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关于位置传感器细节设计的分析教程

2020-12-11 09:22:34  2839 传感器 位置传感器 编码器
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顾名思义,位置传感器检测某物的位置,这意味着它们是从某个固定点或某个位置参考的。这些类型的传感器提供“位置”反馈。

确定位置的一种方法是使用“距离”(可以是两点之间的距离,例如从某个固定点行进或移动的距离),也可以使用“旋转”(角度移动)。例如,旋转机械手轮以确定其沿地面的距离。无论哪种方式,位置传感器都可以使用线性传感器检测物体在直线上的运动,或者通过旋转传感器检测物体的角度运动。

电位器在所有“位置传感器”中,最常用的是电位计,因为它是一种廉价且易于使用的位置传感器。它的刮水器触点与机械轴相连,该机械轴的运动可以是角度(旋转)或线性(滑块类型),并导致刮水器/滑块和两端连接之间的电阻值发生变化,从而产生电信号输出在电阻轨迹上的实际抽头位置与其电阻值之间成比例关系。换句话说,电阻与位置成正比。
电位器

电位计具有多种设计和尺寸,例如常用的圆形旋转类型或更长而扁平的线性滑条类型。当用作位置传感器时,可移动对象直接连接到电位计的旋转轴或滑块。

在构成电阻元件的两个外部固定连接上施加DC参考电压。输出电压信号从滑动触点的抽头端子获取,如下所示。

这种配置产生与轴位置成比例的电势或分压器类型的电路输出。然后,例如,如果在电位计的电阻元件上施加10v的电压,则最大输出电压将等于10伏的电源电压,最小输出电压将等于0伏。然后,电位器抽头将输出信号从0伏改变为10伏,其中5伏表示抽头或滑块处于中间位置或中间位置。
电位器构造
电位计的输出信号(Vout)是从中央抽头连接器沿电阻轨道移动时获得的,并且与轴的角位置成比例。
简单的位置感应电路的示例
尽管电阻式电位器位置传感器具有许多优点:成本低,技术含量低,易于使用等,但作为位置传感器,它们也有许多缺点:由于运动部件而引起的磨损,精度低,可重复性低以及频率响应受限。

但是使用电位计作为位置传感器有一个主要缺点。其游标或滑块的移动范围(以及由此获得的输出信号)仅限于所用电位计的物理尺寸。

例如单匝旋转电位器一般只具有介于0固定的机械旋转240 330和即将最大。但是,也可提供机械旋转高达3600 o(10 x 360 o)的多圈锅。

大多数类型的电位计都将碳膜用于其电阻轨迹,但是这些类型的电位器具有电气噪声(无线电音量控制器上的裂纹),并且机械寿命短。

线绕锅也可以称为变阻器,也可以采用直线或绕线电阻丝形式,但是线绕锅存在分辨率问题,因为其抽头从一个线段跳到下一线段,产生对数( LOG)输出导致输出信号错误。这些也遭受电噪声。

对于高精度低噪声应用,现在可以使用导电塑料电阻元件型聚合物膜或金属陶瓷型电位计。这些电位计具有光滑的低摩擦电线性(LIN)电阻轨迹,从而使其具有低噪音,长寿命和出色的分辨率,并且可作为多匝和单匝装置使用。这类高精度位置传感器的典型应用是在计算机游戏操纵杆,方向盘,工业和机器人应用中。

感应式位置传感器线性可变差动变压器一种不受机械磨损困扰的位置传感器是“线性可变差动变压器”或简称LVDT。这是一种感应式位置传感器,其工作原理与用于测量运动的交流变压器相同。这是一种用于测量线性位移的非常精确的设备,其输出与其可移动芯的位置成比例。它基本上由缠绕在空心管架上的三个线圈组成,一个线圈形成初级线圈,另外两个线圈形成相同的次级线圈,这些线圈串联电连接在一起,但初级线圈的任一侧相差180 o。

