什么是位置传感器？位置传感器工作原理是什么？一文全部讲清楚

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昨天给大家讲了一下关于加速度传感器的知识，不知道大家有没有看到？

如果没有看到的话，可以点击下方标题，学习关于传感器方面的知识。

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这里顺带说一下，我的文章一般都是前一天晚上撰写，一般都很晚了，所以我基本都会定时在第二天

回归正题，今天给大家讲一下关于位置传感器相关的知识，主要是位置传感器工作原理 、位置传感器有哪几种类型 进行简单的讲解。

什么是位置传感器？

顾名思义，位置传感器检测物体的位置 ，也就是意味着位置传感器被引用到某个固定点或者说从某个固定的点或者位置引用，然后位置传感器提供位置的反馈 。

确定位置的一种方法是使用“距离”，如两点之间的距离，例如从某个固定点行进或移动的距离，或者使用“旋转”（角运动）。

例如，机器人轮子的旋转以确定其沿地面行进的距离。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的直线运动 ，或者使用旋转传感器检测物体的角运动 。

位置传感器实物图

位置传感器 可以以不同的方式运行：

位置传感器按其原理主要分为几种？

位置传感器工作原理

一、感应式位置传感器--线性可变差动变压器，也就是LVDT

感应式位置传感器 通过在传感器线圈中感应出的磁场特性的变化 来检测物体的位置 。

第一种是称为LVDT位置传感器或者线性可变差动变压器 。在 LVDT 位置传感器中，三个单独的线圈缠绕在空心管上。其中一个是初级线圈，另外两个是次级线圈。这三个线圈在电气上是串联的，但次级线圈的相位关系是 180°，相对于初级线圈异相。

铁磁芯或电枢放置在空心管内，电枢连接到被测量位置的物体。将激励电压信号施加到初级线圈，在 LVDT 的次级线圈中感应出 EMF。

线性可变差动变压器（LVDT位置传感器） 通过测量两个次级线圈之间的电压差 ，可以确定电枢的相对位置（以及它所连接的物体） 。当电枢在管子中精确居中时，EMF 抵消，导致没有电压输出。但是随着电枢离开零位，电压及其极性会发生变化。

所以，电压幅度及其相角用于提供信息，这些信息不仅反映了远离中心（零）位置的移动量，还反映了它的方向。

下面的图说明了线性可变差动变压器的操作，显示了电压测量值到位置指示的转换 。

LVDT 电感式位置传感器的工作原理图

LVDT 电感式位置传感器 提供良好的精度 、分辨率 、高灵敏度 ，并在整个传感范围内提供良好的线性度 ，无摩擦 。

虽然 LVDT 用于跟踪线性运动，但称为 RVDT（用于旋转电压差动变压器）的等效设备可以跟踪物体的旋转位置。RVDT 的功能与 LVDT 相同，仅在构造细节上有所不同。

一、感应式位置传感器--电感式接近传感器

电感式接近传感器 有四个主要组件；产生电磁场的振荡器，产生磁场的线圈 。当物体进入时检测磁场变化的检测电路，以及产生输出信号的输出电路 ，常闭（NC）或者常闭开（NO）触点。

电感式接近传感器实物图

电感式接近传感器 允许检测传感器头前面的金属物体，而无需检测到物体本身的任何物理接触 ，非常适合在肮脏或潮湿的环境中使用。电感式接近传感器的“感应”范围非常小，通常为 0.1 毫米至 12 毫米。

电感式接近传感器工作原理图

除工业应用外，电感式接近传感器 也常用于通过改变路口和十字路口的交通信号灯来控制交通流量 。矩形电感线圈埋入柏油路面。

当汽车或其他道路车辆经过此感应回路时，车辆的金属车身会改变回路电感并激活传感器，从而提醒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”，即它们会感应金属物体的上方、下方或侧面。此外，尽管电容式接近传感器 和超声波接近传感器 可用，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：簧片开关、霍尔效应传感器和可变磁阻传感器。

