位置传感器结构案例编码

模拟对话 2019-06-26 3847

描述

在本教程中，我们将介绍各种设备，这些设备被归类为输入设备，因此称为“传感器”，特别是那些位置的传感器自然。

顾名思义，位置传感器检测某物的位置，这意味着它们被引用到某个固定点或位置。这些类型的传感器提供“位置”反馈。

确定位置的一种方法是使用“距离”，它可以是两点之间的距离，例如行进距离或远离距离一些固定点，或“旋转”（角运动）。例如，机器人轮的旋转以确定其沿地面行进的距离。无论哪种方式，位置传感器都可以使用线性传感器或使用旋转传感器进行角度移动来检测物体在直线上的移动。 / p>

电位计

所有“位置传感器”中最常用的是电位计，因为它是一种价格低廉且易于使用的位置传感器。它有一个连接到机械轴的刮水器触点，在其运动中可以是角度（旋转）或线性（滑块类型），并且使刮水器/滑块和两个端部连接之间的电阻值发生变化，从而产生电信号输出在电阻轨道上的实际游标位置与其电阻值之间具有比例关系。换句话说，电阻与位置成正比。

电位计

电位计有多种设计和尺寸可供选择例如通常可用的圆形旋转型或更长和扁平的线性滑块类型。当用作位置传感器时，可移动物体直接连接到电位计的旋转轴或滑块。

在形成电阻元件的两个外部固定连接上施加DC参考电压。输出电压信号取自滑动触点的滑动端子，如下所示。

此配置产生电位或分压器类型的电路输出，该输出与轴位置成比例。然后，例如，如果在电位器的电阻元件上施加10v的电压，则最大输出电压将等于10伏的电源电压，最小输出电压等于0伏。然后电位器刮水器将输出信号从0变为10伏，5伏表示刮水器或滑块位于其中间位置或中心位置。

电位计结构

位置传感器

电位器的输出信号（Vout）取自中心抽头连接，因为它沿电阻轨道移动，并与轴的角位置。

简单位置感应电路示例

位置传感器

虽然电阻式电位器位置传感器具有许多优点：低成本，低技术，易于使用等，作为位置传感器，它们也有许多缺点：由于运动部件磨损，精度低，重复性低，频率响应有限。

但使用电位计作为位置传感器有一个主要缺点。其擦拭器或滑块的移动范围（以及因此获得的输出信号）仅限于所使用的电位计的物理尺寸。

例如单匝旋转电位计通常只有固定的机械旋转在0 o 和约240至330 o 之间的最大值。然而，也可提供高达3600 o （10 x 360 o ）机械旋转的多匝罐。

大多数类型的电位器都使用碳膜作为电阻轨道，但这些类型的电气噪声（无线电音量控制上的裂纹），以及短的机械寿命。

绕线电位器也可以使用直线或绕线电阻线形式的变阻器，但线绕式电位器遇到分辨率问题，因为它们的擦拭器从一个线段跳到下一个线段产生对数（LOG）输出输出信号中的错误。这些也会受到电噪声的影响。

对于高精度低噪声应用，现在可以使用导电塑料电阻元件型聚合物薄膜或金属陶瓷型电位器。这些电位器具有平滑的低摩擦电气线性（LIN）电阻轨道，具有低噪声，长寿命和出色的分辨率，可用作多匝和单匝设备。这种高精度位置传感器的典型应用是计算机游戏操纵杆，方向盘，工业和机器人应用。

电感式位置传感器

线性可变差动变压器

一种不受机械磨损问题影响的位置传感器是“线性可变差动变压器”或简称 LVDT 。这是一种电感式位置传感器，其工作原理与用于测量运动的交流变压器相同。它是一种非常精确的线性位移测量装置，其输出与其可动芯的位置成正比。

