位置感知是廣泛應用的一個關鍵功能,從機器人驅動鏈到供應鏈運行中的傳送帶,到風力渦輪塔的搖擺。它可以有多種形式,包括線性、旋轉、角、絕對、增量、接觸和非接觸傳感器。專門的傳感器已經研制出來,可以確定三維的位置。位置傳感技術包括電位、感應、渦流、電容、磁致伸縮、霍爾效應、光纖、光學和超聲波。
這個FAQ簡要介紹了位置感知的各種形式,然后回顧了設計者在實現位置感知解決方案時可以選擇的一系列技術。
在選擇位置傳感器時,有許多因素需要考慮。一些例子包括:
· 位置測量可以是線性的、旋轉的或角的,可以是靜態的或動態的(測量速度和/或加速度)。
· 線性傳感器通常限于特定的測量范圍,而旋轉傳感器通常提供的測量是轉或度。
· 這些傳感器可以基于接觸或非接觸技術。接觸式傳感器往往比較便宜,而非接觸式傳感器則比較可靠。
· 解析器是一種專用的無接觸旋轉傳感器,可以提供位置和速度反饋。
· 有些傳感器只提供從一個點到另一個點的增量測量,而其他傳感器則提供相對于特定參照點的絕對位置信息。
電位位置傳感器
電位位置傳感器是基于電阻的裝置,它將固定電阻軌道與需要被測到的物體所附的雨刷結合在一起。物體的移動使雨刷沿軌道移動。物體的位置是用固定的直流電壓測量的,使用軌道和雨刷形成一個分壓器網絡來測量直線或旋轉運動 .電位傳感器成本低,但通常精度和重復性低。
感應位置傳感器
感應位置傳感器利用傳感器線圈中感應到的磁場特性的變化。根據他們的結構,他們可以測量線性或旋轉的位置。線性變差動變壓器(LVDT)位置傳感器使用三個線圈繞在中空管上,一個初級線圈和兩個次級線圈。線圈與次級線圈180度脫離相相對于初級線圈的相關系串聯連接。一個鐵磁芯被稱為電熱器被放置在管內,并連接到被測量的物體的位置。對初級線圈施加勵磁電壓,使二次線圈產生電磁力。通過測量二次線圈之間的電壓差,它所附的物體,可以確定。旋轉電壓差動變壓器(RVDT)使用相同的技術跟蹤旋轉位置.LVDT和RVDT傳感器具有良好的精度、線性度、分辨率和高靈敏度。它們是無摩擦的,可以密封在惡劣的環境中使用。
渦流位置傳感器
渦流位置傳感器與導電物體一起工作。渦流電流是在磁場變化的情況下在導電材料中發生的感應電流。這些電流在封閉的循環中流動,產生次級磁場.渦流傳感器由線圈和線性化電路組成.交流電使線圈能產生主磁場。當物體離線圈越來越近或越來越遠時,可以利用渦流產生的二次磁場相互作用來感知其位置,這種作用會影響線圈的阻抗。當物體靠近線圈時,渦流損耗增加,振蕩電壓減小.振動電壓通過線性化電路進行校正和處理,產生與目標距離成正比的線性直流輸出。
渦流電流裝置是堅固的非接觸,經常用作鄰近傳感器。它們是全向的,可以確定與對象的相對距離,而不是與對象的方向或絕對距離。
電容位置傳感器
顧名思義,電容位置傳感器測量電容的變化,以確定被測物體的位置。這些非接觸式傳感器可以用來測量直線或旋轉位置。它們由兩個用介電材料隔開的板組成,并使用兩種方法中的一種來檢測物體的位置:
· 改變電容器的介電常數
· 改變電容板的重疊面積
為了引起介電常數的變化,要檢測其位置的物體被連接到介電材料上。隨著介電材料的移動,由于介電材料面積和空氣介電常數的變化,電容器有效介電常數發生變化。或者,該物體可以連接到電容板之一。當物體移動時,板塊移動到更近或更遠的地方,電容的變化被用來確定相對位置。
傳感器可以測量物體的位移、距離、位置和厚度。由于其信號穩定性和分辨率高,電容位移傳感器被用于實驗室和工業環境。例如,電容式傳感器被用來測量薄膜厚度和粘合劑在自動化過程中的應用。在工業機器中,它們被用來監測位移和工具位置。
