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常见位置传感器类型

发布时间:2019-07-04 12:39

  位置传感器被广泛应用于各种工业和商业应用中,从高端军用和防务应用到低成本的汽车和家用电器。事实上,继温度测量之后,位置测量是我们生活中需要测量的第二种最常见的特性。

  现今,有很多令人眼花缭乱的位置传感器可供选择,如何选择合适的位置传感器?这一节概述了传感器的主要类型以及它们各自的优缺点。

  虽然有一种倾向于非接触式传感器的趋势,但电位计(pot)仍然是最常见的位置传感器。这种传感器通过测量电触点沿着电阻条的电压降,而测量位置与电压输出成比例。电位计有旋转型、直线型和曲线型结构形式,结构紧凑、重量轻。一个简单的电位计只需花费几便士,而高精度的电位计则可能需要200美元以上。通过激光对电阻条进行微调,线%。

  电位计在适当的工作循环、良好的环境和性能要求不严格的应用场合中工作良好。不幸的是,电位计容易磨损,尤其是在高振动环境,或者灰尘/沙粒等外来物质会使电阻条受到磨损。高质量的电位计以工作循环数给出寿命指标,但往往忽略了振动的影响。

  还必须注意的是,电位计指标种经常引用“无限分辨率”。虽然理论上是这样,但许多控制系统需要数字数据,因此实际的分辨率将是模拟/数字转换器的分辨率(设计时要考虑这个成本)。

  奇怪的是,在航空航天、医疗和石化行业的一些安全相关应用中,电位计被归类为“简单传感器”。这意味着,虽然电位计有很多的故障模式,但它们并不像电子传感器那样受到严格的设计和选型审查。这是一个愚蠢但是真实的情形,使得在某些应用中取代不可靠的电位计很困难。

  光电传感器通常被称为编码器,它们是位置传感器的一种常见形式,从简单的价格几美元的编码器到价格超过1万美元的高精密编码器。在所有这些传感器中,基本原理都是一样的:光束照射到光栅,光电探测器测量光,产生一个位置信号。

  整体式旋转编码器应用很广泛,通常每一转有50-5000脉冲(cpr)输出,实践证明在良好的应用环境中工作良好。然而,在更苛刻的环境中,如果镜头或光栅系统被诸如灰尘、碎屑或水等外来杂志遮挡,那么测量就会失效。

  在光电传感器选型时,需要特别注意的是,如果传感器标称每一转1000个脉冲(cpr)输出,这并不意味着它能达到1/1000转的准确度。传感器的数据表需要仔细阅读,特别是编码器套件或环形编码器,传感器安装要求非常精密,并且确保没有被污染。

  磁传感器都使用类似的测量原理:当永磁体与磁探测器有相对移动时,磁场的变化与它们的相对位移成比例。一种常见的形式是Hall效应传感器,可以制造成芯片形式。它们常用于汽车和电动机的应用场合,性能适中。

  磁传感器克服了许多与光电编码器有关的缺陷,因为它们对外来物质更有容忍性。然而,这些传感器很少被用于高准确度要求的应用,这是由于磁滞效应,以及运动和静止部件之间的精密机械加工的影响。应仔细研究任何磁传感器数据表中的安装公差、温度系数和工作温度指标。

  更进一步,要考虑磁性材料或电缆的接近。永磁体可能吸引一些外部杂质,传感器失效的一个因素就是杂质碎屑随时间的累积。

  在有恶劣冲击的环境中,通常不选择磁传感器,因为当今的NdFeB永磁体众所周知的脆性。

  缺点:温漂;滞环;不适合高准确度应用;对附近导磁材料、直流磁场敏感;耐冲击能力差。

  这种传感器利用一种特殊的现象,叫做“磁致伸缩”。这种现象存在于一些材料中,当磁铁靠近材料时,它会使沿着材料传递的能量发生反射。位置可以从能量脉冲沿着磁致伸缩材料来回移动的时间来测量,磁致伸缩材料通常是一条细线或一条带。