二、电容式位置传感器

电容式位置传感器 依靠检测电容值的变化来确定被测物体的位置 。电容由彼此分开的两块板组成，两块板之间有介电材料。

电容式位置传感器检测物体的位置有两种方法：

1、通过改变电容器的介电常数

2、通过改变电容器极板的重叠面积

在第一种情况 下，被测物体附着在介电材料上，其相对于电容板的位置随着物体的移动而变化。随着介电材料的移动，电容器的有效介电常数发生变化，这是由于部分区域的介电材料和其余部分是空气的介电常数的结果。这种方法提供了电容值相对于物体相对位置的线性变化。

在第二种情况 下，不是将物体连接到介电材料上，而是连接到电容板上。因此，当物体移动其位置时，电容极板的重叠区域会发生变化，从而再次改变电容值。

改变电容以测量物体位置 的原理可以应用于线性和角度方向的运动。

三、电位位置传感器

所有“位置传感器”中最常用的是电位器 ，因为它是一种便宜且易于使用的位置传感器 。它有一个与机械轴相连的触点，该机械轴的运动可以是有角度的 （旋转的）或线性的（滑块型），这会导致滑块和两个端部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道上的实际抽头位置与其电阻值之间具有比例关系。换句话说，阻力与位置成正比 。

电位器实物图

电位器有多种设计和尺寸，例如常用的圆形旋转类型或较长且扁平的线性滑块类型。当用作位置传感器时，可移动物体直接连接到电位计的旋转轴或滑块。

直流参考电压施加在形成电阻元件的两个外部固定连接上。输出电压信号取自滑动触点的抽头端子，如下图所示。

电位器结构图

电位器结构图

这种配置产生与轴位置成比例的电位或分压器类型的电路输出。然后，例如，如果在电位器的电阻元件上施加 10v 的电压，则最大输出电压将等于 10 伏的电源电压，最小输出电压等于 0 伏。

然后电位器抽头将输出信号在 0 到 10 伏之间变化，其中 5 伏表示抽头或滑块处于其中间位置或中心位置。电位器的输出信号 (Vout) 在沿电阻轨道移动时取自中心游标连接，并且与轴的角位置成正比。

简单的位置检测电路示例

简单的位置检测电路示例

虽然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：运动部件磨损、精度低、可重复性低和频率响应有限。

但是将电位计用作位置传感器有一个主要缺点。其游标或滑块的移动范围（以及因此获得的输出信号）受限于所使用的电位器的物理尺寸。

例如，单圈旋转电位器通常仅具有在 0° 和最大约 240 至 330° 之间的固定机械旋转。但是，也可提供机械旋转高达 3600 o (10 x 360° ) 的多圈锅。

大多数类型的电位器都使用碳膜作为电阻轨道，但这些类型的电位器具有电噪声（收音机音量控制上的噼啪声），并且机械寿命也很短。

四、基于涡流的位置传感器

涡流是在磁场变化的情况下发生在导电材料中的感应电流，是法拉第感应定律的结果。这些电流在闭合回路中流动，进而导致产生次级磁场。

如果线圈通过交流电通电以产生初级磁场，则由于涡流产生的次级场的相互作用，可以感应到靠近线圈的导电材料的存在，这会影响线圈的阻抗线圈。因此，线圈阻抗的变化 可以用来确定物体与线圈的距离。

涡流位置传感器 与导电物体一起工作。大多数涡流传感器用作接近传感器，旨在确定物体是否接近传感器的位置。它们被限制为位置传感器。

因为位置传感器是全向的，这意味着它们可以确定物体与传感器的相对距离 ，但不能确定物体相对于传感器的方向 。

五、磁致伸缩位置传感器

铁、镍和钴等铁磁材料表现出一种称为磁致伸缩的特性。磁致伸缩位置传感器利用当存在外加磁场时，材料会改变其尺寸或形状 这一原理来确定物体的位置 。

一个可移动的位置磁铁附在被测物体上。波导由传输电流脉冲的导线组成，连接到位于波导末端的传感器。定位磁铁产生轴向磁场，其磁力线与磁致伸缩线和波导共面。当电流脉冲沿波导向下发送时，导线中会产生一个磁场，该磁场与永磁体（位置磁体）的轴向磁场相互作用。