连接到被测物体的可移动软铁铁磁芯(有时称为“电枢”)在LVDT的管状体内上下滑动或移动。在初级绕组上施加一个小的交流基准电压,称为“励磁信号”(2 – 20V rms,2 – 20kHz),进而将EMF信号感应到两个相邻的次级绕组中(变压器原理)。

如果软铁磁心电枢恰好位于管的中心,并且绕组处于“零位置”,则两个次级绕组中的两个感应电动势会相互抵消,因为它们的相位差为180 o,因此,最终输出电压为零。当磁芯从该零位置或零位置稍微移到一侧或另一侧时,其中一个次级中的感应电压将变得大于另一个次级中的感应电压,并且将产生输出。

输出信号的极性取决于动芯的方向和位移。软铁芯从其中央零位置开始的移动越大,所得的输出信号就越大。结果是差分电压输出随芯位置线性变化。因此,来自这种类型的位置传感器的输出信号既具有作为芯位移的线性函数的幅度又具有指示运动方向的极性。

可以将输出信号的相位与初级线圈激励相位进行比较,从而使合适的电子电路(例如AD592 LVDT传感器放大器)知道磁芯在线圈的哪一半,从而知道行进方向。
线性可变差动变压器
当电枢通过中心位置从一端移动到另一端时,输出电压从最大值变为零,然后再次回到最大值,但是在此过程中,其相角改变了180度。这使LVDT能够产生输出AC信号,其幅度表示从中心位置开始的移动量,并且其相位角表示铁心的移动方向。线性可变差动变压器(LVDT)传感器的典型应用是作为压力传感器,被测压力推向隔膜以产生力。然后,力被传感器转换为可读的电压信号。

与电阻式电位计相比,线性可变差分变压器或LVDT的优势在于其线性度,即其输出的位移电压极佳,精度非常高,分辨率高,灵敏度高以及无摩擦运行。它们也被密封以用于恶劣的环境。

电感式接近传感器常用的另一种感应位置传感器是感应接近传感器,也称为涡流传感器。尽管它们实际上并不测量位移或角旋转,但它们主要用于检测在其前面或附近的物体的存在,因此它们的名称为“接近传感器”。

接近传感器是使用磁场进行检测的非接触式位置传感器,最简单的磁性传感器是簧片开关。在感应传感器中,线圈在电磁场内缠绕在铁芯上,形成感应回路。

当将铁磁材料放置在感应传感器周围产生的涡流场中时,例如铁磁金属板或金属螺钉,线圈的电感会发生很大变化。接近传感器检测电路检测该变化,从而产生输出电压。因此,电感式接近传感器在法拉第电感定律的电气原理下工作。
电感式接近传感器
电感式接近传感器具有四个主要组件;产生电磁场的振荡器,产生磁场的线圈,当物体进入物体时检测磁场变化的检测电路以及产生常闭(NC)或常态输出信号的输出电路打开(否)联系人。
电感式接近传感器允许检测传感器头前面的金属物体,而无需检测物体本身的任何物理接触。这使其非常适合在肮脏或潮湿的环境中使用。接近传感器的“感应”范围很小,通常为0.1mm至12mm。
接近传感器

除工业应用外,感应式接近传感器还通常用于通过改变交叉路口和交叉路口的交通信号灯来控制交通流量。电线的矩形感应环埋在柏油碎石路面中。

当汽车或其他公路车辆经过该感应回路时,车辆的金属体会改变回路电感并激活传感器,从而警告交通信号灯控制器有车辆在等待。

这些类型的位置传感器的一个主要缺点是它们是“全向”的,也就是说,它们将在金属物体的上方,下方或侧面感应金属物体。此外,尽管可以使用电容式接近传感器超声波接近传感器,但它们不能检测非金属物体。其他常用的磁性位置传感器包括:磁簧开关,霍尔效应传感器和可变磁阻传感器。