它基本上由缠绕在空心管形成器上的三个线圈组成，一个形成初级线圈，另外两个线圈形成相同的次级线圈，它们串联电连接在一起，但180° o 与初级线圈两侧相位不同。

可移动的软铁铁磁芯（有时称为“电枢”） “）连接到被测物体，在LVDT的管状体内滑动或上下移动。

小的交流参考电压称为”激励信号“（2 - 20V rms，2 - 20kHz）施加在初级绕组上，初级绕组又将EMF信号引入相邻的两个次级绕组（变压器原理）。

如果软铁磁芯电枢恰好位于管的中心，绕组，“空位”，两个二次w中的两个感应电动势由于它们是180° o 异相，所以indings相互抵消，因此得到的输出电压为零。由于磁芯从零位或零位稍微偏移到一侧或另一侧，其中一个次级中的感应电压将变得大于另一个次级的感应电压，并且将产生输出。

输出信号的极性取决于移动磁芯的方向和位移。软铁芯从其中心零位置移动得越大，得到的输出信号就越大。结果是差分电压输出随着磁芯位置线性变化。因此，来自这种类型的位置传感器的输出信号具有作为磁芯位移的线性函数的幅度和指示运动方向的极性。

可以将输出信号的相位与初级线圈激励阶段使AD592 LVDT传感器放大器等合适的电子电路能够知道磁芯的一半线圈，从而知道行进方向。

线性可变差动变压器

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位置传感器

当电枢通过中心位置从一端移动到另一端时，输出电压从最大值变为零并再次回到最大值，但在此过程中将其相位角改变180度。这使得LVDT能够产生输出AC信号，其幅度代表从中心位置移动的量，其相位角代表芯的移动方向。

线性可变差动变压器的典型应用（LVDT）传感器将作为压力传感器，被测量的压力推动隔膜产生力。然后通过传感器将力转换为可读电压信号。

线性可变差动变压器或LVDT与电阻式电位器相比的优点在于其线性度，即其输出到位移的电压非常好，非常好的精度，良好的分辨率，高灵敏度以及无摩擦操作。它们也被密封以用于恶劣环境。

感应式接近传感器。

另一种常用的感应式位置传感器是感应式接近传感器，也称为涡流传感器。虽然它们实际上并不测量位移或角度旋转，但它们主要用于检测物体在其前方或附近的存在，因此它们的名称为“接近传感器”。

接近传感器，非接触式位置传感器，使用磁场进行检测，最简单的磁传感器是簧片开关。在电感式传感器中，线圈缠绕在电磁场内的铁芯上以形成电感环。

当铁磁材料放置在电感式传感器周围产生的涡流场内时，例如铁磁金属板或金属螺钉，线圈的电感变化很大。接近传感器检测电路检测到这种变化，产生输出电压。因此，电感式接近传感器在法拉第电感定律的电气原理下工作。

感应式接近传感器

位置传感器

电感式接近传感器有四个主要部件;产生电磁场的振荡器，产生磁场的线圈，检测电路，当物体检测到磁场的任何变化进入它和产生输出信号的输出电路，可以是常闭（NC）或常开（NO）触点。

电感式接近传感器可以检测金属传感器头前面的物体没有检测到物体本身的任何物理接触。这使它们非常适合在肮脏或潮湿的环境中使用。接近传感器的“感应”范围非常小，通常为0.1mm至12mm。

接近传感器

As在工业应用中，电感式接近传感器也常用于通过改变交叉路口和交叉路口的交通灯来控制交通流量。电线的矩形感应线圈埋在柏油路面上。

当汽车或其他公路车辆经过这个感应回路时，车辆的金属车身会改变回路电感并激活传感器，从而提醒交通信号灯控制器有车辆在等待。

这些类型的位置传感器的一个主要缺点是它们是“全向的”，即它们会在上方，下方或上方感应到金属物体。它的一面。此外，虽然电容式接近传感器和超声波接近传感器可用，但它们不会检测到非金属物体。其他常用的磁性位置传感器包括：簧片开关，霍尔效应传感器和可变磁阻传感器。

