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位置和速度傳感器類型

當今世界已經完全離不開傳感器技術。 任何現代智能技術都依賴于精確的傳感器技術，其中包括光學傳感器、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。 它們的主要任務是感知環境或目標物體的各種化學特性和物理特性。 機器基于這種感知來自主運行，因此傳感器的可靠性和精確度在功能安全中起著關鍵作用。

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缺點。 每種傳感器都適合特定的應用領域。 下圖顯示了用于位置和速度測量的不同傳感器的工作原理，但并非詳盡無遺。

位置和速度傳感器的技術規格

由于傳感器的類型和版本眾多，為特定應用選擇合適的傳感器是一個很大的挑戰。 首先，工程師需要定義傳感器需要滿足的所有相關要求。 傳感器必須完全適合特定應用，不能超規格，而且成本要最低。

傳感器規格通常可細分為傳感器類型、電氣和機械特性以及工作條件。 由于擁有這些特性，傳感器在不同應用中分別表現出優缺點。 下節將利用說明和示例來介紹幾種重要的傳感器規格。

傳感器類型
– 測量類型： 增量或絕對
– 感測原理： 光學，磁性（霍爾、電感），機電

電氣特性
– 分辨率： 可以測量到的最小變化
– 重復性： 傳感器從同一起點重復完成測量的穩定性
– 精確度： 輸出精確度 (%)
– 電氣輸出類型： 模擬/數字，串聯/并聯
– 電源和輸出電壓/電流

機械特性
– 幾何： 尺寸，線性，旋轉
– 可擴展性：如 360° 角、500 mm 線性測量、20kHz 頻率
– 機械接口： 連接器選項，電線布置，機械固定點
– 氣隙（非接觸式傳感器）：如 0.4-2.2 mm

工作條件
– 溫度范圍
– 環境因素：如灰塵/微粒、濕度、沖擊、振動、氣候
– 防護等級：如 IP、靜電敏感性、短路強度

特選位置和速度傳感器的比較

位置傳感器的主要任務是感測角度或線性位移、距離、間隙、膨脹和料位水平。 作為機電傳感器，電位計是德國物理學家 Johann Christian Poggendorff 于 1841 年發明的最著名也是最古老的傳感器類型。 現在已經發展出多種版本和類型的電位計。 制造商隨著時間推移不斷優化機電傳感器，以滿足新應用領域的嚴格要求。 此外，憑借較之機電式電位計的諸多特性優勢，非接觸式傳感器也逐漸征服了市場。 這些將在下文進行討論。

速度和頻率傳感器用于測量每個時間單位移動的距離或角度。 它們的一個主要應用領域是異步驅動系統的速度控制和監視，而異步驅動系統廣泛存在于各種行業，例如公路和越野車輛、能源行業、醫療行業、自動化和機械行業。 非接觸式傳感器沒有會磨損的機械零件，使用壽命很長，因此在該市場迅速得到普及。

下節將介紹并比較特選位置和速度傳感器的工作原理、應用以及優點和缺點。

電位計

工作原理

電位計利用機械滑動觸點形式的電阻元件來測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而變化。 除機械部分外，每個電位計還需要一個外部電源，以便將機械運動轉換為電信號。 輸出電壓取決于電阻大小，進而取決于旋轉角度或移動距離。 許多電氣組件制造商都可以定制和供應具有不同測量范圍、輸出信號和電氣連接的電位計。 與測量系統基于重復和周期性分度的增量式傳感器相比，電位計提供的是絕對測量數據。

優點
? 低成本（幾美分，但高精度版本可能高達 200 美元）
? 安裝靈活，特性靈活
? 無需內部電子組件
? 快速制作原型
? 眾多制造商均可供應
? 高分辨率和精確測量（輸出精度優于 1％）
? 提供冗余性，信號安全可靠
? 工作溫度范圍高達 250°C
? 大位移測量（最大 360°；1,500mm）

