常用位置傳感器：電位器，電容位置傳感器

位置傳感器在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用。在Electronics Hub網(wǎng)站看到一篇比較全面介紹常用位置傳感器的文章，其中包括有電位器、電容位置傳感器、電感位置傳感器、LVDT（線性差變變壓器）、渦流接近傳感器、霍爾傳感器、旋轉(zhuǎn)光電編碼器、光電位置傳感器、光纖位置傳感器等。

本文先摘取前面兩個(gè)傳感器的內(nèi)容，其他類(lèi)型的傳感器將來(lái)在進(jìn)行匯總。

簡(jiǎn) 介

位置傳感器通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)是否存在，方位，速度，運(yùn)動(dòng)或者距離來(lái)保障運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)數(shù)、或者編碼任務(wù)的完成。

位置傳感器可以用于檢測(cè)目標(biāo)的位置，電磁場(chǎng)的波動(dòng)并將這些物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成輸出電信號(hào)來(lái)提供目標(biāo)位置信息。

隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器的體積、價(jià)格越來(lái)越小，性能越來(lái)越高，為很多應(yīng)用提供了便利。

位置傳感器的類(lèi)型

根據(jù)傳感器檢測(cè)方式的不同，可以將位置傳感器分為以下兩大類(lèi)：

• 接觸類(lèi)型位置傳感器
• 非接觸類(lèi)型位置傳感器

征象類(lèi)型名稱所表明的那樣，接觸性的傳感器有著和被檢測(cè)物相互接觸的物理點(diǎn)，此類(lèi)傳感器包括有：極限開(kāi)關(guān)，基于電阻的位置傳感器。接觸類(lèi)型的位置傳感器 一般價(jià)格較低，并未應(yīng)用中 允許物理接觸點(diǎn)存在。

非接觸類(lèi)型的位置傳感器與被檢測(cè)物之間沒(méi)有物理接觸點(diǎn)。他們一般是基于靜態(tài)磁場(chǎng)檢測(cè)的傳感器、接近開(kāi)關(guān)、霍爾傳感器、超聲傳感器、激光傳感器等等。

每種類(lèi)型的位置傳感器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)特定應(yīng)用選擇滿足需求，而且價(jià)格便宜的傳感器。

基于電阻的位置傳感器、電位器

電阻類(lèi)型的位置傳感器，有時(shí)也被稱為電位器，或者位置轉(zhuǎn)換器。他們最初是為軍事應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，廣泛應(yīng)用在在收音器、電視機(jī)或者控制面板調(diào)節(jié)旋鈕中。電位器有直線型和旋轉(zhuǎn)類(lèi)型。

電位器工作時(shí)無(wú)需額外的電源和電路支撐，所以它們是無(wú)源器件。電位器有兩種工作模式：分壓器和可變電阻。用作可變電阻時(shí)，它的電阻隨著滑動(dòng)端的位置不同而變化。應(yīng)用電路使用它的一個(gè)固定端和滑動(dòng)端。

多圈電位器

用于分壓器時(shí)是電位器真正的用途。輸出的參考電壓是通過(guò)阻性元器件分壓而得。根據(jù)串聯(lián)電阻分壓定理，根據(jù)輸出電壓便可以反過(guò)來(lái)獲得滑動(dòng)端的物理位置。

電位器用作位置傳感器場(chǎng)合很多。它有兩個(gè)固定端和一個(gè)滑動(dòng)端，滑動(dòng)端通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)軸與外界相連。運(yùn)動(dòng)模式可以是線性運(yùn)動(dòng)，或者是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)端移動(dòng)時(shí)，會(huì)改變它與兩個(gè)固定端的電阻值。輸出電壓通常與滑動(dòng)端的位移成比例，或者滑動(dòng)端與固定端的電阻與位移成比例。

電位器的尺寸和外觀有很多種，包括有旋轉(zhuǎn)和線性兩大類(lèi)，用于位置傳感器的時(shí)候，它的滑動(dòng)通常與被檢測(cè)物體相連。

工作室，電位器兩個(gè)固定端需要施加一個(gè)固定的參考電壓，輸出電壓從滑動(dòng)端和一個(gè)固定端輸出，輸出電壓與滑動(dòng)端的位置有關(guān)。