磁致伸縮的位置傳感器
磁致伸縮性是鐵磁材料的一種性質,它使材料在磁場作用下改變其尺寸或形狀。在磁致伸縮位置傳感器中,可移動位置磁體連接到被測量的物體上。它包括一個波導,它由一個導線組成,通過它傳輸電流脈沖,連接到位于波導末端的傳感器。當電流脈沖沿著波導發出時,就會在與永磁體軸向磁場相互作用的導線上產生磁場。磁場的相互作用是由扭轉(維德曼效應)引起的,這種扭轉會在導線上產生應變,產生沿著波導傳播的聲波脈沖,并在波導的末端由傳感器檢測到。通過測量電流脈沖啟動與聲波脈沖檢測之間的時間,可以測量位置磁鐵和物體的相對位置。
磁致伸縮位置傳感器是一種非接觸式傳感器,用于檢測直線位置。波導通常放置在不銹鋼或鋁管中,使這些傳感器能夠在骯臟或潮濕的環境中使用。
霍爾效應位置傳感器
當一個薄的、平坦的導體被置于磁場中時,任何流動的電流都會聚集在導體的一側,從而產生一種叫做霍爾電壓的電位差。如果導體中的電流是恒定的,霍爾電壓的大小將反映磁場的強度。在霍爾效應位置傳感器中,物體連接到傳感器軸中的磁鐵上。當物體移動時,磁體的位置相對于霍爾元件發生變化,產生變化的霍爾電壓。通過測量霍爾電壓,可以確定物體的位置。提供專門的霍爾效應位置傳感器,可以確定三維位置，霍爾效應位置傳感器是提供高可靠性和快速傳感的非接觸設備,可以在廣泛的溫度范圍內工作。它們被廣泛應用于消費者、工業、汽車和醫療領域。
光纖位置傳感器
光纖傳感器有兩種基本類型。在光纖傳感器中,光纖作為傳感元件.在外部光纖傳感器中,光纖與另一種傳感器技術相結合,將信號中繼到遠程電子產品中進行處理。在光纖位置測量的情況下,可以使用光學時域反射計等設備來確定時間延遲。利用光學頻率域反射測量儀可以計算出波長位移.光纖傳感器對電磁干擾是免疫的,可以設計為在高溫下工作,不導電,這樣就可以在接近高電壓或易燃材料時使用。
另一種基于光纖布拉格光柵的光纖傳感技術也可用于位置測量。光纖光柵作為一個缺口濾波器,反射圍繞布拉格波長的一小部分光 B 當被廣譜光照亮時。它是由嵌入光纖核心的微觀結構制成的。可以制造FBGS來測量溫度、應變、壓力、傾斜、位移、加速度和載荷等各種參數。
光學位置傳感器
有兩種類型的光學位置傳感器,也稱為光學編碼器。在一種情況下,光被發送到接收器的另一端的傳感器。在第二種類型中,發射的光信號從被監測的物體反射出來,然后返回到光源。根據傳感器的設計,光特性的改變,如波長、強度、相位或極化,被用來確定物體的位置。基于編碼的光學位置傳感器可用于直線和旋轉運動。這些傳感器分為三個主要類別:傳送式光學編碼器、反射式光學編碼器和干擾式光學編碼器。
超聲位置傳感器
超聲位置傳感器使用壓電晶體傳感器發射高頻,超聲聲波。傳感器測量反射的聲音.超聲波傳感器可以作為簡單的接近傳感器使用,或者更復雜的設計可以提供測距信息。超聲位置傳感器與具有各種材料和表面特性的目標物體一起工作,可以在比許多其他類型的位置傳感器更遠的距離上探測到小物體。它們能抵抗振動、環境噪聲、紅外輻射和電磁干擾。使用超聲波位置傳感器的應用實例包括液位檢測、物體高速計數、機器人導航系統和汽車傳感。一種典型的汽車超聲波傳感器由塑料外殼組成,一種帶膜的壓電換能器和帶有電子電路和微控制器的印刷電路板,用以傳輸、接收和處理信號。
位置傳感器可以測量物體的絕對或相對線性、旋轉和角運動。位置傳感器可以測量諸如執行器或電動機等裝置的運動。它們還被用于機器人和汽車等移動平臺。各種各樣的技術被用于位置傳感器,具有各種組合的環境堅固性,成本,精度,可重復性和其他屬性。