缺點
? 易磨損，尤其是在高振動環境中 （例如，公路車輛、重型設備或飛機系統）
? 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）
? 磨損導致使用壽命有限（平均額定壽命為 500,000 次循環）
? 不適合在液體中工作
? 不適合高加速度（滑塊可能會脫離）
? 需要數字轉換器，導致成本增加
? 小型化受限，可能會限制測量范圍

應用領域

電位計通常很適合占空比適中和環境良好的應用。 由于機械滑塊容易受到磨損和摩擦，目標應用的要求不能很嚴格。

電位計具有價格低廉和供應廣泛的優勢，而且存在許多不同的版本，因此可以在幾乎每個工業領域找到它們。

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，利用電磁感應原理，這種傳感器可測量發動機中轉子相對于定子的位置。 電感式編碼器的主要組件是線軸（傳統 Incoder）或基板上的印刷電路（新一代 Incoder）。 當金屬目標接近電感器時，會發生磁場變化。 根據感應定律，這種傳感器在雙極出口之間產生電壓，該電壓與磁通量的時間變化成比例。 這會觸發流過電感器和導線并到達輸出設備的電流。 感測范圍取決于目標材料的類型；黑色金屬比有色金屬具有更長的感測范圍。 電子器件可以放置得遠離感測區域，因此電感式編碼器能夠在惡劣環境中使用。

優點
? 在惡劣條件下也能安全可靠地工作
? 非接觸，無磨損
? 多種幾何形狀，例如曲線、2D 和 3D 位置感測
? 適用于寬窄測量范圍
? 工作溫度范圍高達 150°C
? 高精確度（在 360° 刻度周期內高達 0.09°）
? 新一代產品： 用于提供冗余信號的多層薄型傳感器
? 高電磁抗擾性
? 電子器件可以放置得遠離感測區域，無需保護

缺點
? 傳統 Incoder： 由于采用線軸而且尺寸較大，沒有冗余測量
? 新一代產品： 成本因素
? 不適合低速測量（輸出信號取決于頻率）
? 易受氣隙變化影響

應用領域
? 監視和控制安全相關位置（機械制造、工廠工程、公路和越野車輛）
? 儲存和裝卸技術
? 發動機和車輪速度傳感器，柴油噴射泵，凸輪軸傳感器
? 感應式發動機轉速表（曲軸頻率傳感器）

霍爾傳感器

工作原理

霍爾效應傳感器對磁場高度敏感。 可用于線性和旋轉測量以及速度和方向感測。 這些傳感器的主要組件是霍爾集成電路 (IC) 和永磁體。 霍爾效應基于薄型半導體芯片。 如果這樣的載流板被電感 B（永磁體）垂直穿透，電荷載體會受到垂直于磁場的洛倫茲力而偏轉。 外部電源提供的電流 I 從其原本的直線路徑偏轉。 因此，可以探測到在載流板兩個相對邊緣點之間的電流方向上出現的電壓 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，永久磁體產生的磁場就會受到影響。 尤其是用于速度感測時，目標車輪和氣隙的規格需要與霍爾傳感器兼容。

因此，霍爾傳感器在運行中會接收由外部電源供應的連續電流。 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處理的集成電子器件。 與電感這種物理現象截然不同，霍爾效應在穩態條件下發生。 如果磁場在一段時間內保持恒定，霍爾集成電路的輸出電壓也會保持不變。

優點
? 完全固態，無活動部件，無摩擦造成的磨損
? 幾乎無限的使用壽命（達十億次運行）
? 高速運行 – 可超過 100kHz
? 采用固定式輸入（零速）運行
? 工作溫度范圍廣（-40 至 +150°C）
? 運行可高度重復
? 尺寸小（在體積上適合其他電磁傳感器因太大而無法裝入的應用）
? 耐用性： 不受沖擊和振動的影響，高度耐受潮濕和環境污染
? 可以探測磁場方向及其大小
? 成本效益高
? 不同類型產品提供數字、模擬或可編程輸出
? 可選擇 2、3 或 4 線配置

