位置传感器的主要类型和应用

陈RQING 2020-09-18 6175

MEMS/传感技术

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描述

位置传感器是能够检测物体的运动或确定其从既定参考点测量的相对位置的装置。位置传感器还可用于检测物体的存在或不存在。

有几种类型的传感器与位置传感器有类似的作用，比如运动传感器可以检测到物体的运动，并可用于触发动作（如点亮泛光灯或激活安全摄像头）；接近传感器也可以检测到一个物体已经进入传感器的范围内。因此，这两种传感器都可以被认为是位置传感器的一种特殊形式。

位置传感器的类型

位置传感器的总体意图是检测一个物体，并通过产生一个提供位置反馈的信号来传递其位置。然后，这种反馈可用于控制过程中的自动响应，发出警报，或触发特定应用所决定的其他活动。

一般来说，位置传感器可分为三大类，包括线性位置传感器、旋转位置传感器和角度位置传感器。有几种特定的技术可以用来实现这一结果。

位置传感器的主要类型包括以下几种。

电位传感器

电位传感器是基于电阻的传感器，它使用一个带有刮片的电阻轨道，刮片与被监测位置的物体相连。物体的移动会使刮片沿着电阻轨道改变其位置，从而改变刮片位置和轨道末端之间的测量电阻值。通过这种方式，测量的电阻值可以作为物体位置的指示器。

这是通过使用分压器来实现的，在电阻轨道的两端施加一个固定的电压，从刮水器位置到轨道一端的测量电压会产生一个与刮水器位置成正比的值。这种方法既适用于直线位移，也适用于旋转位移。

用于电位计位置传感器的电位计样式包括绕线式、金属陶瓷或塑料（聚合物）薄膜。这些类型的位置传感器成本相对较低，但也存在精度和重复性低的问题。此外，由于设计上的限制，设备的尺寸限制了位置变化的测量范围。

电感式位置传感器

电感式位置传感器通过传感器线圈中感应的磁场特性的变化来检测物体的位置。其中一种类型称为LVDT，或线性可变差分变压器。

在LVDT位置传感器中，三个独立的线圈被绕在一个空心管上。其中一个是初级线圈，另外两个是次级线圈。它们在电气上是串联的，但次级线圈的相位关系与初级线圈的相位相差180o.在空心管内放置一个铁磁芯或衔铁，衔铁与被测物体的位置相连。在初级线圈上施加一个激励电压信号，该信号在LVDT的次级线圈中产生电磁场。

通过测量两个次级线圈之间的电压差，可以确定衔铁（以及衔铁所连接的物体）的相对位置。当电枢在管子中正好处于中心位置时，电磁场就会抵消，导致没有电压输出。但当电枢偏离零位时，电压及其极性就会发生变化。因此，电压的振幅及其相位角不仅提供了反映远离中心（空）位置的移动量的信息，还提供了其方向。下图说明了线性可变差动变压器的操作，显示了将电压测量转化为位置指示的情况。

位置传感器

这些类型的位置传感器具有良好的精度、分辨率、高灵敏度，并在整个传感范围内提供良好的线性。它们也是无摩擦的，并且可以密封在可能暴露在环境中的条件下使用。

虽然LVDT的功能是跟踪线性运动，但一种称为RVDT（旋转电压差变压器）的等效设备可以跟踪物体的旋转位置。RVDT的功能与LVDT相同，只是在结构的细节上有所不同。

基于涡流的位置传感器

涡流是导电材料在磁场变化的情况下发生的感应电流，是法拉第感应定律的结果。这些电流在闭合回路中流动，反过来又会产生二次磁场。

如果线圈被ay交流电通电产生一次磁场，由于涡流产生的二次磁场的相互作用，可以感应到线圈附近导电材料的存在，从而影响线圈的阻抗。所以，线圈阻抗的变化可以用来确定物体与线圈的距离。

