磁場特性的變化來檢測物體的位置。

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

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

線性可變差動變壓器（LVDT位置傳感器）通過測量兩個次級線圈之間的電壓差，可以確定電樞的相對位置（以及它所連接的物體）。當(dāng)電樞在管子中精確居中時，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離中心（零）位置的移動量，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 用于跟蹤線性運動，但稱為 RVDT（用于旋轉(zhuǎn)電壓差動變壓器）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主要組件；產(chǎn)生電磁場的振蕩器，產(chǎn)生磁場的線圈。當(dāng)物體進入時檢測磁場變化的檢測電路，以及產(chǎn)生輸出信號的輸出電路，常閉（NC）或者常閉開（NO）觸點。

電感式接近傳感器允許檢測傳感器頭前面的金屬物體，而無需檢測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，車輛的金屬車身會改變回路電感并激活傳感器，從而提醒交通信號燈控制器有車輛在等待。

這些類型的位置傳感器的一個主要缺點是它們是“全向的”，即它們會感應(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電容值的變化來確定被測物體的位置。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，被測物體附著在介電材料上，其相對于電容板的位置隨著物體的移動而變化。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，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于物體相對位置的線性變化。

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)物體移動其位置時，電容極板的重疊區(qū)域會發(fā)生變化，從而再次改變電容值。

改變電容以測量物體位置的原理可以應(yīng)用于線性和角度方向的運動。

3、電位位置傳感器

所有“位置傳感器”中最常用的是電位器，因為它是一種便宜且易于使用的位置傳感器。它有一個與機械軸相連的觸點，該機械軸的運動可以是有角度的（旋轉(zhuǎn)的）或線性的（滑塊型），這會導(dǎo)致滑塊和兩個端部連接之間的電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號輸出在電阻軌道上的實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，可移動物體直接連接到電位計的旋轉(zhuǎn)軸或滑塊。

直流參考電壓施加在形成電阻元件的兩個外部固定連接上。輸出電壓信號取自滑動觸點的抽頭端子，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 (Vout) 在沿電阻軌道移動時取自中心游標(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：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：運動部件磨損、精度低、可重復(fù)性低和頻率響應(yīng)有限。

但是將電位計用作位置傳感器有一個主要缺點。其游標(biāo)或滑塊的移動范圍（以及因此獲得的輸出信號）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° 之間的固定機械旋轉(zhuǎn)。但是，也可提供機械旋轉(zhuǎn)高達 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（收音機音量控制上的噼啪聲），并且機械壽命也很短。

4、基于渦流的位置傳感器

渦流是在磁場變化的情況下發(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，進而導(dǎo)致產(chǎn)生次級磁場。

如果線圈通過交流電通電以產(chǎn)生初級磁場，則由于渦流產(chǎn)生的次級場的相互作用，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。

因為位置傳感器是全向的，這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。

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)存在外加磁場時，材料會改變其尺寸或形狀這一原理來確定物體的位置。

一個可移動的位置磁鐵附在被測物體上。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，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，導(dǎo)線中會產(chǎn)生一個磁場，該磁場與永磁體（位置磁體）的軸向磁場相互作用。

場相互作用的結(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)末端的傳感器檢測到的聲脈沖。

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

就其性質(zhì)而言，磁致伸縮位置傳感器用于檢測線性位置。它們可以配備多個位置磁鐵，以提供沿同一軸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中時，磁場會影響電荷載流子，迫使它們相對于另一側(cè)積聚在導(dǎo)體的一側(cè)，以平衡磁場的干擾。

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。該電勢發(fā)生在橫向于電流流動方向和磁場方向的方向上。

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

在霍爾效應(yīng)位置傳感器中，被測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，磁鐵的位置相對于傳感器中的霍爾元件發(fā)生變化。然后，這種位置移動會改變施加到霍爾元件的磁場強度，這反過來會反映為測量的霍爾電壓的變化。這樣，測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器。光源附在被觀察運動的物體上。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，在那里被光電探測器檢測到。

在兩個光電探測器上觀察到的測量光功率比的對數(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）

光學(xué)位置傳感器使用兩種原理之一進行操作。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)射的光信號從被監(jiān)測的物體反射返回到光源。光特性（例如波長、強度、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)運動。

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)生的超聲波從被測物體或目標(biāo)反射回換能器，在此產(chǎn)生輸出信號。

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

超聲波位置傳感器的優(yōu)點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更遠距離的小物體。它們還可以抵抗振動、環(huán)境噪聲、EMI和紅外輻射。

審核編輯：湯梓紅