位置传感器|类型,LVDT,旋转编码器

在本教程中,我们将学习位置传感器。位置传感器在我们的日常生活中扮演着重要的角色,在国内产品、汽车、办公室或工业场所等中都有大量的位置传感器。位置传感器,顾名思义,提供关于被测量的位置(被测量的数量)的反馈。

介绍

位置传感器通过确定目标的存在或不存在或通过检测其方向,速度,运动或距离来提供运动控制,计数和编码任务。

位置传感器可以检测物体的位置或电场或磁场的干扰,并将该物理参数转换为指示目标位置的输出电信号。

随着该技术的提高,传感器设备继续更小,更便宜且更好地进行性能,为更多应用打开网关。

回到顶部

位置传感器的类型

位置传感器通常基于感测的方式分为两种类型。

他们是

  • 接触设备
  • 非接触式设备

当名称表示时,位置传感器的接触类型具有与测量的物理接触。基于接触的传感器是限位开关和基于电阻的位置传感器。基于接触的传感器在与物体的物理接触是可以接受的应用中提供简单和低成本的解决方案。

非接触式设备不涉及与对象的物理接触。它们是磁传感器,邻近传感器,基于霍尔效应的传感器和超声波传感器。

每个位置传感器都有其优势和局限性。目标是选择一个传感器,该传感器是特定应用的参数的具有成本效益的解决方案。

回到顶部

基于电阻或电位位置传感器

电阻式位置传感器也称为电位器或位置传感器。它们最初是为军事用途而开发的。它们被用作收音机和电视面板上的调节旋钮。电位器可以作为线性或旋转位置传感器工作。

电位计不需要电源或额外的电路来执行其基本位置传感功能。因此,它们是被动设备。它们以两种模式运行:分压器和变阻器。在变阻器中,电阻随运动而变化。因此,应用利用固定端子之间的这种不同的电阻和滑动触点。分压器具有真正的电位操作。在此,在电阻元件上施加参考电压。可移动刮水器的位置通过计算刮水器拾取的电压来确定。

电位计是最常用的位置传感器。它具有固定端子和连接到机械轴的刮水器端子。运动可以是线性(滑动)或角度(旋转)。该运动导致固定和刮水器终端之间的电阻变化。通常电压的输出电信号与刮水器电阻轨道的位置比例地变化,因此电阻的值。

电位器有不同的尺寸和设计。常用的有直线滑块和旋转式。当它用作位置传感器时,对象是连接到它的滑块。

电位计

图像资源链接:en.wikipedia.org/wiki/potentiomometer

在刮水器的任一侧上的固定端子之间施加参考电压,并且从该擦拭器取出输出电压。该配置形成分压器网络,输出电压取决于滑块的位置。

分压器配置

如果将12 V的电位施加到电位器,则最多12 V和至少0 V作为输出电压。根据刮水器的位置,输出电压可以是0 V至12 V之间的任何值。如果擦拭器位于电阻轨道的中心,则输出电压为6 V。

电位器组件

电位器的结构如下图所示。

旋转电位器建筑

对于一般用途的位置传感,一个低成本的电位器就足够了。该电位器具有成本低、操作简单、应用原理简单、使用方便、抗干扰能力强等优点。缺点是由于滑动的雨刷最终磨损,较小的传感角度和低精度。基于电位器的位置传感器的主要缺点是它的物理尺寸,因为它限制了滑块的运动,因此输出信号。典型电位器的传感角度在00到2400到3300之间的最大范围内。游标转弯可用于实现多转能力。