涡流位置传感器的工作对象是导电的物体。大多数涡流传感器的功能是作为接近传感器，旨在确定一个物体已经接近传感器的位置。它们作为位置传感器是有限的，因为它们是全向的，意味着它们可以确定物体与传感器的相对距离，但不能确定物体相对于传感器的方向。

电容式位置传感器

电容式位置传感器依靠检测电容值的变化来确定被测物体的位置。电容器由两块相互分离的板子组成，板子之间有介电材料。使用电容式位置传感器检测物体位置的方法一般有两种——通过改变电容器的介电常数和通过改变电容器板的重叠面积。

在第一种情况下，被测物体附着在介电材料上，随着物体的移动，其相对于电容器板的位置发生变化。随着介电材料的移动，电容器的有效介电常数发生变化，是介电材料部分面积的结果，而余额是空气的介电常数。这种方法提供了一个相对于物体相对位置的线性变化的电容值。

在第二种情况下，不是将物体连接到介电材料上，而是连接到其中一个电容板上。因此，当物体移动位置时，电容板的重叠面积会发生变化，从而再次改变电容值。

改变电容测量物体位置的原理，可以应用于直线和角度方向的运动。

磁致伸缩位置传感器

铁、镍、钴等铁磁材料表现出一种被称为磁致伸缩的特性，这意味着当存在外加磁场时，材料将改变其尺寸或形状。磁致伸缩位置传感器就是利用这一原理来确定物体的位置。

一个可移动的位置磁铁连接到被测物体上。波导由一根导线组成，电流脉冲通过这根导线传输，与位于波导末端的传感器相连。位置磁铁产生一个轴向磁场，这个磁场的场线相对于磁阻线和波导是共面的。当一个电流脉冲被送下波导时，在导线中产生了一个与永磁体（位置磁铁）的轴向磁场相互作用的磁场。磁场相互作用的结果是一种扭曲，这就是所谓的Wiedemann效应。这种扭曲导致导线中的应变，产生一个声波脉冲，该脉冲沿波导传播，并被波导末端的传感器检测到。通过测量电流脉冲启动和检测到声波脉冲之间的经过时间，磁致伸缩位置传感器可以确定位置磁铁的相对位置。

由于声波将从位置磁体所在的位置向两个方向传播（既朝向拾取传感器，又远离传感器），因此在波导的另一端设置了阻尼装置，以吸收远离传感器传播的脉冲，使其不会引起干扰信号反射回拾取传感器。下图为磁阻式位置传感器的工作原理示意图。

位置传感器

就其性质而言，磁致伸缩位置传感器用于检测线性位置。它们可以配备多个位置磁铁，以提供沿同一轴线的多个组件的位置信息。它们是非接触式传感器，由于波导通常被安置在不锈钢或铝管中，因此这些传感器可用于可能存在污染的应用中。此外，即使在波导和位置磁铁之间有障碍物，只要障碍物是由非磁性材料制成，磁阻式位置传感器也能发挥作用。

该传感器有多种输出，包括直流电压、电流、PWM信号和启停数字脉冲。

基于霍尔效应的磁式位置传感器

基于霍尔效应的磁式位置传感器可提供多种输出，包括直流电压、电流、PWM信号和启停数字脉冲。

霍尔效应指出，当一个薄薄的平面电导体有电流流过并置于磁场中时，磁场会对电荷载流子产生冲击，迫使电荷载流子相对聚集在导体的一侧，以平衡磁场的干扰。这种电荷的不平等分布导致导体两边之间产生电位差，称为霍尔电压。这种电动势发生的方向与电流的流动方向和磁场的方向是横向的。如果导体中的电流保持恒定值，霍尔电压的大小将直接反映磁场的强度。

在霍尔效应位置传感器中，被测量其位置的物体与装在传感器轴上的磁铁相连。当物体移动时，磁铁的位置相对于传感器中的霍尔元件发生变化。这种位置的移动会改变施加在霍尔元件上的磁场强度，这反过来又会反映为被测霍尔电压的变化。这样，测量到的霍尔电压就成为物体位置的指标。