旋转编码器

旋转编码器是另一种类型的位置传感器它类似于前面提到的电位计，但是用于将旋转轴的角位置转换成模拟或数字数据代码的非接触式光学装置。换句话说，它们将机械运动转换为电信号（最好是数字信号）。

所有光学编码器的工作原理都是相同的。来自LED或红外光源的光通过旋转的高分辨率编码磁盘，该磁盘包含所需的代码模式，二进制，格雷码或BCD。光电探测器在旋转时扫描光盘，电子电路将信息处理成数字形式，作为二进制输出脉冲流，馈送到计数器或控制器，确定轴的实际角位置。

有两种基本类型的旋转光学编码器，增量编码器和绝对位置编码器。

增量编码器

编码器磁盘

增量编码器，也称为正交编码器或相对旋转编码器，是两个位置传感器中最简单的。它们的输出是由作为编码盘的光电池装置产生的一系列方波脉冲，在其表面上具有均匀间隔的透明和暗线（称为段），移动或旋转经过光源。编码器产生方波脉冲流，当计数时，表示旋转轴的角位置。

增量编码器有两个独立的输出，称为“正交输出”。这两个输出在90° o 彼此异相位移，轴的旋转方向由输出序列确定。

透明和暗段的数量或者磁盘上的插槽确定设备的分辨率，并且增加模式中的线数会增加每个旋转度的分辨率。典型的编码光盘分辨率最高可达256个脉冲或每次旋转8位。

最简单的增量编码器称为转速计。它具有单个方波输出，通常用于仅需要基本位置或速度信息的单向应用。 “正交”或“正弦波”编码器更常见，有两个输出方波，通常称为通道A 和通道B 。该器件使用两个光电探测器，相互偏移90° o ，从而产生两个独立的正弦和余弦输出信号。

简单增量编码器

位置传感器

通过使用 Arc Tangent 数学函数，可以计算轴的弧度角度。通常，旋转位置编码器中使用的光盘是圆形的，然后输出的分辨率将给出：θ= 360 / n ，其中 n 等于编码磁盘上的段。

然后，例如，为增量编码器提供1 o 分辨率所需的段数将为：1 o = 360 / n，因此，n = 360个窗口等。此外，通过注意哪个通道首先产生输出来确定旋转方向，通道A或通道B给出两个旋转方向，A引出B或B引出A.这种安排如下所示。

增量编码器输出

位置传感器

增量的一个主要缺点编码器用作位置传感器时，它们需要外部计数器来确定轴在给定旋转范围内的绝对角度。如果暂时关闭电源，或者编码器由于噪音或脏盘而错过了脉冲，则产生的角度信息将产生错误。克服这个缺点的一种方法是使用绝对位置编码器。

绝对位置编码器

绝对位置编码器比正交编码器更复杂。它们为每个旋转位置提供唯一的输出代码，指示位置和方向。他们的编码盘由多个同心的“轨迹”组成，包括明暗段。每个轨道与其自己的光电探测器独立，以同时读取每个移动角度的唯一编码位置值。磁盘上的磁道数对应于编码器的二进制“位”分辨率，因此12位绝对编码器将具有12个磁道，并且相同的编码值仅每转一次出现一次。

4-位二进制编码光盘

位置传感器

绝对编码器的一个主要优点是它的非易失性存储器可以保持精确如果电源出现故障，编码器的位置无需返回“原点”位置。大多数旋转编码器被定义为“单匝”设备，但可以使用绝对多匝设备，通过添加额外的代码盘获得多次旋转的反馈。

绝对位置编码器的典型应用在计算机中硬盘驱动器和CD / DVD驱动器是驱动器读/写磁头的绝对位置，或者在打印机/绘图仪中将打印头准确定位在纸张上。

在本教程中关于位置传感器，我们已经研究了几个可用于测量物体位置或存在的传感器示例。在下一个教程中，我们将介绍用于测量温度的传感器，如热敏电阻，恒温器和热电偶，因此通常称为温度传感器。

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