位置传感器在工业场景下的选择困难

E4Life 2022-03-30 3037

描述

位置传感器作为万物互联下的重要传感器件之一，可将被测物体的位置转换为输出信号，给到准确的线性位置、旋转和角度位置信息。然而，在复杂的工业场景中，任何一个传感器的选取都不能马虎，位置传感器也不例外。

磁性位置传感器

磁性位置传感器作为目前使用广泛的位置传感器之一，由于其小尺寸封装和低功耗等优势，在汽车和电机等应用中获得了广泛的应用。这类传感器通过磁场变化来测量相对位移，从而判断角度的变化，最常见的形式就是基于霍尔效应的角度位置传感器。角度位置检测在工业场景中可谓屡见不鲜，比如定向喷洒、阀门控制以及挡板调整等等，也让这类磁性位置传感器有了大展身手的空间。

以AMS的AS5070为例，AS5070就是一款基于霍尔效应的高分辨率角度位置传感器，可用于精确的绝对角度测量，分为模拟输出的AS5070A版本和数字输出的AS5070B版本，后者可以编程为一个PWM或SENT输出接口。AS5070提供14位的分辨率，可以有效解决小角度便宜的问题。

霍尔效应

AS5070示意图 / AMS

虽然这类磁性位置传感器可以做到小型化集成化，在角度测量上也能实现高精度和低功耗，但也不是毫无缺陷。比如这类磁性传感器由于对周围的导磁材料和磁场较为敏感，所以传感器厂商都会加入一定的抗磁干扰技术。比如上述的AS5070就通过其传感器阵列+模拟前端组成的架构来补偿外部杂散磁场，从而省去屏蔽减少系统成本。

此外，由于多数磁性位置传感器用到的都是NdFeB永磁体，虽然这类传感器本身可靠性极高，但这种永磁材料由于众所周知的脆性原因，也让这类传感器与一些存在恶劣冲击的工业环境失之交臂。

闻声定位的超声波

然而对于不适宜直接接触测量的物体，还有一种方案，那就是利用超声波技术。与光学位置传感器类似，超声波位置传感器在非接触式位置传感上有着独到的优势，尤其是一些表面、颜色或结构复杂让光电传感器束手无策的物体。超声波位置传感器由换能器产生高频声波，接收物体反射的信号，通过飞行时间来计算距离，可对各种形态等进行可靠的位置检测和精确的连续距离测量，特别是用于封闭容器内的液位检测。

然而这类超声波传感器有的虽然可编程，具备自学习功能，但自适应性并不算强。就拿它擅长的容器液位监测来说，容器的不同直径乃至不同高度都会对测量精度造成影响，需要选择正确量程的传感器，或是用束波管或IO-Link来调整波束宽度，从而确保声音不会与容器内部起冲突。

霍尔效应

漫反射超声波传感器 / IFM

与其他位置传感器一样，超声波位置传感器也不是全场景适用的。声学的特质为超声波位置传感器带来了不少优点，却也引入了一些限制。比如在真空环境中，超声波传感器就没辙了，因为声音无法在该环境下传播。你可能会说哪有那么多真空环境，然而大部分真空环境都是在工业场景中，所以不得不将其纳入考量。

传统的不一定是最差的

虽然位置传感器上一直在追求创新，但这并不意味着LVDT/RVDT等传统感应式位置传感器失去了市场。固然他们有着又大又贵的缺陷，但在准确性和可靠性上依然是数一数二的，为此有的厂商也开始在传统感应式位置传感器的原理上构思新点子。

霍尔效应

IncOder角度位置传感器 / Celera Motion

比如Celera Motion的IncOder位置传感器，就通过PCB技术消除了传统感应式传感器的相扰结构。以IncOder角度位置传感器为例，该传感器主要有定子和转子两个部件组成，定子上电后即可得出转子相对定子的绝对角度，而无需两者之间产生运动。而且多层PCB可将多个传感器集成在一起，用于一些冗余安全设计。

从以上的简要介绍中可以看出，在各种复杂的工业应用场景下，并没有一款位置传感器能1给到十全十美的表现，这也是为何工业应用定制化方案多的原因之一。对位置传感器的选取也不仅仅只看范围、分辨率和精度，还得从尺寸、工作温度范围、成本和安装难易度上考虑。

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