位置傳感器的原理與定義

位置傳感器是能夠檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)或確定其從既定參考點(diǎn)測(cè)量的相對(duì)位置的裝置，還可用于檢測(cè)物體的存在或不存在。另外，運(yùn)動(dòng)傳感器可以檢測(cè)到物體的運(yùn)動(dòng)，并可用于觸發(fā)動(dòng)作（如點(diǎn)亮泛光燈或激活安全攝像頭）；接近傳感器可以檢測(cè)到一個(gè)物體已經(jīng)進(jìn)入傳感器的范圍。因此，這兩種傳感器都可以被認(rèn)為是位置傳感器的一種特殊形式。

從定義上來(lái)說(shuō)，位置傳感器是檢測(cè)一個(gè)物體，并通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)提供位置反饋的信號(hào)來(lái)傳遞其位置信息。然后，這種反饋可用于控制過(guò)程中的自動(dòng)響應(yīng)，發(fā)出警報(bào)，或觸發(fā)特定應(yīng)用所決定的其他活動(dòng)。

位置傳感器的分類(lèi)

一般來(lái)說(shuō)，位置傳感器可分為三大類(lèi)，包括線性位置傳感器、旋轉(zhuǎn)位置傳感器和角度位置傳感器。從其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方式上來(lái)說(shuō)，位置傳感器的主要類(lèi)型包括以下幾種。

電位傳感器

電位傳感器是基于電阻的傳感器，它使用一個(gè)帶有刮片的電阻軌道，刮片與被監(jiān)測(cè)位置的物體相連。物體的移動(dòng)會(huì)使刮片沿著電阻軌道改變其位置，從而改變刮片位置和軌道末端之間的測(cè)量電阻值。通過(guò)這種方式，測(cè)量的電阻值可以作為物體位置的指示器。這種方法既適用于直線位移，也適用于旋轉(zhuǎn)位移。

電感式位置傳感器

電感式位置傳感器通過(guò)傳感器線圈中感應(yīng)的磁場(chǎng)特性的變化來(lái)檢測(cè)物體的位置，其中一種類(lèi)型稱(chēng)為L(zhǎng)VDT,或線性可變差分變壓器。在LVDT位置傳感器中，三個(gè)獨(dú)立的線圈被繞在一個(gè)空心管上，其中一個(gè)是初級(jí)線圈，另外兩個(gè)是次級(jí)線圈。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)次級(jí)線圈之間的電壓差，可以確定銜鐵（以及銜鐵所連接的物體）的相對(duì)位置。電壓的振幅及其相位角不僅提供了反映遠(yuǎn)離中心（空）位置的移動(dòng)量的信息，還提供了其方向。下圖說(shuō)明了線性可變差動(dòng)變壓器的操作，顯示了將電壓測(cè)量轉(zhuǎn)化為位置指示的情況。

雖然LVDT的功能是跟蹤線性運(yùn)動(dòng)，但一種稱(chēng)為RVDT（旋轉(zhuǎn)電壓差變壓器）的等效設(shè)備可以跟蹤物體的旋轉(zhuǎn)位置。RVDT的功能與LVDT相同，只是在結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)上有所不同。

基于渦流的位置傳感器

渦流是導(dǎo)電材料在磁場(chǎng)變化的情況下發(fā)生的感應(yīng)電流，是法拉第感應(yīng)定律的結(jié)果。線圈被交流電通電產(chǎn)生一次磁場(chǎng)，電流在閉合回路中流動(dòng)，反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，兩次磁場(chǎng)的相互作用，可以感應(yīng)到線圈附近導(dǎo)電材料的存在，從而影響線圈的阻抗，進(jìn)而可以用來(lái)確定物體與線圈的距離。

渦流位置傳感器的工作對(duì)象是導(dǎo)電的物體，大多數(shù)渦流傳感器的功能是作為接近傳感器，它們作為位置傳感器是有限的，因?yàn)閭兛梢源_定物體與傳感器的相對(duì)距離，但不能確定物體相對(duì)于傳感器的方向。

電容式位置傳感器

電容式位置傳感器依靠檢測(cè)電容值的變化來(lái)確定被測(cè)物體的位置。使用電容式位置傳感器檢測(cè)物體位置的方法一般有兩種——通過(guò)改變電容器的介電常數(shù)和通過(guò)改變電容器板的重疊面積。

在第一種情況下，被測(cè)物體附著在介電材料上，隨著物體的移動(dòng)，其相對(duì)于電容器板的位置發(fā)生變化，從而電容器的有效介電常數(shù)發(fā)生變化。

在第二種情況下，將物體連接到其中一個(gè)電容板上，物體移動(dòng)位置時(shí)，電容板的重疊面積會(huì)發(fā)生變化，從而再次改變電容值。

改變電容測(cè)量物體位置的原理，可以應(yīng)用于直線和角度方向的運(yùn)動(dòng)。

磁致伸縮位置傳感器

鐵、鎳、鈷等鐵磁材料表現(xiàn)出一種被稱(chēng)為磁致伸縮的特性，這意味著當(dāng)存在外加磁場(chǎng)時(shí)，材料將改變其尺寸或形狀。磁致伸縮位置傳感器就是利用這一原理來(lái)確定物體的位置。

一個(gè)可移動(dòng)的位置磁鐵連接到被測(cè)物體上。一根導(dǎo)線組成波導(dǎo)，電流脈沖通過(guò)這根導(dǎo)線傳輸，位置磁鐵產(chǎn)生一個(gè)軸向磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的場(chǎng)線相對(duì)于磁阻線和波導(dǎo)是共面的。當(dāng)一個(gè)電流脈沖被送下波導(dǎo)時(shí)，在導(dǎo)線中產(chǎn)生了一個(gè)與永磁體（位置磁鐵）的軸向磁場(chǎng)相互作用的磁場(chǎng)。

磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果是一種扭曲，這種扭曲導(dǎo)致導(dǎo)線中的應(yīng)變，產(chǎn)生一個(gè)聲波脈沖，該脈沖沿波導(dǎo)傳播，并被波導(dǎo)末端的傳感器檢測(cè)到。通過(guò)測(cè)量電流脈沖啟動(dòng)和檢測(cè)到聲波脈沖之間的經(jīng)過(guò)時(shí)間，磁致伸縮位置傳感器可以確定位置磁鐵的相對(duì)位置。

基于霍爾效應(yīng)的磁式位置傳感器

霍爾效應(yīng)指出，當(dāng)一個(gè)薄的平面電導(dǎo)體有電流流過(guò)并置于磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電荷載流子產(chǎn)生沖擊，迫使電荷載流子相對(duì)聚集在導(dǎo)體的一側(cè)，以平衡磁場(chǎng)的干擾。這種電荷的不平等分布導(dǎo)致導(dǎo)體兩邊之間產(chǎn)生電位差，稱(chēng)為霍爾電壓。如果導(dǎo)體中的電流保持恒定值，霍爾電壓的大小將直接反映磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

基于霍爾效應(yīng)的位置傳感器，被測(cè)量其位置的物體與裝在傳感器軸上的磁鐵相連。當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，磁鐵的位置相對(duì)于傳感器中的霍爾元件發(fā)生變化，由此會(huì)改變施加在霍爾元件上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這反過(guò)來(lái)又會(huì)反映為被測(cè)霍爾電壓的變化。因此，測(cè)量到的霍爾電壓就成為物體位置的指標(biāo)。

光纖位置傳感器

光纖位置傳感器使用了一根光纖，光纖兩端各有一組光電探測(cè)器。光源連接到被觀察運(yùn)動(dòng)的物體上，在物體位置處射入熒光光纖的光能在光纖中得到反射，并被送到光纖的兩端，由光電探測(cè)器檢測(cè)。在兩個(gè)光電檢測(cè)器處觀測(cè)到的測(cè)量光功率之比的對(duì)數(shù)將是物體與光纖末端距離的線性函數(shù)，因此該值可用于提供物體的位置信息。

光學(xué)位置傳感器

光學(xué)位置傳感器的工作原理有兩種。一種是光從發(fā)射器發(fā)射，并被送到傳感器另一端的接收器。另一種是發(fā)射的光信號(hào)從被監(jiān)測(cè)的物體反射到光源。光線特性的變化（如波長(zhǎng)、強(qiáng)度、相位、偏振）被用來(lái)確定物體的位置信息。

超聲波位置傳感器

它是一種非接觸式位置的產(chǎn)品，對(duì)于一些不宜接觸測(cè)量的場(chǎng)合是最好的選擇。它是根據(jù)向被測(cè)物體表面發(fā)射超聲波，被其反射后，傳感器接受，根據(jù)時(shí)間和聲速來(lái)計(jì)算其到物體表面的距離。超聲波還有一個(gè)特性是它的頻率愈低，隨著距離的衰減愈小，可是反射效率也小，因此 需要根據(jù)距離、物體表面狀況等因素來(lái)選擇超聲波傳感器類(lèi)型。高性能產(chǎn)品能區(qū)分出哪些是信號(hào)波，哪些是噪聲，而且還能在高溫和大風(fēng)的情況下檢測(cè)液位。

位置傳感器的應(yīng)用

位置傳感器的應(yīng)用很多，是很多自動(dòng)化過(guò)程的核心。大家熟悉的就是自動(dòng)洗車(chē)。位置傳感器用于測(cè)量車(chē)輛在洗車(chē)過(guò)程中的位置，這使得清洗設(shè)備能夠在正確的時(shí)間被激活。洗車(chē)店要想清洗輪胎，就需要知道輪胎的位置，以及什么時(shí)候處于正確的位置，以便涂抹清潔劑或輪胎保護(hù)劑。

位置傳感器還可以用來(lái)控制設(shè)備。感應(yīng)式傳感器是嵌入道路中的大環(huán)線，用于檢測(cè)左轉(zhuǎn)車(chē)道上是否有車(chē)輛，以便交通控制系統(tǒng)啟動(dòng)交通燈。有門(mén)禁系統(tǒng)的停車(chē)場(chǎng)使用位置傳感器，當(dāng)車(chē)輛接近停車(chē)場(chǎng)時(shí)，就會(huì)升起閘門(mén)。電梯使用位置傳感器來(lái)檢測(cè)電梯在特定樓層的位置是否正確，電梯門(mén)是否可以安全打開(kāi)。

自動(dòng)化生產(chǎn)線中的工業(yè)流程使用位置傳感器，以確保產(chǎn)品在自動(dòng)流程步驟發(fā)生之前被正確定位，例如在汽車(chē)車(chē)身上噴漆，或在水瓶中加水。醫(yī)療機(jī)構(gòu)的核磁共振成像掃描儀利用位置傳感器在掃描或成像開(kāi)始前確定病人的位置是否正確，并在核磁共振成像機(jī)中移動(dòng)病人。

汽車(chē)設(shè)計(jì)師和工程師使用位置傳感器來(lái)測(cè)量重要的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，如曲軸位置和節(jié)氣門(mén)位置。

具有掃描和傾斜功能的安防攝像機(jī)將使用位置傳感器來(lái)建立攝像機(jī)的相對(duì)方向，以確保其正確定向以獲得最佳視野。