常见位置传感器类型

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。

北京优利威 | 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。

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。

北京优利威 | 典型单圈电位计

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。

北京优利威 | 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。

3 磁位置传感器

磁传感器都使用类似的测量原理：当永磁体与磁探测器有相对移动时，磁场的变化与它们的相对位移成比例。一种常见的形式是Hall效应传感器，可以制造成芯片形式。它们常用于汽车和电动机的应用场合，性能适中。

北京优利威 | Hall效应传感器是最常见的磁传感器

磁传感器克服了许多与光电编码器有关的缺陷，因为它们对外来物质更有容忍性。然而，这些传感器很少被用于高准确度要求的应用，这是由于磁滞效应，以及运动和静止部件之间的精密机械加工的影响。应仔细研究任何磁传感器数据表中的安装公差、温度系数和工作温度指标。

更进一步，要考虑磁性材料或电缆的接近。永磁体可能吸引一些外部杂质，传感器失效的一个因素就是杂质碎屑随时间的累积。

在有恶劣冲击的环境中，通常不选择磁传感器，因为当今的NdFeB永磁体众所周知的脆性。

优点： 非常坚固牢靠；大多数液体没有影响。

缺点: 温漂；滞环；不适合高准确度应用；对附近导磁材料、直流磁场敏感；耐冲击能力差。

4 磁致伸缩位置传感器

这种传感器利用一种特殊的现象，叫做“磁致伸缩”。这种现象存在于一些材料中，当磁铁靠近材料时，它会使沿着材料传递的能量发生反射。位置可以从能量脉冲沿着磁致伸缩材料来回移动的时间来测量，磁致伸缩材料通常是一条细线或一条带。

几乎所有的磁致伸缩传感器都是直线传感器，因为精细的磁致伸缩带必须小心地安装在壳体内，比如铝型。壳体使得磁致伸缩传感器不受磨损和寿命问题的影响，适用于高压应用场合，比如液压油缸。

每一个传感器，与精密的外壳组合后，都需要由制造商来校准，这使得磁致伸缩传感器相对昂贵。对飞逝时间的一些影响因素，该技术很敏感，最明显的就是对温度的敏感。

磁致伸缩数据表中的标称准确度指标通常是在恒定温度条件下的，因此，设计工程师需要利用给出的温度系数来计算实际能达到的准确度。

微小的磁致伸缩材料非常精细，其长度两端的支架至关重要。最终的结果是，磁致伸缩传感器不应被选择用于严酷的冲击/振动环境中。

优点: 坚固牢靠；适合高压环境应用；长度增加，准确度提高。

缺点: 相当昂贵；不耐冲击；温漂大；短量程准确度低(<100mm)。

北京优利威 | 磁致伸缩位置传感器

5 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。

我在传感器、自动化和电子产品领域工作了近30年。我还没有遇到一个设计工程师，他对他选择的电容式位置传感器很满意。电容式传感器在经验丰富的工程师中名声不佳，不太可能被选用在与安全相关的场合中。一些制造商已经不再提及“电容式”，取而代之的是使用诸如电荷存储、电荷耦合或电效应之类的替代术语来混淆视听。这种做法很不好，因为有太多的可能性传感器要出错，除非你是在高度稳定和临床应用中进行高精度的测量，否则最好避使用电容式位置传感器。

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。

6 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。

北京优利威 | 传统的感应传感器安全可靠

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。

7 新一代感应式编码器IncOder（北京优利威）

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：

北京优利威 | 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。

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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