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位置传感技术及ZETTLEX编码器

2019-05-22 13:42阅读：

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位置传感器输出一个信号(通常是电信号)，它与沿测量路径的位移成正比。
位置传感技术及ZETTLEX编码器
图1 旋转和直线传感器
位置传感器都可以被划分为绝对式，或者增量式。增量式传感器的输出只有在位置改变时才会改变。绝对式传感器的输出与所测量的真实位置成正比，无论是静止，还是运动。判断传感器是绝对式的还是增量式的一个好测试方法是考虑电源上电时会发生什么，如果有一个真实的位置信号输出，但没有任何运动，那它就是一个绝对式传感器。

1. 位置测量基础知识

首先给出下列定义：
· 仪器的准确性是衡量其输出准确性的一种方法
· 仪器的分辨率是在测量位置上可测量的最小增加量或减少量
·
位置测量仪器的精度，是指它的重复精度
· 位置测量仪器的线性度，是测量传感器输出与实际位移之间的偏差
为了理解准确度和重复精度之间的区别，我们可以通过对目标靶的射箭来解释。准确度就指箭头距离靶心的距离。
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图2 准确的射击(左)和精确的射击(右)
如果射出许多箭，那么重复精度就指箭簇的大小。如果所有的箭头聚集在一起，则认为这个箭簇是精确的，或者，换句话说，是高度可重复的。
一个具备极佳线性度的位置传感器，同时也是非常准确的。对于大多数应用来说，可以认为线性度和准确度是等同的。
那么，这就很简单了，只要每次都指定非常准确的测量仪器，你就可以了吗？不幸的是，这种方法存在很大的问题。首先，高准确度的测量仪器总是昂贵的；其次,高准确度的测量仪器可能需要仔细而精密的安装，可能在有些场合不切实际，因为存在振动、不同的热膨胀系数，还有最可能的成本因素；第三，某些类型的高准确度、高精度测量仪器比较脆弱，可能在恶劣的环境下可能出现故障或失效。
最优策略是指定什么才是需要的—不多不少。例如，在一个工业流量计的位移传感器中，线性度不是一个最关键的要求，因为流体的流动特性有可能是高度非线性的。更有可能的，在变化的环境条件下，重复精度和稳定性才是最关键的要求。需要注意的是，在许多工程应用中，分辨率和重复精度往往比线性度更重要。
再如，在数控机床上，准确度和重复精度可能是关键的要求。因此，具有高准确度（高线性度）、高分辨率、高重复精度的位置传感器，即使长时间处于肮脏、潮湿环境中而不需要维护，才是最关键的要求。

2. 位置传感器常见类型

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。
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图3 位置传感器用于军事和国防应用
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。

2.1 电位计

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，线性度可达到小于0.01%。
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。
优势: 低成本；结构简洁；重量轻；制造精度高。
 劣势： 易磨损；耐振动差；对外来物敏感；不适合苛刻温度环境。
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图4 典型单圈电位计

2.2 光电式位置传感器

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。
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图5 光学传感器利用光学圆盘测量角度
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。
如果编码器采用是玻璃编码盘，该编码器只有有限的抗冲击能力。
优势: 高分辨率；精密安装可得到良好准确度；广泛应用。
 劣势: 对外来物体敏感；失效前无任何征兆；耐冲击差；不适合极端温度。

2.3 电容式位置传感器

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。
优点: 结构简单；低功耗。
 缺点: 温度和湿度漂移系数大；对外部物质进入很敏感；安装公差要求严格。

2.4 传统感应式位置传感器

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。
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图8 传统的感应传感器安全可靠，赢得了极佳的声誉
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。
然而，由于绕绕变压器的结构，它们往往体积大，价格昂贵。
优点: 高准确度；高可靠；坚固牢靠；适合苛刻环境；使用广泛。
 缺点: 价格昂贵，体积、重量大。

2.5 新一代感应式编码器IncOder

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。
印制绕组技术有如下特殊优势：
· 生产成本、尺寸和重量大幅降低
· 结构形式上更大的灵活性
· 消除了传统感应式传感器绕线过程中的不准确性
· 可实现复杂的几何图形测量，如曲线、二维和三维位置测量
· 采用多层印制电路板可将多个传感器集成在一起（安全相关应用冗余传感器）
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图9 新一代感应式编码器IncOder
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。
优点: 高准确度；高可靠；坚固牢靠；多种几何尺寸形状；结构简单；重量轻。
 缺点: 价格贵于电位计。

3. 如何确定位置传感器

在为项目选择位置传感器时，第一步，也是最重要的一步是，完全弄清楚什么才是需要的，特别是传感器分辨率、重复精度和线性度。过多地指定这些特性会导致不必要的开销。诀窍在于找到一个以最小总成本为目的的传感器—记住在分析中要考虑对现场出现故障的允许程度。
您可以使用以下检查列表来确保您已经考虑了规格数据中的所有重要内容。将此信息提供给一个位置传感器供应商，并提供一个有体积尺寸要求的机械图纸，这将为您的讨论提供一个坚实的基础。
1. 几何形式 – 例如，直线型，旋转型，曲线型，2D，3D
2. 外形尺寸– 机械固定点，电缆布置，外形尺寸
3. 测量类型– 增量式，绝对式
4. 测量全行程– 例如360°，或600mm
5. 分辨率 – 必须测量的最小变化，比如0.1°，或0.2mm
6. 重复精度 – 即回到相同的点时测量的稳定性，例如，重复精度=+/-0.025mm
7. 线性度 – 与完全准确的读数之间的最大允许偏差。您可能需要仔细考虑这个问题，因为我们经
 常发现，对于许多应用来说，最重要的是重复精度。
8. 工作和储存温度范围– 最典型的，-40~+85°C
9. 电源 – 例如，5V，12V或24V
10. 电信号输出– 例如串行数据，A/B脉冲，0-10V，4-20mA
11. 其它特殊要求

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