光纤位置传感器

光纤位置传感器使用了一根光纤，光纤两端各有一组光电探测器。

光源连接到被观察运动的物体上。在物体位置处射入荧光光纤的光能在光纤中得到反射，并被送到光纤的两端，由光电探测器检测。在两个光电检测器处观测到的测量光功率之比的对数将是物体与光纤末端距离的线性函数，因此该值可用于提供物体的位置信息。

光学位置传感器

光学位置传感器的工作原理有两种。在第一种类型中，光从发射器发射，并被送到传感器另一端的接收器。在第二种类型中，发射的光信号从被监测的物体反射到光源。光线特性的变化（如波长、强度、相位、偏振）被用来确定物体的位置信息。这些类型的传感器可分为三类：

透射式光学编码器

反射式光学编码器

干涉式光学编码器

基于编码器的光学位置传感器可用于线性和旋转运动。

超声波位置传感器

与光学位置传感器类似，超声波位置传感器发出的高频声波通常由压电晶体传感器产生。换能器产生的超声波从被测物体或目标反射到换能器，在那里产生输出信号。超声波传感器可以作为近距离传感器，报告物体在传感器指定范围内的情况，也可以作为位置传感器，提供测距信息。超声波位置传感器的优点是，它们可以与不同材料和表面特征的目标物体一起工作，并能比其他类型的位置传感器在更大的距离内检测到小物体。它们还具有抗振动、抗环境噪声、抗电磁干扰和抗红外辐射的能力。

位置传感器的性能参数

确定位置传感器性能的具体参数将根据所选择的传感器类型而变化，因为基本技术原理因类型而异。需要注意的一些适用于大多数位置传感器的关键规格如下。

测量范围 - 提供可获得测量值的传感器距离范围的指示。

分辨率 - 定义了传感器可以测量的最小位置增量的值。

准确度--衡量测量位置与被测对象实际位置一致的程度。

重复性 - 反映了传感器在一段时间内执行相同测量时，所获得的测量位置值的范围。

线性度--在传感器的输出范围内，测量的输出信号与线性行为的偏差程度。

设备的工作温度范围-传感器抵御其他环境和操作条件的能力，如存在冷凝、污染或机械冲击和振动。

位置传感器的应用

位置传感器的应用很多，是很多自动化过程的核心。

大家熟悉的就是自动洗车。位置传感器用于测量车辆在洗车过程中的位置。这使得清洗设备能够在正确的时间被激活。洗车店要想清洗轮胎，就需要知道轮胎的位置，以及什么时候处于正确的位置，以便涂抹清洁剂或轮胎保护剂。鉴于汽车有各种不同的尺寸，需要位置传感器来检测何时开始和停止清洗过程，以便洗车店能够适应不同的车辆，并且仍然能够有效地清洗所有车辆。

位置传感器还可以用来控制设备。感应式传感器是嵌入道路中的大环线，用于检测左转车道上是否有车辆，以便交通控制系统启动交通灯。有门禁系统的停车场使用位置传感器，当车辆接近停车场时，就会升起闸门。电梯使用位置传感器来检测电梯在特定楼层的位置是否正确，电梯门是否可以安全打开。

自动化生产线中的工业流程使用位置传感器，以确保产品在自动流程步骤发生之前被正确定位，例如在汽车车身上喷漆，或在水瓶中加水。医疗机构的核磁共振成像扫描仪利用位置传感器在扫描或成像开始前确定病人的位置是否正确，并在核磁共振成像机中移动病人。

汽车设计师和工程师使用位置传感器来测量重要的发动机参数，如曲轴位置和节气门位置。

具有扫描和倾斜功能的安防摄像机将使用位置传感器来建立摄像机的相对方向，以确保其正确定向以获得最佳视野。

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