位置和速度傳感器類型
當(dāng)今世界已經(jīng)完全離不開(kāi)傳感器技術(shù)。 任何現(xiàn)代智能技術(shù)都依賴于精確的傳感器技術(shù)，其中包括光學(xué)傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、速度傳感器、溫度傳感器以及加速度傳感器。 它們的主要任務(wù)是感知環(huán)境或目標(biāo)物體的各種化學(xué)特性和物理特性。 機(jī)器基于這種感知來(lái)自主運(yùn)行，因此傳感器的可靠性和精確度在功能安全中起著關(guān)鍵作用。
本文旨在總體介紹各種位置和速度傳感器類型及其基本優(yōu)缺點(diǎn)。 每種傳感器都適合特定的應(yīng)用領(lǐng)域。 下圖顯示了用于位置和速度測(cè)量的不同傳感器的工作原理，但并非詳盡無(wú)遺。
位置和速度傳感器的技術(shù)規(guī)格
由于傳感器的類型和版本眾多，為特定應(yīng)用選擇合適的傳感器是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。 首先，工程師需要定義傳感器需要滿足的所有相關(guān)要求。 傳感器必須完全適合特定應(yīng)用，不能超規(guī)格，而且成本要最低。
傳感器規(guī)格通常可細(xì)分為傳感器類型、電氣和機(jī)械特性以及工作條件。 由于擁有這些特性，傳感器在不同應(yīng)用中分別表現(xiàn)出優(yōu)缺點(diǎn)。 下節(jié)將利用說(shuō)明和示例來(lái)介紹幾種重要的傳感器規(guī)格。
傳感器類型
– 測(cè)量類型： 增量或絕對(duì)
– 感測(cè)原理： 光學(xué)，磁性（霍爾、電感），機(jī)電
電氣特性
– 分辨率： 可以測(cè)量到的最小變化
– 重復(fù)性： 傳感器從同一起點(diǎn)重復(fù)完成測(cè)量的穩(wěn)定性
– 精確度： 輸出精確度 (%)
– 電氣輸出類型： 模擬/數(shù)字，串聯(lián)/并聯(lián)
– 電源和輸出電壓/電流
機(jī)械特性
– 幾何： 尺寸，線性，旋轉(zhuǎn)
– 可擴(kuò)展性：如 360° 角、500 mm 線性測(cè)量、20kHz 頻率
– 機(jī)械接口： 連接器選項(xiàng)，電線布置，機(jī)械固定點(diǎn)
– 氣隙（非接觸式傳感器）：如 0.4-2.2 mm
工作條件
– 溫度范圍
– 環(huán)境因素：如灰塵/微粒、濕度、沖擊、振動(dòng)、氣候
– 防護(hù)等級(jí)：如 IP、靜電敏感性、短路強(qiáng)度
特選位置和速度傳感器的比較
位置傳感器的主要任務(wù)是感測(cè)角度或線性位移、距離、間隙、膨脹和料位水平。 作為機(jī)電傳感器，電位計(jì)是德國(guó)物理學(xué)家 Johann Christian Poggendorff 于 1841 年發(fā)明的最著名也是最古老的傳感器類型。 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出多種版本和類型的電位計(jì)。 制造商隨著時(shí)間推移不斷優(yōu)化機(jī)電傳感器，以滿足新應(yīng)用領(lǐng)域的嚴(yán)格要求。 此外，憑借較之機(jī)電式電位計(jì)的諸多特性優(yōu)勢(shì)，非接觸式傳感器也逐漸征服了市場(chǎng)。 這些將在下文進(jìn)行討論。
速度和頻率傳感器用于測(cè)量每個(gè)時(shí)間單位移動(dòng)的距離或角度。 它們的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是異步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度控制和監(jiān)視，而異步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛存在于各種行業(yè)，例如公路和越野車輛、能源行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、自動(dòng)化和機(jī)械行業(yè)。 非接觸式傳感器沒(méi)有會(huì)磨損的機(jī)械零件，使用壽命很長(zhǎng)，因此在該市場(chǎng)迅速得到普及。
下節(jié)將介紹并比較特選位置和速度傳感器的工作原理、應(yīng)用以及優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