旋转编码器旋转编码器是另一种类型的位置传感器,类似于前面提到的电位计,但是是用于将旋转轴的角位置转换为模拟或数字数据代码的非接触式光学设备。换句话说,它们将机械运动转换为电信号(最好是数字信号)。

所有光学编码器均以相同的基本原理工作。来自LED红外光源的光穿过旋转的高分辨率编码盘,该盘包含所需的代码模式(二进制,格雷码或BCD)。光电检测器在磁盘旋转时对其进行扫描,并且电子电路将信息处理为数字形式,作为二进制输出脉冲流,馈送到确定轴实际角位置的计数器或控制器。

旋转光学编码器有两种基本类型,增量编码器绝对位置编码器
增量编码器
编码盘

增量编码器,也称为正交编码器或相对旋转编码器,是两个位置传感器中最简单的一种。它们的输出是由光电管装置(作为编码盘)产生的一系列方波脉冲,在其表面上均匀间隔开的透明线和暗线(称为分段)移动或旋转通过光源。编码器产生方波脉冲流,当计数时,它指示旋转轴的角位置。

增量编码器具有两个独立的输出,称为“正交输出”。这两个输出彼此错开90o,并根据输出顺序确定轴的旋转方向。

磁盘上的透明和暗段或插槽的数量决定了设备的分辨率,增加图案中的行数会提高每旋转度的分辨率。典型的编码光盘每转具有高达256脉冲或8位的分辨率。

最简单的增量编码器称为转速计。它具有一个单方波输出,通常用于仅需要基本位置或速度信息的单向应用中。的“正交”或“正弦波”编码器是更常见的,并且具有两个输出的方波通常被称为信道A信道B。该设备使用两个光电探测器,彼此略微偏移90 o,从而产生两个单独的正弦和余弦输出信号。
简单的增量编码器
通过使用反正切数学函数,可以计算出以弧度为单位的轴角度。通常,旋转位置编码器中使用的光盘是圆形的,那么输出分辨率将为:θ= 360 / n,其中n等于编码盘上的段数。

然后,例如,使增量编码器的分辨率为1 o所需的段数将为:1 o  = 360 / n,因此,n = 360窗口,依此类推。旋转方向也通过注意产生哪个通道来确定首先输出,即通道A或通道B提供两个旋转方向,即A引线B或B引线A。这种布置如下所示。
增量编码器输出
增量编码器用作位置传感器时的一个主要缺点是,它们需要外部计数器来确定给定旋转内轴的绝对角度。如果电源暂时关闭,或者编码器由于噪声或光盘变脏而错过脉冲,则所产生的角度信息将产生错误。克服此缺点的一种方法是使用绝对位置编码器。

绝对位置编码器绝对位置编码器比正交编码器更复杂。它们为每个旋转位置提供唯一的输出代码,指示位置和方向。他们的编码盘由明暗段的多个同心“轨道”组成。每个轨道独立于其自己的光电检测器,以同时读取每个运动角度的唯一编码位置值。磁盘上的磁道数与编码器的二进制“位”分辨率相对应,因此12位绝对编码器将具有12条磁道,并且同一编码值每转仅出现一次。

4位二进制编码光盘
绝对编码器的一个主要优点是其非易失性存储器,该存储器可以保留编码器的准确位置,而在断电时无需返回“原位”位置。大多数旋转编码器被定义为“单圈”设备,但也可以使用绝对多圈设备,通过添加额外的代码盘,可以在几圈的时间内获得反馈。

绝对位置编码器的典型应用是在计算机硬盘驱动器和CD / DVD驱动器中,监视驱动器的读写头的绝对位置,或者在打印机/绘图仪中将打印头精确地定位在纸张上。在关于位置传感器的本教程中,我们查看了可用于测量物体位置或存在的传感器的几个示例。在下一个教程中,我们将介绍用于测量温度的传感器,例如热敏电阻,恒温器和热电偶,因此通常称为温度传感器

古珍有 2020-12-12 10:30:18
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