简单的位置感测电路如下所示。

简单的位置传感电路

它由运算放大器和基于电位计的位置传感器组成。输出电压取决于擦拭器的位置。

碳膜是电位器中使用的最常见的电阻轨道。但是存在叠加在预期阻力中的接触噪声。接触噪声是刮水器和电阻表面之间机械接触的结果。这可能导致总阻力的高达5%。

绕线型电位器使用直线电阻元件或线圈缠绕电阻。卷绕电位计的问题是在产生对数输出信号的位置之间的刮水器的跳跃。

聚合物薄膜或金属陶瓷型电位器可用于高精度和低噪声的应用。这些都是由导电塑料电阻材料。它们的刮水器和表面之间的摩擦非常小,因此电子噪音更小,分辨率好,寿命更长。这些可作为单转和多转设备。这些设备被用于如操纵杆、工业机器人等高精度应用。

回到顶部

电容式位置传感器

电容式传感器是一种非接触式器件,如果目标本质上是导电的,则用于精确测量目标位置;如果目标本质上是非导电的,则用于测量材料的厚度和密度。当与导电目标一起使用时,它们的工作与目标的材料无关,因为所有导体对电容传感器来说都是一样的。目标的厚度也不重要,因为传感器感知的是目标表面。它们主要用于磁盘驱动器,半导体技术和高精度制造行业,高精度和频率响应是重要的。当与非导电性目标一起使用时,它们通常用于标签探测器、涂层厚度监视器和纸张和薄膜厚度测量单元。

它们主要用于测量从几毫米到纳米的线性位移。电容式传感器利用电导来测量位置。物体储存电荷的能力是电容。最常用的储存电荷的装置是平行板电容器。平行平板电容器的电容与平板的表面积和介电常数成正比,与平板之间的距离成反比。因此,当板间的间距改变时,其电容也会发生变化,电容传感器就利用了这一特性。

电容,

C =(εrε.o广告

在哪里

ε.r是电介质的相对介电常数

ε.o是自由空间的介电常数吗

A是板块的重叠面积

d是两板之间的距离

典型的电容式传感模型由两个金属板组成,它们之间的空气充当电介质。传感器或探针是导电的金属板和目标物体之一,是另一个板。

当电势作用于导体的板上时,通过使一块板上的正电荷聚集,另一块板上的负电荷聚集,它们之间就产生了一个电场。

电容式传感器使用交流电压。交流电使电荷不断地变换位置。所述电容探头与目标之间的交变电场被监测变化,并用于测量探头与目标之间的电容。电容由表面面积、介电常数和表面间距决定。在大多数电容传感应用中,电容传感器和目标的尺寸和面积不发生变化。导电表面之间的介电材料不会改变。电容变化的唯一原因是电容传感器和目标之间的距离或间距。

因此,电容是目标位置的指示器。电容式传感器经过校准,产生与探头与目标之间距离的变化相对应的输出电压,从而引起电容的变化。这叫做电容式传感器的灵敏度。电容式传感器的灵敏度是电压变化量到确定的距离变化量。通常使用的灵敏度设置为1v / 100µm,即距离每变化100µm,输出电压就变化1v。

电容式传感器探头由三部分组成:传感区、防护罩和本体。

电容式传感器探头

潜力应用于传感区域。存在将电场扩散到除限定的传感区域之外的目标的区域和目标的问题。为了防止这种情况发生,使用称为保护的技术。在该技术中,通过围绕感测区域的侧面和背面来产生保护区域,并且保持与传感区域相同的电势。当护罩和传感区域处于相同的电位时,它们之间不会存在电场。除感应区域之外的附近的任何其他导体将形成带防护装置的电场。感测区域和相应的目标不受干扰。

由于这个防护,传感区域的电场投影本质上将是圆锥形的。来自探头的电场覆盖目标上比传感器面积大约30%的区域。因此,对于标准校准来说,有必要将最小目标直径设为传感区域直径的30%。

目标大小感测探针的范围与传感区域的尺寸成正比。必须将较小的探针更靠近目标,以达到所需的电容量。探针和目标之间的最大允许间隙约为传感区域直径的40%。除此之外,探头变得无用。存在同时使用多个探针的应用。在这些应用中,必须同步所有探针的激励电压。如果电压不同步,则探针彼此干扰,因为一个探针可以尝试增加电场而另一个探针减少它。这给出了错误的阅读。