  几乎所有的磁致伸缩传感器都是直线传感器,因为精细的磁致伸缩带必须小心地安装在壳体内,比如铝型。壳体使得磁致伸缩传感器不受磨损和寿命问题的影响,适用于高压应用场合,比如液压油缸。

  每一个传感器,与精密的外壳组合后,都需要由制造商来校准,这使得磁致伸缩传感器相对昂贵。对飞逝时间的一些影响因素,该技术很敏感,最明显的就是对温度的敏感。

  磁致伸缩数据表中的标称准确度指标通常是在恒定温度条件下的,因此,设计工程师需要利用给出的温度系数来计算实际能达到的准确度。

  微小的磁致伸缩材料非常精细,其长度两端的支架至关重要。最终的结果是,磁致伸缩传感器不应被选择用于严酷的冲击/振动环境中。

  缺点:相当昂贵;不耐冲击;温漂大;短量程准确度低(100mm)。

  电容器是一种积累电荷的电子元件。通常,它有两个电极板,由绝缘体隔开。电容器可以储存的电荷量根据电极板的尺寸大小、它们之间的重叠百分比、他们之间的距离以及板间材料的介电常数而变化。在最简单的形式中,电容式位置传感器可用来测量电极板间的距离。在力、应变和压力测量中,位移通常在小于1mm范围内。

  另一种旋转或直线位置传感形式,在测量轴上,切割或蚀刻了一系列的电极板。当另一个板块移动时,电路中沿着轴方向上的电容会变化,反映出两个极板之间的相对位置。电容式位置传感器是不常见的,很少用于安全相关的应用。不幸的是,除了电极板的重叠因素等,电容会随着温度、湿度、周围材料和外界异物的不同而变化,这使得研发一个稳定的、高准确度的位置传感器具有挑战性。

  我在传感器、自动化和电子产品领域工作了近30年。我还没有遇到一个设计工程师,他对他选择的电容式位置传感器很满意。电容式传感器在经验丰富的工程师中名声不佳,不太可能被选用在与安全相关的场合中。一些制造商已经不再提及“电容式”,取而代之的是使用诸如电荷存储、电荷耦合或电效应之类的替代术语来混淆视听。这种做法很不好,因为有太多的可能性传感器要出错,除非你是在高度稳定和临床应用中进行高精度的测量,否则最好避使用电容式位置传感器。

  传统的感应式位置传感器利用感应或变压器原理,已经使用了100多年。它们在恶劣环境下安全、可靠的工作特性赢得了极佳的声誉,使得它们在许多安全相关的应用中几乎成了首选传感器。

  直线感应式位置传感器通常被称为可变磁阻或线性差动变压器(LVDT)。旋转形式的有同步器,旋转变压器和RVDT。LVDT采用变压器结构,至少有3个线圈:一个初级线圈,二个级线圈级。当磁棒在线圈中移动时,它会改变初级线圈和次级线圈之间的电磁耦合。感应信号的比值表明了磁棒相对于线圈的位置。这种比率测量技术是LVDT实现高稳定性和测量性能的关键。

  光电和磁传感器需要电子电路部分就在测量点附近,而感应式传感器可以将电子电路部分从测量点移开,这样传感器就可以工作在恶劣的环境中,而电子电路部分可工作在更温和的环境中。

  新一代的感应传感器,通常称为IncOder,采用与传统感应式传感器相同的原理,因此可在恶劣的环境中提供优异的、非接触的测量性能。然而,这些传感器并没有采用传统感应式传感器笨重的线绕结构,而是在柔性或刚性的基板上使用印刷电路板技术。

  EMC性能,通常与旋转变压器和LVDT的一样好。这一点可以从航空航天和军用应用场合中日益增加的选择得到证明。返回搜狐,查看更多



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