场相互作用的结果是一种扭曲，称为维德曼效应。这种扭曲会导致导线产生应变，从而产生沿着波导传播并由波导末端的传感器检测到的声脉冲。

由于声波将从定位磁铁所在的位置沿两个方向传播，因此在波导的另一端安装了一个阻尼装置，以吸收远离传感器传播的脉冲。传感器，使其不会导致干扰信号反射回拾取传感器。下面的图 2 说明了磁致伸缩位置传感器的工作原理。

磁阻位置传感器工作原理

就其性质而言，磁致伸缩位置传感器用于检测线性位置 。它们可以配备多个位置磁铁，以提供沿同一轴的多个组件的位置信息。它们是非接触式传感器，由于波导通常安装在不锈钢或铝管中，因此这些传感器可用于可能存在污染的应用中。此外，即使在波导和定位磁体之间存在屏障，只要屏障由非磁性材料制成，磁致伸缩位置传感器也可以工作。

磁阻位置传感器 可提供多种输出，包括直流电压、电流、PWM 信号和启停数字脉冲。

六、基于霍尔效应的磁性位置传感器

霍尔效应 指出，当薄的扁平电导体有电流流过它并置于磁场中时，磁场会影响电荷载流子，迫使它们相对于另一侧积聚在导体的一侧，以平衡磁场的干扰。

这种电荷的不均匀分布导致在导体两侧之间产生电位差，称为霍尔电压。该电势发生在横向于电流流动方向和磁场方向的方向上。

如果导体中的电流保持在一个恒定值，霍尔电压的大小将直接反映磁场的强度。

在霍尔效应位置传感器 中，被测量其位置的物体连接到容纳在传感器轴中的磁铁 。随着物体移动，磁铁的位置相对于传感器中的霍尔元件发生变化。然后，这种位置移动会改变施加到霍尔元件的磁场强度，这反过来会反映为测量的霍尔电压的变化。这样，测得的霍尔电压就成为了物体位置的指标。

七、光纤位置传感器

光纤位置传感器 使用光纤，在光纤的每一端都有一组光电探测器。光源附在被观察运动的物体上。在物体位置被引导到荧光光纤中的光能在光纤中被反射，并被发送到光纤的任一端，在那里被光电探测器检测到。

在两个光电探测器上观察到的测量光功率比的对数将是物体到光纤末端的距离的线性函数，因此该值可用于提供物体的位置信息。

八、光学位置传感器

光学位置传感器 使用两种原理之一进行操作。在第一种类型 中，光从发射器传输并发送到传感器另一端的接收器。

在第二种类型 中，发射的光信号从被监测的物体反射返回到光源 。光特性（例如波长、强度、相位、偏振）的变化用于建立关于物体位置的信息。这些类型的传感器分为三类：

基于编码器的光学位置传感器可用于线性和旋转运动。

九、超声波位置传感器

与光学位置传感器类似，超声波位置传感器发射 通常由压电晶体换能器产生的高频声波，换能器产生的超声波从被测物体或目标反射回换能器，在此产生输出信号 。

超声波传感器可以用作接近传感器，它们报告物体在传感器的指定范围内，或者用作提供测距信息的位置传感器。

超声波位置传感器 的优点 是它们可以与不同材料和表面特性的目标物体一起工作 ，并且可以比其他类型的位置传感器检测更远距离的小物体 。它们还可以抵抗振动 、环境噪声 、EMI 和红外辐射 。