电容传感器也可以与非导通目标一起使用。非导电目标的介电常数是操作的基础。塑料等非导电材料的介电常数与空气不同。当非导电材料用作两个导线之间的介电介质时,其介电常数将确定导体之间的电容。

用于非导电材料的电容传感器两个导电板分别是传感器探头和接地导电基准。电容的变化和传感器的输出将对应于材料厚度、密度或成分的变化。

有高精度和高性能的电容传感器,可以测量位移的量级纳米。这些高性能传感器对温度变化稳定,产生线性输出,具有高分辨率。

与其他非接触式器件相比,电容式传感器的优点是分辨率高,价格便宜,对目标材料不敏感。电容式传感器不适用于干燥或潮湿的环境以及探头与目标距离较大的情况。

回到顶部

感应位置传感器

感应传感器是如果目标在自然界导电的情况下,用于精确测量目标位置的非接触式设备。电感传感器用于识别任何导电金属目标。

电容传感器利用电场来感测导电目标的表面。电感传感器利用穿过目标的电磁场。电感传感器探针由振荡器组成,振荡器产生高频电磁场。该领域从探头的传感面辐射。

感应位置传感器

图片资源链接:baumer.com/typo3temp/pics/User_Knowledge_Presence_Inductive_Functionality_sensor_EN_216cc0d8dd.jpg

当这个磁场接触一个导电金属靶时,金属靶内就会感应到一个小电流。这些电流会产生自己的电磁场,干扰探针产生的电磁场。这将导致来自探头的信号的振荡幅度发生变化。输出电压可以根据这种变化进行校准。当探头靠近目标时,对探头产生的电场产生的电流越大,输出越大。

与电容传感器不同,电感传感器与探针和目标之间的间隙中的材料无关。因此,它们可用于敌对环境,其中油或其他液体可能出现在间隙中。

目标的材料是电感传感器的重要因素。铝,钢和铜等材料,各自对传感器不同。因此,必须为每个目标校准传感器以实现最佳性能。

通常存在用于电感传感器的两种类型的目标材料。它们是黑色金属和有色的。含铁物质本质上是磁性的,而有色材料是非磁性的。黑色金属材料包括铁和大多数钢材,而有色材料包括锌,铝,铜和黄铜。一些电感传感器将使用黑色金属和有色的目标材料,而其他电感传感器只能用一种材料工作。

目标的尺寸也很重要,因为探针的电磁场的有效面积将从传感器变化到传感器。对于具有至少300%的探头的线圈直径的靶的横截面积是最小要求,即,理想情况下,目标的表面积必须是探针直径的至少三倍。

电感传感器EM场

目标的厚度也是一个重要的因素,因为电磁场会穿透目标并产生电流。目标的厚度取决于驱动探头的信号的频率,与频率成反比,即当驱动频率增加时,目标的最小厚度减小。

对于1mhz的驱动频率,一些常用的目标材料的最小厚度如下:

  • 铁-0.6 mm
  • 不锈钢-0.4 mm
  • 铜-0.2毫米
  • 铝-0.25毫米
  • 铜- 1.6毫米

具有模拟输出信号的电感式传感器以其纳米分辨率、短响应时间、80 KHz或以上的频率响应、重复精度和对环境污染物的免疫力而闻名。

电感传感器的输出电压和电流与传感器的表面和目标之间的距离成正比,即电压和电流表示与距离对应的绝对测量值。此属性用于许多应用程序。

回到顶部

线性可变差压变压器(LVDT)

线性可变差压变压器(LVDT)是一种常见的机电,高分辨率,基于触点的线性位置换能器。LVDT是用于测量线性距离的最佳可用,可靠和准确的方法之一。LVDT用于计算机制造,机床,航空电子设备和机器人。

线性可变差压变压器是电气传感器的位置。LVDT由三个线圈组成,一个初级和两个二级。如图所示放置可动磁芯。该磁芯也称为电枢控制了LVDT中的初级和次级线圈之间的电流的传输。LVDT的输出与核心的位置成比例。

