在本教程中，我們將討論各種被歸類為輸入設備的裝置，因此稱為“傳感器”，特別是那些本質上是位置傳感器的設備。

顧名思義，位置傳感器檢測某物的位置，這意味著它們要么參考某個固定點或位置，要么相對于某個固定點或位置進行測量。這些類型的傳感器提供“位置”反饋。

確定位置的一種方法是使用“距離”，這可以是兩點之間的距離，例如移動的距離或遠離某個固定點的距離，或者通過“旋轉”（角運動）來確定。例如，機器人車輪的旋轉可以確定其沿地面移動的距離。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，或者使用旋轉傳感器檢測其角運動。

電位器作為位置傳感器

所有“位置傳感器”中最常用的是電位器，因為它是一種廉價且易于使用的位置傳感器。它使用一個與機械軸相連的滑動觸點，該軸可以是角度的（旋轉的）或線性的（滑塊類型），沿著軌道移動。

這種運動導致滑動觸點與兩個端點之間的電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一個與電阻軌道上實際滑動觸點位置及其電阻值成比例的電信號輸出。換句話說，電阻與物理位置成正比。

電位器位置傳感器

電位器

電位器有各種設計和尺寸，例如常見的圓形旋轉類型或較長且扁平的線性滑塊類型。當用作位置傳感器時，可移動物體直接連接到電位器的旋轉軸或滑塊上。

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。輸出電壓信號從滑動觸點的滑動端取出，如下所示。

這種配置產(chǎn)生一個與軸位置成比例的電勢或電壓分壓器類型電路輸出。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電源電壓10V，最小輸出電壓等于0V。然后電位器滑動觸點將輸出信號從0V變化到10V，5V表示滑動觸點或滑塊處于其半程或中心位置。

電位器結構

電位器結構

電位器的輸出信號（Vout）從中心滑動觸點連接處取出，隨著它沿著電阻軌道移動，輸出信號與軸的角位置成比例。

簡單位置傳感電路示例

電位器輸出

盡管電阻電位器位置傳感器有許多優(yōu)點：低成本、低技術、易于使用等，但作為位置傳感器，它們也有許多缺點：由于移動部件導致的磨損、精度低、重復性差以及頻率響應有限。

但使用電位器作為位置傳感器的一個主要缺點是，其滑動觸點或滑塊的移動范圍（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，單圈旋轉電位器通常只有固定的機械旋轉范圍，介于0度到約240至330度之間。然而，也有多達3600度（10 x 360度）機械旋轉的多圈電位器。

大多數(shù)類型的電位器使用碳膜作為其電阻軌道，但這些類型在電氣上會產(chǎn)生噪聲（如收音機音量控制上的噼啪聲），并且機械壽命較短。

線繞電位器，也稱為變阻器，可以是直線或線圈電阻絲形式，但線繞電位器存在分辨率問題，因為其滑動觸點從一個線段跳到下一個線段，產(chǎn)生對數(shù)（LOG）輸出，導致輸出信號中的誤差。這些電位器也存在電氣噪聲問題。

對于高精度低噪聲應用，現(xiàn)在可以使用導電塑料電阻元件類型的聚合物薄膜或金屬陶瓷電位器。這些電位器具有平滑的低摩擦電線性（LIN）電阻軌道，使其具有低噪聲、長壽命和出色的分辨率，并且有單圈和多圈設備可供選擇。這種高精度位置傳感器的典型應用包括計算機游戲操縱桿、方向盤、工業(yè)和機器人應用。

感應式位置傳感器

線性可變差動變壓器

一種不受機械磨損問題影響的位置傳感器是“線性可變差動變壓器”或簡稱LVDT。這是一種感應式位置傳感器，其工作原理與用于測量運動的交流變壓器相同。它是一種非常精確的線性位移測量設備，其輸出與其可移動核心的位置成比例。

