在本教程中，我們將介紹各種設(shè)備，這些設(shè)備被歸類為輸入設(shè)備，因此稱為“傳感器”，特別是那些位置的傳感器自然。

顧名思義，位置傳感器檢測某物的位置，這意味著它們被引用到某個(gè)固定點(diǎn)或位置。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”，它可以是兩點(diǎn)之間的距離，例如行進(jìn)距離或遠(yuǎn)離距離一些固定點(diǎn)，或“旋轉(zhuǎn)”（角運(yùn)動(dòng)）。例如，機(jī)器人輪的旋轉(zhuǎn)以確定其沿地面行進(jìn)的距離。無論哪種方式，位置傳感器都可以使用線性傳感器或使用旋轉(zhuǎn)傳感器進(jìn)行角度移動(dòng)來檢測物體在直線上的移動(dòng)。 / p>

電位計(jì)

所有“位置傳感器”中最常用的是電位計(jì)，因?yàn)樗且环N價(jià)格低廉且易于使用的位置傳感器。它有一個(gè)連接到機(jī)械軸的刮水器觸點(diǎn)，在其運(yùn)動(dòng)中可以是角度（旋轉(zhuǎn)）或線性（滑塊類型），并且使刮水器/滑塊和兩個(gè)端部連接之間的電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)輸出在電阻軌道上的實(shí)際游標(biāo)位置與其電阻值之間具有比例關(guān)系。換句話說，電阻與位置成正比。

電位計(jì)

電位計(jì)有多種設(shè)計(jì)和尺寸可供選擇例如通常可用的圓形旋轉(zhuǎn)型或更長和扁平的線性滑塊類型。當(dāng)用作位置傳感器時(shí)，可移動(dòng)物體直接連接到電位計(jì)的旋轉(zhuǎn)軸或滑塊。

在形成電阻元件的兩個(gè)外部固定連接上施加DC參考電壓。輸出電壓信號(hào)取自滑動(dòng)觸點(diǎn)的滑動(dòng)端子，如下所示。

此配置產(chǎn)生電位或分壓器類型的電路輸出，該輸出與軸位置成比例。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。然后電位器刮水器將輸出信號(hào)從0變?yōu)?0伏，5伏表示刮水器或滑塊位于其中間位置或中心位置。

電位計(jì)結(jié)構(gòu)

電位器的輸出信號(hào)（Vout）取自中心抽頭連接，因?yàn)樗仉娮柢壍酪苿?dòng)，并與軸的角位置。

簡單位置感應(yīng)電路示例

雖然電阻式電位器位置傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：低成本，低技術(shù)，易于使用等，作為位置傳感器，它們也有許多缺點(diǎn)：由于運(yùn)動(dòng)部件磨損，精度低，重復(fù)性低，頻率響應(yīng)有限。

但使用電位計(jì)作為位置傳感器有一個(gè)主要缺點(diǎn)。其擦拭器或滑塊的移動(dòng)范圍（以及因此獲得的輸出信號(hào)）僅限于所使用的電位計(jì)的物理尺寸。

例如單匝旋轉(zhuǎn)電位計(jì)通常只有固定的機(jī)械旋轉(zhuǎn)在0 o 和約240至330 o 之間的最大值。然而，也可提供高達(dá)3600 o （10 x 360 o ）機(jī)械旋轉(zhuǎn)的多匝罐。

大多數(shù)類型的電位器都使用碳膜作為電阻軌道，但這些類型的電氣噪聲（無線電音量控制上的裂紋），以及短的機(jī)械壽命。

繞線電位器也可以使用直線或繞線電阻線形式的變阻器，但線繞式電位器遇到分辨率問題，因?yàn)樗鼈兊牟潦闷鲝囊粋€(gè)線段跳到下一個(gè)線段產(chǎn)生對數(shù)（LOG）輸出輸出信號(hào)中的錯(cuò)誤。這些也會(huì)受到電噪聲的影響。

對于高精度低噪聲應(yīng)用，現(xiàn)在可以使用導(dǎo)電塑料電阻元件型聚合物薄膜或金屬陶瓷型電位器。這些電位器具有平滑的低摩擦電氣線性（LIN）電阻軌道，具有低噪聲，長壽命和出色的分辨率，可用作多匝和單匝設(shè)備。這種高精度位置傳感器的典型應(yīng)用是計(jì)算機(jī)游戲操縱桿，方向盤，工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用。

電感式位置傳感器

線性可變差動(dòng)變壓器

一種不受機(jī)械磨損問題影響的位置傳感器是“線性可變差動(dòng)變壓器”或簡稱 LVDT 。這是一種電感式位置傳感器，其工作原理與用于測量運(yùn)動(dòng)的交流變壓器相同。它是一種非常精確的線性位移測量裝置，其輸出與其可動(dòng)芯的位置成正比。

它基本上由纏繞在空心管形成器上的三個(gè)線圈組成，一個(gè)形成初級(jí)線圈，另外兩個(gè)線圈形成相同的次級(jí)線圈，它們串聯(lián)電連接在一起，但180° o 與初級(jí)線圈兩側(cè)相位不同。