以上就是关于位置传感器工作原理的解释，希望大家可以多多支持我。

图片来源于网络

如何区分这些位置传感器？看完本文你就可以区分了

一、电感式接近开关：只能检测金属物体

1. 工作原理

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。

2.工作流程方框图

术语解释

1. 检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2. 设定距离： 接近开关在实际工作中整定的距离，一般为额定动作距离的0.8倍。

3. 回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。

4. 标准检测体： 可使接近开关作比较的金属检测体。

5. 输出状态： 分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的接近开关所接通的负载，由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

6. 检测方式： 分埋入式和非埋入式。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型，可与安装的金属物件形成同一表面，非埋入式的接近开关则需把感应头露出，以达到其长检测距离的目的。

7.响应频率f： 按规定的1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的次数。

响应时间t： 接近开关检测到物体时间到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。

可用公式换算 t=1/f

8.导通压降： 既接近开关在导通状态时，开关内输出晶体管上的电压降。

以NPN型输出的接近开关为例

9.输出形式： 分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，DC二线，AC二线，AC五线（自带继电器）等几种常用的形式输出。

注意事项

1：当检测物体为非金属时，检测距离要减小，另外很薄的镀膜层也是检测不到的。

2：电感式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附。

二、电容式接近开关

1.工作原理

电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn的位置动作。

2.工作流程方框图

3.安装要求

2.高防水等级的产品均不具备灵敏度调节功能，另外其检测距离为标准值的1/2或1/3，甚至更小。

注意事项

1：电容式接近开关理论上可以检测任何物体，当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果。

2：电容式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的电容式接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使电容式接近开关长期稳定工作，由于其受潮湿、灰尘等因素的影响比较大，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有粉尘粘附。

三、红外线光电开关

红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380nm-780nm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线。

红外线光电开关（光电传感器）属于光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为

1.漫反射式光电开关

漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

引起理想漫反射的光度分布

局部较强漫反射时的光度分布

2.镜反射式光电开关

镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

3.对射式光电开关

对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。

4.槽式光电开关

槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。

5.光纤式光电开关

光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

术语解释

1.检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（光电开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

3.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。

4.输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载，由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

5.检测方式：根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式，镜反射式，对射式等。(详见工作原理说明)

6.输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，AC二线，AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

7.指向角：常见GDKG光电传感器的指向角示意图

漫反射式光电开关镜反射式光电开关对射式光电开关

8.防护等级（外壳封装）：

9.表面反射率：对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将是决定接受器接收到光线的强度大小，粗糙的表面反射回的光线必将小于光滑表面反射回的强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。常用材料的反射率参考图如下所示：

材料反射率材料反射率

白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%

10.环境特性：GDKG光电开关应用的环境亦是影响其长期工作可靠性的重要条件。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性，它终究是造成可靠性降低的最大因数，其较简便的解决方法是根据GDKG传感器的最大检测距离（Sn）降额使用来确定最佳工作距离。

四、位移传感器

1. 原理简介

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。

2. 输出特性曲线

五、霍尔开关

一、原理简介

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为

U=K·I·B/d

其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。

二、内部原理图

三、输入/输出的转移特性

术语解释

1.磁感应强度：霍尔开关在工作时，它所要求磁钢具有的磁场强度的大小。一般磁感应强度值B为0.02-0.05T。

2.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许霍尔开关动作循环的次数。

3.输出状态：分常开、常闭、锁存。例如当无检测物体时，常开型的 霍尔开关所接通的负载，由于霍尔开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

4.输出形式：分NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

5.动作距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（霍尔开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指 霍尔开关动作距离的标称值。

6.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

六、磁性开关

磁性开关与其它接近开关的特点比较

优点：

1.传感器可以整体安装在金属中。

2.传感器对并排安装没有任何要求。

3.传感器顶部（传感面）可以由金属制成。

4.传感器具有价格低廉，结构简单。

缺点：

1.动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。

2.检测体的接近方向会影响动作距离的大小

（径向接近是轴向接近时动作距离的一半）。

3.径向接近时有可能会出现两个工作点。

4.检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。

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