它基本上由三個繞在空心管上的線圈組成，一個形成初級線圈，另外兩個線圈形成相同的次級線圈，電氣上串聯(lián)連接，但在初級線圈的兩側相位相差180度。

一個可移動的軟鐵鐵磁核心（有時稱為“電樞”）連接到被測量的物體，在LVDT的管體內上下滑動或移動。

一個稱為“激勵信號”的小交流參考電壓（2 – 20V rms，2 – 20kHz）施加到初級繞組，從而在兩個相鄰的次級繞組中感應出電動勢信號（變壓器原理）。

如果軟鐵磁核心電樞正好位于管和繞組的中心，“零位”，則兩個次級繞組中的感應電動勢由于相位相差180度而相互抵消，因此輸出結果電壓為零。當核心從零位稍微向一側或另一側移動時，其中一個次級繞組中的感應電壓將變得大于另一個次級繞組，并產(chǎn)生輸出。

輸出信號的極性取決于移動核心的方向和位移。軟鐵核心從其中心零位移動得越遠，輸出信號就越大。結果是一個與核心位置成線性關系的差分電壓輸出。因此，這種類型的位置傳感器的輸出信號既具有與核心位移成線性關系的幅度，又具有指示運動方向的極性。

輸出信號的相位可以與初級線圈激勵相位進行比較，使適當?shù)碾娮与娐罚ㄈ鏏D592 LVDT傳感器放大器）能夠知道磁芯位于線圈的哪一半，從而知道運動方向。

線性可變差動變壓器

ldvt位置傳感器

當電樞從一端通過中心位置移動到另一端時，輸出電壓從最大值變?yōu)榱?，然后再回到最大值，但在此過程中其相位角變化180度。這使得LVDT能夠產(chǎn)生一個交流信號輸出，其幅度表示從中心位置的移動量，其相位角表示核心的運動方向。

線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器的典型應用是作為壓力傳感器，被測量的壓力推動隔膜產(chǎn)生力。然后傳感器將力轉換為可讀的電壓信號。

與電阻電位器相比，線性可變差動變壓器或LVDT的優(yōu)點是線性度非常好，即其電壓輸出與位移的關系非常準確，分辨率高，靈敏度高，且無摩擦操作。它們還密封用于惡劣環(huán)境。

感應接近位置傳感器

另一種常用的感應位置傳感器是感應接近傳感器，也稱為渦流傳感器。雖然它們實際上不測量位移或角旋轉，但它們主要用于檢測物體是否在其前方或近距離內存在，因此得名“接近傳感器”。

接近傳感器是非接觸式位置傳感器，使用磁場進行檢測，最簡單的磁傳感器是干簧開關。在感應傳感器中，線圈繞在電磁場內的鐵芯上，形成感應回路。

當鐵磁材料放置在感應傳感器周圍產(chǎn)生的渦流場中時，例如鐵磁金屬板或金屬螺釘，線圈的電感會顯著變化。接近傳感器的檢測電路檢測到這種變化，產(chǎn)生輸出電壓。因此，感應接近傳感器根據(jù)法拉第電感定律的電氣原理工作。

感應接近位置傳感器

感應接近位置傳感器

感應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，檢測物體進入時磁場變化的檢測電路，以及產(chǎn)生輸出信號的輸出電路，具有常閉（NC）或常開（NO）觸點。

感應接近傳感器允許在不與被檢測物體本身進行物理接觸的情況下檢測傳感器頭前方的金屬物體。這使得它們非常適合在臟或濕的環(huán)境中使用。接近傳感器的“感應”范圍非常小，通常為0.1毫米到12毫米。

接近位置傳感器

接近傳感器

除了工業(yè)應用外，感應接近傳感器還常用于通過改變交叉路口的交通信號燈來控制交通流量。矩形感應線圈埋入柏油路面。

當汽車或其他道路車輛通過這個感應線圈時，車輛的金屬車身會改變線圈的電感并激活傳感器，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”，即它們會感應到上方、下方或側面的金屬物體。此外，它們不檢測非金屬物體，盡管有電容式接近傳感器和超聲波接近傳感器可用。其他常見的磁位置傳感器包括：干簧開關、霍爾效應傳感器和可變磁阻傳感器。

旋轉編碼器作為位置傳感器

旋轉編碼器是另一種類型的位置傳感器，類似于前面提到的電位器，但它們是用于將旋轉軸的角位置轉換為模擬或數(shù)字數(shù)據(jù)代碼的非接觸式光學設備。換句話說，它們將機械運動轉換為電信號（最好是數(shù)字信號）。