可移動(dòng)的軟鐵鐵磁芯（有時(shí)稱為“電樞”） “）連接到被測物體，在LVDT的管狀體內(nèi)滑動(dòng)或上下移動(dòng)。

小的交流參考電壓稱為”激勵(lì)信號(hào)“（2 - 20V rms，2 - 20kHz）施加在初級(jí)繞組上，初級(jí)繞組又將EMF信號(hào)引入相鄰的兩個(gè)次級(jí)繞組（變壓器原理）。

如果軟鐵磁芯電樞恰好位于管的中心，繞組，“空位”，兩個(gè)二次w中的兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢由于它們是180° o 異相，所以indings相互抵消，因此得到的輸出電壓為零。由于磁芯從零位或零位稍微偏移到一側(cè)或另一側(cè)，其中一個(gè)次級(jí)中的感應(yīng)電壓將變得大于另一個(gè)次級(jí)的感應(yīng)電壓，并且將產(chǎn)生輸出。

輸出信號(hào)的極性取決于移動(dòng)磁芯的方向和位移。軟鐵芯從其中心零位置移動(dòng)得越大，得到的輸出信號(hào)就越大。結(jié)果是差分電壓輸出隨著磁芯位置線性變化。因此，來自這種類型的位置傳感器的輸出信號(hào)具有作為磁芯位移的線性函數(shù)的幅度和指示運(yùn)動(dòng)方向的極性。

可以將輸出信號(hào)的相位與初級(jí)線圈激勵(lì)階段使AD592 LVDT傳感器放大器等合適的電子電路能夠知道磁芯的一半線圈，從而知道行進(jìn)方向。

線性可變差動(dòng)變壓器

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當(dāng)電樞通過中心位置從一端移動(dòng)到另一端時(shí)，輸出電壓從最大值變?yōu)榱悴⒃俅位氐阶畲笾?，但在此過程中將其相位角改變180度。這使得LVDT能夠產(chǎn)生輸出AC信號(hào)，其幅度代表從中心位置移動(dòng)的量，其相位角代表芯的移動(dòng)方向。

線性可變差動(dòng)變壓器的典型應(yīng)用（LVDT）傳感器將作為壓力傳感器，被測量的壓力推動(dòng)隔膜產(chǎn)生力。然后通過傳感器將力轉(zhuǎn)換為可讀電壓信號(hào)。

線性可變差動(dòng)變壓器或LVDT與電阻式電位器相比的優(yōu)點(diǎn)在于其線性度，即其輸出到位移的電壓非常好，非常好的精度，良好的分辨率，高靈敏度以及無摩擦操作。它們也被密封以用于惡劣環(huán)境。

感應(yīng)式接近傳感器。

另一種常用的感應(yīng)式位置傳感器是感應(yīng)式接近傳感器，也稱為渦流傳感器。雖然它們實(shí)際上并不測量位移或角度旋轉(zhuǎn)，但它們主要用于檢測物體在其前方或附近的存在，因此它們的名稱為“接近傳感器”。

接近傳感器，非接觸式位置傳感器，使用磁場進(jìn)行檢測，最簡單的磁傳感器是簧片開關(guān)。在電感式傳感器中，線圈纏繞在電磁場內(nèi)的鐵芯上以形成電感環(huán)。

當(dāng)鐵磁材料放置在電感式傳感器周圍產(chǎn)生的渦流場內(nèi)時(shí)，例如鐵磁金屬板或金屬螺釘，線圈的電感變化很大。接近傳感器檢測電路檢測到這種變化，產(chǎn)生輸出電壓。因此，電感式接近傳感器在法拉第電感定律的電氣原理下工作。

感應(yīng)式接近傳感器

電感式接近傳感器有四個(gè)主要部件;產(chǎn)生電磁場的振蕩器，產(chǎn)生磁場的線圈，檢測電路，當(dāng)物體檢測到磁場的任何變化進(jìn)入它和產(chǎn)生輸出信號(hào)的輸出電路，可以是常閉（NC）或常開（NO）觸點(diǎn)。

電感式接近傳感器可以檢測金屬傳感器頭前面的物體沒有檢測到物體本身的任何物理接觸。這使它們非常適合在骯臟或潮濕的環(huán)境中使用。接近傳感器的“感應(yīng)”范圍非常小，通常為0.1mm至12mm。

接近傳感器

As在工業(yè)應(yīng)用中，電感式接近傳感器也常用于通過改變交叉路口和交叉路口的交通燈來控制交通流量。電線的矩形感應(yīng)線圈埋在柏油路面上。

當(dāng)汽車或其他公路車輛經(jīng)過這個(gè)感應(yīng)回路時(shí)，車輛的金屬車身會(huì)改變回路電感并激活傳感器，從而提醒交通信號(hào)燈控制器有車輛在等待。

這些類型的位置傳感器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們是“全向的”，即它們會(huì)在上方，下方或上方感應(yīng)到金屬物體。它的一面。此外，雖然電容式接近傳感器和超聲波接近傳感器可用，但它們不會(huì)檢測到非金屬物體。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。

旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器是另一種類型的位置傳感器它類似于前面提到的電位計(jì)，但是用于將旋轉(zhuǎn)軸的角位置轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)代碼的非接觸式光學(xué)裝置。換句話說，它們將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（最好是數(shù)字信號(hào)）。

所有光學(xué)編碼器的工作原理都是相同的。來自LED或紅外光源的光通過旋轉(zhuǎn)的高分辨率編碼磁盤，該磁盤包含所需的代碼模式，二進(jìn)制，格雷碼或BCD。光電探測器在旋轉(zhuǎn)時(shí)掃描光盤，電子電路將信息處理成數(shù)字形式，作為二進(jìn)制輸出脈沖流，饋送到計(jì)數(shù)器或控制器，確定軸的實(shí)際角位置。

有兩種基本類型的旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器，增量編碼器和絕對位置編碼器。

增量編碼器

編碼器磁盤

增量編碼器，也稱為正交編碼器或相對旋轉(zhuǎn)編碼器，是兩個(gè)位置傳感器中最簡單的。它們的輸出是由作為編碼盤的光電池裝置產(chǎn)生的一系列方波脈沖，在其表面上具有均勻間隔的透明和暗線（稱為段），移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)經(jīng)過光源。編碼器產(chǎn)生方波脈沖流，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)，表示旋轉(zhuǎn)軸的角位置。

增量編碼器有兩個(gè)獨(dú)立的輸出，稱為“正交輸出”。這兩個(gè)輸出在90° o 彼此異相位移，軸的旋轉(zhuǎn)方向由輸出序列確定。

透明和暗段的數(shù)量或者磁盤上的插槽確定設(shè)備的分辨率，并且增加模式中的線數(shù)會(huì)增加每個(gè)旋轉(zhuǎn)度的分辨率。典型的編碼光盤分辨率最高可達(dá)256個(gè)脈沖或每次旋轉(zhuǎn)8位。

最簡單的增量編碼器稱為轉(zhuǎn)速計(jì)。它具有單個(gè)方波輸出，通常用于僅需要基本位置或速度信息的單向應(yīng)用。 “正交”或“正弦波”編碼器更常見，有兩個(gè)輸出方波，通常稱為通道A 和通道B 。該器件使用兩個(gè)光電探測器，相互偏移90° o ，從而產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的正弦和余弦輸出信號(hào)。

簡單增量編碼器

通過使用 Arc Tangent 數(shù)學(xué)函數(shù)，可以計(jì)算軸的弧度角度。通常，旋轉(zhuǎn)位置編碼器中使用的光盤是圓形的，然后輸出的分辨率將給出：θ= 360 / n ，其中 n 等于編碼磁盤上的段。

然后，例如，為增量編碼器提供1 o 分辨率所需的段數(shù)將為：1 o = 360 / n，因此，n = 360個(gè)窗口等。此外，通過注意哪個(gè)通道首先產(chǎn)生輸出來確定旋轉(zhuǎn)方向，通道A或通道B給出兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，A引出B或B引出A.這種安排如下所示。

增量編碼器輸出

增量的一個(gè)主要缺點(diǎn)編碼器用作位置傳感器時(shí)，它們需要外部計(jì)數(shù)器來確定軸在給定旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的絕對角度。如果暫時(shí)關(guān)閉電源，或者編碼器由于噪音或臟盤而錯(cuò)過了脈沖，則產(chǎn)生的角度信息將產(chǎn)生錯(cuò)誤?？朔@個(gè)缺點(diǎn)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(fù)雜。它們?yōu)槊總€(gè)旋轉(zhuǎn)位置提供唯一的輸出代碼，指示位置和方向。他們的編碼盤由多個(gè)同心的“軌跡”組成，包括明暗段。每個(gè)軌道與其自己的光電探測器獨(dú)立，以同時(shí)讀取每個(gè)移動(dòng)角度的唯一編碼位置值。磁盤上的磁道數(shù)對應(yīng)于編碼器的二進(jìn)制“位”分辨率，因此12位絕對編碼器將具有12個(gè)磁道，并且相同的編碼值僅每轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次。

4-位二進(jìn)制編碼光盤

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絕對編碼器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它的非易失性存儲(chǔ)器可以保持精確如果電源出現(xiàn)故障，編碼器的位置無需返回“原點(diǎn)”位置。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器被定義為“單匝”設(shè)備，但可以使用絕對多匝設(shè)備，通過添加額外的代碼盤獲得多次旋轉(zhuǎn)的反饋。

絕對位置編碼器的典型應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中硬盤驅(qū)動(dòng)器和CD / DVD驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)器讀/寫磁頭的絕對位置，或者在打印機(jī)/繪圖儀中將打印頭準(zhǔn)確定位在紙張上。

在本教程中關(guān)于位置傳感器，我們已經(jīng)研究了幾個(gè)可用于測量物體位置或存在的傳感器示例。在下一個(gè)教程中，我們將介紹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。