LVDT的横截面图如下所示。

LVDT的横截面视图

图像资源链接:keckec.com/seismo/images/lvdtbig.gif

磁芯在由初级线圈的变压器内线性移动,其两个相同的外次线圈以圆柱形方式缠绕。

当初级线圈用交流电励磁时,次级线圈上感应到电压。二次线圈电压随轴向移动的线圈之间磁芯的位置而变化。输出的电信号等于两个次级绕组之间的电压之差。因此,输出电压与磁芯的直线机械运动成正比。

LVDT的正常变压器样式表示如下所示。

LVDT.

LVDT的示意图如下所示。

LVDT 1

回到顶部

线性的工作:

用恒幅交流电源给变压器的一次线圈通电。这就产生了一个磁场,发展的磁通量通过中心的磁芯耦合到次级线圈S1和S2。次级线圈绕得彼此不相。因此,当铁芯位置恰好在两个次级线圈的中间时,S1和S2的磁通量是相等的。每个次级线圈感应的电压V1和V.2是平等的。因此输出差电压V等于零。

V1= V2

V= V1- V.2= 0

当线圈远离中心移动时,在每个次级线圈中引起的电压是不同的。当芯朝向S1移动时,耦合的S1耦合的磁通量大于与S2耦合的。因此感应电压V1增加和V.2减少。

差分输出电压为V.= V1- V.2

如果磁芯或电枢向次级线圈S2移动,则耦合的磁通量大于S1。和诱导电压V2增加而V1减少。

因此,

输出电压为v= V2- V.1

输出信号的相位可以确定核心的位置。

只要在次级线圈或任何泄漏电感之间存在任何不匹配,LVDT的输出电压将不会确定核心的位置。信号调节电路可用于去除这些困难。

正常的LVDT如下图所示。

LVDT 2

LVDT与信号调理电路如下图所示。

带有信号状态电路的LVDT

它包括额外的滤波和放大电路,其中减去了两个输出信号的绝对值。绝对值电路可以由二极管电容器整流器形成。过滤器用于检测辅助电压的幅度。该技术可用于测量关于中心位置的正极和负变化。

LVDT在电位器上具有巨大的优势,以便在许多方面作为位置传感器。由于磁芯不触摸线圈,因此线圈和芯之间没有机械接触。因此,实现了无摩擦的操作,并且可用于测试和高分辨率设备。这也是他们越来越长的运营生活的重要因素。

由于其电磁耦合原理和无摩擦操作,LVDT可以测量无穷小的变化。

回到顶部

电感近距离传感器

感应式接近传感器是一种低成本、固态和非接触式的设备。它们基本上被用来检测金属物体,这是黑色和有色的性质。电感式接近传感器的基本部件是线圈、振荡器、检测电路和输出电路。

当交流电流通过线圈时,它产生高频磁场。如果金属物体靠近该字段,则线圈的电感会发生变化。字段在物体中引起的涡流将改变振荡的幅度。解调器将检测幅度的变化并将它们转换为直流信号。该直流信号驾驶触发器和输出级交换机。

电感近距离传感器1

没有任何额外的设备,电感接近传感器可以操作电磁离合器,制动器和阀门。为了致动传感器,可以使用任何形状和尺寸或气缸或机床托架或钻头的金属。

感应式接近传感器忽略油、水、污物等非金属物体。它能承受冲击环境,并具有抗短路性能。

它们用于工业自动化,用于将产品中的产品,安全系统中作为金属探测器以及在检测地雷和其他武器中的军事应用中。

回到顶部

基于霍尔效应的磁位置传感器

磁位置传感器通过探测地球产生的磁场、电流、磁铁甚至脑电波活动的强度、方向或存在来确定物体的位置。磁位置传感器是一种非接触式设备,在许多工业和导航系统中占有重要地位。