電位計(jì)
工作原理
電位計(jì)利用機(jī)械滑動(dòng)觸點(diǎn)形式的電阻元件來(lái)測(cè)量線性位移或角度位移。 滑塊始終與電阻路徑接觸。 電阻大小隨著滑塊移動(dòng)而變化。 除機(jī)械部分外，每個(gè)電位計(jì)還需要一個(gè)外部電源，以便將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 輸出電壓取決于電阻大小，進(jìn)而取決于旋轉(zhuǎn)角度或移動(dòng)距離。 許多電氣組件制造商都可以定制和供應(yīng)具有不同測(cè)量范圍、輸出信號(hào)和電氣連接的電位計(jì)。 與測(cè)量系統(tǒng)基于重復(fù)和周期性分度的增量式傳感器相比，電位計(jì)提供的是絕對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)。
優(yōu)點(diǎn)
? 低成本（幾美分，但高精度版本可能高達(dá) 200 美元）
? 安裝靈活，特性靈活
? 無(wú)需內(nèi)部電子組件
? 快速制作原型
? 眾多制造商均可供應(yīng)
? 高分辨率和精確測(cè)量（輸出精度優(yōu)于 1％）
? 提供冗余性，信號(hào)安全可靠
? 工作溫度范圍高達(dá) 250°C
? 大位移測(cè)量（最大 360°；1,500mm）
缺點(diǎn)
? 易磨損，尤其是在高振動(dòng)環(huán)境中 （例如，公路車輛、重型設(shè)備或飛機(jī)系統(tǒng)）
? 電阻路徑易受外類微粒（如灰塵/沙粒）的磨損（使用壽命大大縮短）
? 磨損導(dǎo)致使用壽命有限（平均額定壽命為 500,000 次循環(huán)）
? 不適合在液體中工作
? 不適合高加速度（滑塊可能會(huì)脫離）
? 需要數(shù)字轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)致成本增加
? 小型化受限，可能會(huì)限制測(cè)量范圍
應(yīng)用領(lǐng)域
電位計(jì)通常很適合占空比適中和環(huán)境良好的應(yīng)用。 由于機(jī)械滑塊容易受到磨損和摩擦，目標(biāo)應(yīng)用的要求不能很嚴(yán)格。
電位計(jì)具有價(jià)格低廉和供應(yīng)廣泛的優(yōu)勢(shì)，而且存在許多不同的版本，因此可以在幾乎每個(gè)工業(yè)領(lǐng)域找到它們。
電感式編碼器
工作原理
電感式編碼器（也稱為 Incoder）是適用于線性和角度位移的非接觸式速度和定位傳感器。 例如，利用電磁感應(yīng)原理，這種傳感器可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置。 電感式編碼器的主要組件是線軸（傳統(tǒng) Incoder）或基板上的印刷電路（新一代 Incoder）。 當(dāng)金屬目標(biāo)接近電感器時(shí)，會(huì)發(fā)生磁場(chǎng)變化。 根據(jù)感應(yīng)定律，這種傳感器在雙極出口之間產(chǎn)生電壓，該電壓與磁通量的時(shí)間變化成比例。 這會(huì)觸發(fā)流過(guò)電感器和導(dǎo)線并到達(dá)輸出設(shè)備的電流。 感測(cè)范圍取決于目標(biāo)材料的類型；黑色金屬比有色金屬具有更長(zhǎng)的感測(cè)范圍。 電子器件可以放置得遠(yuǎn)離感測(cè)區(qū)域，因此電感式編碼器能夠在惡劣環(huán)境中使用。
優(yōu)點(diǎn)
? 在惡劣條件下也能安全可靠地工作
? 非接觸，無(wú)磨損
? 多種幾何形狀，例如曲線、2D 和 3D 位置感測(cè)
? 適用于寬窄測(cè)量范圍
? 工作溫度范圍高達(dá) 150°C
? 高精確度（在 360° 刻度周期內(nèi)高達(dá) 0.09°）
? 新一代產(chǎn)品： 用于提供冗余信號(hào)的多層薄型傳感器
? 高電磁抗擾性
? 電子器件可以放置得遠(yuǎn)離感測(cè)區(qū)域，無(wú)需保護(hù)
缺點(diǎn)
? 傳統(tǒng) Incoder： 由于采用線軸而且尺寸較大，沒(méi)有冗余測(cè)量
? 新一代產(chǎn)品： 成本因素
? 不適合低速測(cè)量（輸出信號(hào)取決于頻率）
? 易受氣隙變化影響
應(yīng)用領(lǐng)域
? 監(jiān)視和控制安全相關(guān)位置（機(jī)械制造、工廠工程、公路和越野車輛）
? 儲(chǔ)存和裝卸技術(shù)