當(dāng)參考電壓是12V時(shí)，輸出信號(hào)的范圍就是0~12V。如果輸出電壓是6V，表明滑動(dòng)端正處于兩個(gè)固定端中間的位置。

下圖表明電位器的結(jié)構(gòu)：

一個(gè)便宜的電位器便足可以完成位置檢測(cè)的目的。它的優(yōu)點(diǎn)包括：價(jià)格低廉，應(yīng)用原理簡(jiǎn)單，易于使用，電磁抗干擾性能好等。

缺點(diǎn)是由于滑動(dòng)最終會(huì)有磨損，測(cè)量靈敏度低，精度差。它的物理尺寸也限制了位置檢測(cè)范圍以及輸出信號(hào)的范圍。

用于角度測(cè)量的電位器的測(cè)量范圍一般在2400至3300°，通過(guò)微調(diào)機(jī)械結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多圈測(cè)量的能力。

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單位置傳感器的應(yīng)用電路：

它包括有一個(gè)運(yùn)算放大電路和電位器位置傳感器，輸出電壓反映了滑動(dòng)端的位置。

電位器中電阻帶通常使用碳膜，它會(huì)在輸出電阻值中疊加有接觸噪聲，噪聲是有滑動(dòng)端在電阻膜表面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，通常會(huì)造成5%的電阻變化。

電位器中也會(huì)使用繞線電阻。這是由一條細(xì)長(zhǎng)電阻金屬線，或者纏繞的金屬絲。這種繞線電位器會(huì)產(chǎn)生階躍輸出對(duì)數(shù)信號(hào)。

高精度、低噪聲的電位器通常使用聚合物薄膜，或者金屬陶瓷帶，它們是由導(dǎo)電塑料阻抗材料。在滑動(dòng)端和薄膜表面接觸電阻很小，所以接觸噪聲低，有著很好的分辨率和長(zhǎng)的使用壽命。這種類(lèi)型的角度傳感器有單圈和多圈，它們應(yīng)用在游戲控制桿、工業(yè)機(jī)器人中這些需要精度高的場(chǎng)合。

電容位置傳感器

電容位置傳感器是非接觸類(lèi)型的位置傳感器，可以測(cè)量目標(biāo)的精確位置，但需要被測(cè)量物體能夠?qū)щ?。如果被測(cè)物體不導(dǎo)電，則可以用于測(cè)量被測(cè)物體的厚度，或者密度。

在對(duì)導(dǎo)電物體測(cè)量時(shí)，輸出信號(hào)與物體材料無(wú)關(guān)，因?yàn)樗袑?dǎo)體對(duì)于電容傳感器來(lái)講都是一樣的電極。這種傳感器主要用于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，半導(dǎo)體技術(shù)以及高精度工業(yè)測(cè)量中，傳感器的精度和頻率響應(yīng)要求都很重要。

當(dāng)用于測(cè)量非導(dǎo)體時(shí)，電容位置傳感器用于檢測(cè)標(biāo)簽、涂層厚度監(jiān)測(cè)、紙張或者膠片厚度測(cè)量單元。

他們最初用于測(cè)量線性位移距離，范圍從幾個(gè)毫米到幾個(gè)納米。電容傳感器利用電導(dǎo)率這個(gè)電氣性質(zhì)完成測(cè)量。 物體存儲(chǔ)電荷的能力被稱之為電容量。常用到的電荷儲(chǔ)能的電容器件就是平板電容器。平板電容器的容量與電極面積、介電系數(shù)成正比，與電極之間的距離成反比。所以當(dāng)電極之間的距離改變時(shí)，電容容量也發(fā)生改變。電容傳感器就是利用了這個(gè)性質(zhì)完成位置檢測(cè)的。

電容容量為：

C = （εr εo A） / d

其中：

εr 是電容器中電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εo真空絕對(duì)介電常數(shù)A是電極相對(duì)重合面積

d是電極之間的距離

典型的電容位置傳感器包括有兩個(gè)金屬電極，中間靠空氣作為電介質(zhì)。傳感器的一個(gè)電極是金屬板，靠被檢測(cè)物體導(dǎo)電性來(lái)作為電容的另外一個(gè)電極。

