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本文作者：魏沛

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。

從定義上來說，位置傳感器是檢測(cè)一個(gè)物體，并通過產(chǎn)生一個(gè)提供位置反饋的信號(hào)來傳遞其位置信息。然后，這種反饋可用于控制過程中的自動(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

一般來說，位置傳感器可分為三大類，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)方式上來說，位置傳感器的主要類型包括以下幾種。

• 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傳感器線圈中感應(yīng)的磁場(chǎng)特性的變化來檢測(cè)物體的位置，其中一種類型稱為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)，反過來又會(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——通過改變電容器的介電常數(shù)和通過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，這反過來又會(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選擇超聲波傳感器類型。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)化過程的核心。大家熟悉的就是自動(dòng)洗車。位置傳感器用于測(cè)量車輛在洗車過程中的位置，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)車道上是否有車輛，以便交通控制系統(tǒng)啟動(dòng)交通燈。有門禁系統(tǒng)的停車場(chǎng)使用位置傳感器，當(dāng)車輛接近停車場(chǎng)時(shí)，就會(huì)升起閘門。電梯使用位置傳感器來檢測(cè)電梯在特定樓層的位置是否正確，電梯門是否可以安全打開。

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，例如在汽車車身上噴漆，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。

汽車設(shè)計(jì)師和工程師使用位置傳感器來測(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。

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