? 發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪速度傳感器，柴油噴射泵，凸輪軸傳感器
? 感應(yīng)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表（曲軸頻率傳感器）
霍爾傳感器
工作原理
霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)磁場(chǎng)高度敏感。 可用于線性和旋轉(zhuǎn)測(cè)量以及速度和方向感測(cè)。 這些傳感器的主要組件是霍爾集成電路 (IC) 和永磁體。 霍爾效應(yīng)基于薄型半導(dǎo)體芯片。 如果這樣的載流板被電感 B（永磁體）垂直穿透，電荷載體會(huì)受到垂直于磁場(chǎng)的洛倫茲力而偏轉(zhuǎn)。 外部電源提供的電流 I 從其原本的直線路徑偏轉(zhuǎn)。 因此，可以探測(cè)到在載流板兩個(gè)相對(duì)邊緣點(diǎn)之間的電流方向上出現(xiàn)的電壓 U。 輸出電壓 U 與電感量 B 和電流 I 成正比。
一旦外部鐵磁材料接近傳感器，永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)受到影響。 尤其是用于速度感測(cè)時(shí)，目標(biāo)車輪和氣隙的規(guī)格需要與霍爾傳感器兼容。
因此，霍爾傳感器在運(yùn)行中會(huì)接收由外部電源供應(yīng)的連續(xù)電流。 這也是霍爾傳感器被視為有源傳感器的原因，而且它們需要用于信號(hào)處理的集成電子器件。 與電感這種物理現(xiàn)象截然不同，霍爾效應(yīng)在穩(wěn)態(tài)條件下發(fā)生。 如果磁場(chǎng)在一段時(shí)間內(nèi)保持恒定，霍爾集成電路的輸出電壓也會(huì)保持不變。
優(yōu)點(diǎn)
? 完全固態(tài)，無(wú)活動(dòng)部件，無(wú)摩擦造成的磨損
? 幾乎無(wú)限的使用壽命（達(dá)十億次運(yùn)行）
? 高速運(yùn)行 – 可超過(guò) 100kHz
? 采用固定式輸入（零速）運(yùn)行
? 工作溫度范圍廣（-40 至 +150°C）
? 運(yùn)行可高度重復(fù)
? 尺寸小（在體積上適合其他電磁傳感器因太大而無(wú)法裝入的應(yīng)用）
? 耐用性： 不受沖擊和振動(dòng)的影響，高度耐受潮濕和環(huán)境污染
? 可以探測(cè)磁場(chǎng)方向及其大小
? 成本效益高
? 不同類型產(chǎn)品提供數(shù)字、模擬或可編程輸出
? 可選擇 2、3 或 4 線配置
缺點(diǎn)
? 這些傳感器對(duì)靜電放電敏感，來(lái)自周圍環(huán)境（例如電線）的磁通量可能導(dǎo)致感測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確
? 只能處理直流負(fù)載
? 需要連續(xù)消耗電流
? 需要集成電路
應(yīng)用領(lǐng)域
? 可成功用于惡劣環(huán)境，例如汽車變速箱內(nèi)部、鉆孔下方的油井鉆探設(shè)備中
? 車輪和車軸的速度，例如速度測(cè)量、內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火正時(shí)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)
? 在直流電機(jī)中探測(cè)永磁體的位置
? 電廠/風(fēng)電： 渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速
? 越野車輛轉(zhuǎn)向和踏板系統(tǒng)的角度傳感器
? 電動(dòng)自行車 ABS 系統(tǒng)和速度測(cè)量
光學(xué)編碼器
工作原理
光學(xué)傳感器通常稱為編碼器和增量位置傳感器，用于角度和線性測(cè)量。 它們也適用于速度感測(cè)。 主要組件是一個(gè) LED 光源、一個(gè)帶有參考標(biāo)記的旋轉(zhuǎn)光盤以及一個(gè)帶有矩形波整形電路的光電傳感器。 LED 光源生成的光束穿過(guò)或照射在光盤光柵上。 光電傳感器測(cè)量由此產(chǎn)生的光線，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。
優(yōu)點(diǎn)
? 旋轉(zhuǎn)編碼器可實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn) 50-5,000 次計(jì)數(shù)