磁场是一个既有大小又有方向的矢量。有些传感器测量磁场的大小,而不是方向。这些是标量传感器。其他传感器沿其主敏感轴测量磁化分量的大小。这些是单向传感器。有些传感器包括磁场的方向和大小。这些是双向传感器。

霍尔效应传感器是磁场传感器,可用于传感位置,压力,电流,温度等。

一个通用霍尔效应传感器如下所示。

通用霍尔效应传感器

霍尔效应装置当用作位置传感器时可以非常精确和经济。霍尔效应传感器由一个由导电材料制成的霍尔元件组成。霍尔元件的输出连接与电流方向垂直。当霍尔效应传感器受到磁场作用时,它产生与磁场强度成正比的输出电压。额外的电子电路,如信号调理电路,需要达到有用的电压水平,因为原始输出电压非常小。因此,一个基本的霍尔效应传感器由霍尔元件和集成电路上的信号调理电路组成。

霍尔效应的原理是:“当一个载流导体置于磁场中,就会产生一个垂直于电流和磁场的电压。”

考虑一层导电材料。电流通过这个,输出连接是垂直于电流流动的方向。

在不存在磁场的情况下,电流分布是均匀的并且输出没有电位差异。

在垂直于电流方向的磁场的存在下,洛伦兹力施加在电流上。该力扰乱电流分布并导致输出处的电位差异。

霍尔效果与磁场

基于霍尔效应的位置传感器可提供数字和模拟输出。在数字输出传感器中,输出位于状态或关闭状态。数字霍尔效应传感器有两种:双极和单极。双极传感器需要正面高斯,该高斯是南极,以释放北极的南极和负面高斯。通过将正高斯或南极远离传感器移动,获得释放。单极传感器需要单个磁极进行操作。

在模拟输出传感器中,输出电压是连续的,并且依赖于磁场的强度。输出电压随强磁场或弱磁场分别增大或减小。它们通过接近磁极中的任何一个来运作。

考虑下面基于霍尔效应的位置传感器的布置。

霍尔效应Sensor1

它由具有数字输出的四个单极传感器组成,并且这四个传感器连接在一起并安装在铝壳中。这些传感器由连接到液压系统的四个单独的磁致动器致动。传感器生成表示从参考表面测量的距离的事件信号。这些信号定义了所测试的对象必须产生电信号的可接受限制。

以下设置用于达到0.002英寸的线性定位的精度。它由四个双极传感器组成,具有数字输出。它们由安装在杆上的磁铁驱动。

霍尔效应Sensor2

霍尔效应传感器的优点是寿命长,高速高,温度范围为-40 0℃至150 0℃。

回到顶部

涡流位置传感器

涡流传感器是基于非接触的设备,用于测量导电目标的位置,位移,振动和振动。涡流传感器用于需要高精度的应用中,操作环境苛刻。

涡流传感器采用磁诱导原理。简单的涡流传感器包括驱动器和传感线圈。当交流电通过线圈时,它产生交替的磁场。当目标与该字段接触时,在目标中引起小电流。这些电流称为涡流。目标中的涡电流将产生一个与传感器的字段相对的字段并抵抗该字段。传感器和目标之间的距离是两个磁场的相互作用的因素。因此,输出电压被校准到现场交互的变化,这取决于距离。目标的表面积必须是探针直径的至少三倍。

涡流传感器的优点是价格较低,能耐受恶劣和肮脏的环境,体积较小,对传感器和目标之间的间隙所使用的材料类型不敏感。

涡流传感器在需要高分辨率和传感器与目标之间的差距较大的应用中用处不大。

回到顶部

旋转编码器

旋转编码器是一种机电装置,它将角度运动转换为模拟值或数字代码。它也被称为轴编码器。随着编码器的轴或轴旋转的旋转编码器提供值。产生输出信号,其与旋转角度成比例。基于输出信号,有两种类型的编码器:增量和绝对。