缺點
? 這些傳感器對靜電放電敏感，來自周圍環境（例如電線）的磁通量可能導致感測結果不準確
? 只能處理直流負載
? 需要連續消耗電流
? 需要集成電路

應用領域
? 可成功用于惡劣環境，例如汽車變速箱內部、鉆孔下方的油井鉆探設備中
? 車輪和車軸的速度，例如速度測量、內燃機點火正時、防抱死制動系統
? 在直流電機中探測永磁體的位置
? 電廠/風電： 渦輪機轉速
? 越野車輛轉向和踏板系統的角度傳感器
? 電動自行車 ABS 系統和速度測量

光學編碼器

工作原理

光學傳感器通常稱為編碼器和增量位置傳感器，用于角度和線性測量。 它們也適用于速度感測。 主要組件是一個 LED 光源、一個帶有參考標記的旋轉光盤以及一個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或照射在光盤光柵上。 光電傳感器測量由此產生的光線，并自動轉換為數字輸出。

優點
? 旋轉編碼器可實現每轉 50-5,000 次計數
? 精確安裝可實現高精確度
? 傳感器重量輕
? 使用壽命達 80k – 100k 小時
? 不易受鐵磁材料影響

缺點
? 在惡劣環境中，當鏡頭或光盤被水、灰塵或切屑等異物遮蓋時，測量可能會失敗。
? 易受沖擊影響
? 即將發生故障時很少或不發出警告
? 工作溫度范圍有限（最高 70°C）

應用領域
? 位置以及速度和方向測量
? 在良好環境中需要每轉高計數的應用
? 適合存在鐵磁性材料的環境/應用

磁簧開關

工作原理

磁簧開關由貝爾實驗室于 1930 年代發明， 在十年之內即廣泛用作電子和測試設備中的位置傳感器。 與本文中提及的其他傳感器相比，磁簧開關只能探測目標的最終位置。它可以對一段時間內的開關操作進行計數，因此也可以用作速度傳感器。 磁簧開關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。 這兩根鎳鐵絲各有一端呈扁平狀而形成“簧片”。 簧片的兩個末端精確對齊，并有少量重迭。 玻璃管充滿惰性氮氣。 簧片受到外部磁場作用時充當磁通量導體。 在觸點間隙處會形成極性相反的電極，當磁力超過簧片彈力時，兩個觸點閉合。 當外部磁場減弱，使簧片之間的電磁引力小于簧片的還原彈簧力時，兩個觸點分離。

優點
? 零功耗（無需外部電源）
? 使用壽命通常為數百萬次
? 成本效益高
? 完全密封： 不受灰塵/微粒、水和濕氣的影響
? 磁簧開關有多種尺寸可選，具有不同的安培匝數以及 與磁鐵距離和磁鐵尺寸相關的磁滯
? 開關電源： 可處理交流和直流負載，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 200°C

缺點
? 超過約 20 克時易受振動/沖擊的影響
? 機械應力會導致靈敏度發生變化
? 速度測量僅限于 1kHz 以下的運行
? 數字輸出（只探測最終位置）

應用領域
? 位置感測（運動的最終位置，只有數字輸出）
? 速度測量（對開關操作進行計數）
? 繼電器應用（電子儀器應用）
? 汽車和運輸（制動液傳感器，前燈和尾燈，后視鏡控件，碰撞安全感測，輪胎壓力監控，氣頂探測）
? 智能住宅（安全系統，白色家電，暖通空調和管道）
? 安全和安保（火警，門傳感器，窗戶傳感器，酒店安保）
? 醫療、電信、測試和測量應用

總結
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出不同特性，因此沒有萬能的傳感器解決方案。 具體選擇始終取決于相應的應用領域。 下表對位置和速度傳感器的幾種關鍵性能指標進行大致比較。 該評估基于上述各傳感器類型的標準傳感器。