? 精確安裝可實(shí)現(xiàn)高精確度
? 傳感器重量輕
? 使用壽命達(dá) 80k – 100k 小時(shí)
? 不易受鐵磁材料影響
缺點(diǎn)
? 在惡劣環(huán)境中，當(dāng)鏡頭或光盤被水、灰塵或切屑等異物遮蓋時(shí)，測(cè)量可能會(huì)失敗。
? 易受沖擊影響
? 即將發(fā)生故障時(shí)很少或不發(fā)出警告
? 工作溫度范圍有限（最高 70°C）
應(yīng)用領(lǐng)域
? 位置以及速度和方向測(cè)量
? 在良好環(huán)境中需要每轉(zhuǎn)高計(jì)數(shù)的應(yīng)用
? 適合存在鐵磁性材料的環(huán)境/應(yīng)用
磁簧開(kāi)關(guān)
工作原理
磁簧開(kāi)關(guān)由貝爾實(shí)驗(yàn)室于 1930 年代發(fā)明， 在十年之內(nèi)即廣泛用作電子和測(cè)試設(shè)備中的位置傳感器。 與本文中提及的其他傳感器相比，磁簧開(kāi)關(guān)只能探測(cè)目標(biāo)的最終位置。它可以對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)操作進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此也可以用作速度傳感器。 磁簧開(kāi)關(guān)的基本型式是將兩根具有鐵磁性的鎳鐵絲密封在玻璃管內(nèi)。 這兩根鎳鐵絲各有一端呈扁平狀而形成“簧片”。 簧片的兩個(gè)末端精確對(duì)齊，并有少量重迭。 玻璃管充滿惰性氮?dú)狻?簧片受到外部磁場(chǎng)作用時(shí)充當(dāng)磁通量導(dǎo)體。 在觸點(diǎn)間隙處會(huì)形成極性相反的電極，當(dāng)磁力超過(guò)簧片彈力時(shí)，兩個(gè)觸點(diǎn)閉合。 當(dāng)外部磁場(chǎng)減弱，使簧片之間的電磁引力小于簧片的還原彈簧力時(shí)，兩個(gè)觸點(diǎn)分離。
優(yōu)點(diǎn)
? 零功耗（無(wú)需外部電源）
? 使用壽命通常為數(shù)百萬(wàn)次
? 成本效益高
? 完全密封： 不受灰塵/微粒、水和濕氣的影響
? 磁簧開(kāi)關(guān)有多種尺寸可選，具有不同的安培匝數(shù)以及 與磁鐵距離和磁鐵尺寸相關(guān)的磁滯
? 開(kāi)關(guān)電源： 可處理交流和直流負(fù)載，能夠從 10 納伏切換到 10,000 伏，最大 5 安培
? 不受靜電放電的影響
? 工作溫度范圍高達(dá) 200°C
缺點(diǎn)
? 超過(guò)約 20 克時(shí)易受振動(dòng)/沖擊的影響
? 機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致靈敏度發(fā)生變化
? 速度測(cè)量?jī)H限于 1kHz 以下的運(yùn)行
? 數(shù)字輸出（只探測(cè)最終位置）
應(yīng)用領(lǐng)域
? 位置感測(cè)（運(yùn)動(dòng)的最終位置，只有數(shù)字輸出）
? 速度測(cè)量（對(duì)開(kāi)關(guān)操作進(jìn)行計(jì)數(shù)）
? 繼電器應(yīng)用（電子儀器應(yīng)用）
? 汽車和運(yùn)輸（制動(dòng)液傳感器，前燈和尾燈，后視鏡控件，碰撞安全感測(cè)，輪胎壓力監(jiān)控，氣頂探測(cè)）
? 智能住宅（安全系統(tǒng)，白色家電，暖通空調(diào)和管道）
? 安全和安保（火警，門傳感器，窗戶傳感器，酒店安保）
? 醫(yī)療、電信、測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用
總結(jié)
由于采用的物理原理各有不同，本文介紹的所有傳感器都表現(xiàn)出不同特性，因此沒(méi)有萬(wàn)能的傳感器解決方案。 具體選擇始終取決于相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。 下表對(duì)位置和速度傳感器的幾種關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行大致比較。 該評(píng)估基于上述各傳感器類型的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。
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