當(dāng)在導(dǎo)體極板之間施加電壓時(shí)，電場(chǎng)在極板間建立，兩個(gè)極板分別存儲(chǔ)正、負(fù)電荷。

電容傳感器通常使用交變電壓，這使得極板上的電荷持續(xù)改變極性。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)極板之間的電容量來(lái)檢測(cè)目標(biāo)位置改變，這通常是通過(guò)交變電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

電容量是由極板面積、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及極板距離決定的。在絕大多數(shù)電容傳感器中，極板的面積、介電常數(shù)都不會(huì)改變，只有距離會(huì)影響電極和目標(biāo)之間的電容容量。

所以，電容量可以顯示目標(biāo)的位置。通過(guò)校正可以使得電容位置傳感器輸出電壓信號(hào)與檢測(cè)極板與目標(biāo)之間的距離成線性關(guān)系，這是傳感器的靈敏度，它反映了輸出電壓變化與位置變化的比值，單位通常為 1V/微米，也就是距離每變化100微米，輸出電壓變化1V。

電容位置傳感器通常包括三個(gè)部分：檢測(cè)區(qū)域、保護(hù)層、外殼。

檢測(cè)區(qū)域被施加電壓。這其中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，也就是會(huì)在檢測(cè)區(qū)域之外，被檢測(cè)物體上會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散電場(chǎng)。為了減少這種現(xiàn)象影響，增加了一個(gè)保護(hù)層。它在檢測(cè)區(qū)域的兩端邊緣都施加與檢測(cè)區(qū)域相同的電動(dòng)勢(shì)，由此會(huì)阻止檢測(cè)區(qū)域中的電場(chǎng)外漏。其它檢測(cè)區(qū)外部的導(dǎo)體只會(huì)與保護(hù)層之間形成電場(chǎng)，這不會(huì)干擾檢測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)與檢測(cè)區(qū)之間的電場(chǎng)。

由于保護(hù)層的存在，使得檢測(cè)區(qū)域的電場(chǎng)呈現(xiàn)圓錐形狀。檢測(cè)電極發(fā)出的電場(chǎng)在被檢測(cè)物上投射區(qū)域比檢測(cè)區(qū)域面積大了30%。所以，被檢測(cè)物上至少要有比傳感器檢測(cè)區(qū)域大30%的直徑區(qū)域，這一點(diǎn)對(duì)于傳感器標(biāo)準(zhǔn)校正很關(guān)鍵。

電容傳感器測(cè)量范圍與傳感器的面積尺寸成正比。小的傳感器探頭距離目標(biāo)更近，才能夠獲得所需的電容量。探頭與檢測(cè)物體之間的最大距離不超過(guò)傳感區(qū)域直徑的40%。超過(guò)它，傳感器就無(wú)法再使用了。

在一些使用多個(gè)電容位置傳感器的的場(chǎng)合，同步各個(gè)傳感器的探頭上交流電壓非常重要。否則探頭之間的干擾就會(huì)造成有的傳感器輸出值變大，有的變小，使得輸出值變得不可靠。

電容傳感器也可以用在目標(biāo)是絕緣體的場(chǎng)合。檢測(cè)目標(biāo)此時(shí)被當(dāng)做電介質(zhì)，它的介電常數(shù)是常量，這是傳感器工作的基礎(chǔ)。絕緣體，比如像塑料，它的介電常數(shù)不同于空氣。當(dāng)絕緣體用在兩個(gè)電極之間，介電常數(shù)決定了兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容。

用作電容器的兩個(gè)電極，一個(gè)是傳感器的探頭，一個(gè)是接地的參考導(dǎo)電電極。此時(shí)傳感器的輸出信號(hào)就與被檢測(cè)絕緣物體的厚度、密度以及成分有關(guān)系。

一些高精度的電容傳感器可以測(cè)量納米級(jí)的位置變化，它們有著很高的溫度穩(wěn)定性，輸出信號(hào)的線性性以及信號(hào)的分辨率。

相比于其它非接觸類(lèi)型的位置傳感器，電容距離傳感器有著分辨率高、價(jià)格便宜，與被檢測(cè)物體的材料無(wú)關(guān)。但當(dāng)檢測(cè)環(huán)境非常干燥或者潮濕、傳感器探頭距離檢測(cè)目標(biāo)很遠(yuǎn)的時(shí)候，電容傳感器就不再適合了。

文章來(lái)源于TsinghuaJoking ，作者卓晴