增量编码器的输出是方波的形式,并提供有关轴运动的信息。将该信息处理成速度,位置,距离和RPM。

绝对编码器的输出呈绝对位置的形式,即它们表示轴的当前位置。这使得它们是角换能器。增量和绝对编码器都有两个施工设计:光学和机械。

在机械运动必须处理到数字信息中的应用中,最受欢迎的传感器选择是增量编码器。

增量编码器的结构如下所示。

增量编码器的结构

图像资源链接:tamagawa-seiki.com/english/encoder/rotary01.jpg

增量编码器提供与轴的旋转位移成比例的脉冲串的输出,仅当编码器的轴旋转时,它仅提供输出。为了确定旋转量,使用计数器,用于计算输出脉冲的数量。从某个输入轴位置,对于编码器来检测旋转量,计数器中的计数在参考位置复位,并且从该位置由计数器添加脉冲的数量。参考位置可以是任何地方,计数可以是无限的。

增量编码器有两种通道类型:单通道编码器和正交编码器。当系统向一个方向旋转时,则使用单通道编码器。这些通常被称为转速表,只提供位置和速度信息。正交编码器有两个相控距离为900的输出信号。因此,正交编码器为复杂运动应用程序提供高速双向信息。

增量式光学编码器用于计算高精度高转速的应用。机械式增量编码器通常用作数字电位器,需要反跳。

绝对编码器为轴的每个不同角度产生唯一的二进制代码输出。代码可以是灰色代码,超额灰色代码或自然二进制代码。即使在电源故障之后也是绝对编码器的情况下,轴位置始终已知。

绝对编码器的结构如下所示。

绝对编码器

图像资源链接:tamagawa-seiki.com/english/encoder/rotary02.jpg

光学绝对编码器由不透明和透明区域的玻璃或塑料光盘组成。像LED这样的光源和阵列式的照片探测器被用来随时读取光盘位置产生的光学模式。

回到顶部

光位置传感器

光学传感器将光信号转换成电信号。它们是非接触式传感器。它类似于光敏电阻,测量物理量,并转换成任何适当仪器可读的形式。光学传感器可以测量以下物理测量:温度、压力、流量、液位、位移、位置、旋转、振动、加速度、力、速度、应变、辐射、pH值、磁场、电场、声场。

通常,采用光学传感器的系统包括三个子系统:光源,测量装置和光学传感器。这连接到电气触发器,其反应光传感器中的信号的变化。

光学位置传感器的示例是位置敏感检测器(PSD)。位置敏感探测器检测入射光的位置数据。位置敏感探测器可以追踪非常小的位置变化。位置敏感探测器可以提供高速响应,高可靠性和高位置分辨率。

回到顶部

光纤位置传感器

光纤传感器采用光纤作为传感装置。它们可以用来感知温度、应变、压力、位移、速度和加速度。光纤位置传感器利用了光纤内部由于近端反射面运动而产生的反射率。光纤位置传感器不受电磁辐射、磁场、闪电和许多其他恶劣环境的影响。它们一般用于远距离位置传感。

光纤位置传感器由两部分组成:嵌入无源传感器和主动控制器中的光学技术。这两个通过全双工光纤链路连接。控制器用于发送光信号。它以类似于代码光盘的形式发送形式的光突发。光盘旋转,并且在光盘上的代码在每个位置都是独一无二的。仅在特定波长处,杆反射光和特定颜色通过单独的光缆返回控制器。在控制器中分析光以进行波长,并且产生适当的二进制输出。

光纤传感器有两种:内在和外在传感器。

在本构传感器中,测量和调制传感光纤的传输特性。其性质有强度、极化、相位等。

在外部传感器中,调制发生在纤维外部。这里,光纤只用作传感器头部的导管以传送光线。

光纤位置传感器的优点是:

  • 免疫电磁辐射。
  • 由电绝缘材料组成。
  • 宽温度范围。
  • 能够复用信号。

回到顶部

以前-传感器和传感器

下一个 - 温度传感器

发表评论

您的电子邮件地址将不会被公布。必填字段被标记