所有光學編碼器都基于相同的基本原理。來自LED或紅外光源的光通過一個旋轉的高分辨率編碼盤，該盤包含所需的代碼模式，如二進制、格雷碼或BCD。光電探測器在盤旋轉時掃描盤，電子電路將信息處理為數(shù)字形式，作為二進制輸出脈沖流，饋送到計數(shù)器或控制器，確定軸的實際角位置。

旋轉光學編碼器有兩種基本類型，增量編碼器和絕對位置編碼器。

增量編碼器

光學編碼盤

編碼盤

增量編碼器，也稱為正交編碼器或相對旋轉編碼器，是兩種位置傳感器中最簡單的。它們的輸出是一系列方波脈沖，由光電探測器裝置生成，當帶有均勻間隔的透明和暗線（稱為段）的編碼盤移動或旋轉經(jīng)過光源時。編碼器產(chǎn)生一系列方波脈沖，當計數(shù)時，指示旋轉軸的角位置。

增量編碼器有兩個獨立的輸出，稱為“正交輸出”。這兩個輸出相位相差90度，軸旋轉的方向由輸出序列確定。

盤上的透明和暗段或槽的數(shù)量決定了設備的分辨率，增加圖案中的線數(shù)會增加每度旋轉的分辨率。典型的編碼盤每轉分辨率可達256個脈沖或8位。

最簡單的增量編碼器稱為轉速計。它有一個單一的方波輸出，通常用于只需要基本位置或速度信息的單向應用。“正交”或“正弦波”編碼器更常見，有兩個輸出方波，通常稱為通道A和通道B。該設備使用兩個光電探測器，彼此略微偏移90度，從而產(chǎn)生兩個獨立的正弦和余弦輸出信號。

簡單增量編碼器

增量位置編碼器

通過使用反正切數(shù)學函數(shù)，可以計算軸的弧度角。通常，旋轉位置編碼器中使用的光學盤是圓形的，那么輸出分辨率將給出為：θ = 360/n，其中n等于編碼盤上的段數(shù)。

例如，要使增量編碼器的分辨率為1度，所需的段數(shù)為：1度 = 360/n，因此，n = 360個窗口，等等。此外，旋轉方向通過注意哪個通道首先產(chǎn)生輸出來確定，通道A或通道B給出兩個旋轉方向，A領先B或B領先A。這種安排如下所示。

增量編碼器輸出

增量編碼器輸出

當用作位置傳感器時，增量編碼器的一個主要缺點是它們需要外部計數(shù)器來確定給定旋轉內軸的絕對角度。如果電源暫時關閉，或者如果編碼器由于噪聲或臟盤而錯過一個脈沖，則產(chǎn)生的角度信息將產(chǎn)生誤差?？朔@一缺點的一種方法是使用絕對位置編碼器。

絕對位置編碼器

絕對位置編碼器比正交編碼器更復雜。它們?yōu)槊總€旋轉位置提供唯一的輸出代碼，指示位置和方向。它們的編碼盤由多個同心“軌道”的光和暗段組成。每個軌道都是獨立的，有自己的光電探測器，同時讀取每個運動角度的唯一編碼位置值。盤上的軌道數(shù)量對應于編碼器的二進制“位”分辨率，因此12位絕對編碼器將有12個軌道，相同的編碼值每轉只出現(xiàn)一次。

4位二進制編碼盤

絕對位置編碼器

絕對編碼器的一個主要優(yōu)點是其非易失性存儲器，如果電源故障，無需返回到“家”位置即可保留編碼器的確切位置。大多數(shù)旋轉編碼器被定義為“單轉”設備，但也有絕對多轉設備可用，通過添加額外的編碼盤在多個旋轉中獲得反饋。

絕對位置編碼器的典型應用包括計算機硬盤驅動器和CD/DVD驅動器，其中驅動器讀/寫頭的絕對位置被監(jiān)控，或打印機/繪圖儀中用于準確定位打印頭在紙張上的位置。

在本教程中，我們討論了幾個用于測量物體位置或存在的傳感器示例。在下一個教程中，我們將討論用于測量溫度的傳感器，如熱敏電阻、恒溫器和熱電偶，因此通常稱為溫度傳感器。