位置傳感器簡介及類型說明

位置傳感器在電子設備中廣泛應用。在Electronics Hub網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傳感器的內容，其他類型的傳感器將來在進行匯總。

簡 介

位置傳感器通過檢測目標是否存在，方位，速度，運動或者距離來保障運動控制、計數、或者編碼任務的完成。

位置傳感器可以用于檢測目標的位置，電磁場的波動并將這些物理參數轉換成輸出電信號來提供目標位置信息。

隨著技術的發展，傳感器的體積、價格越來越小，性能越來越高，為很多應用提供了便利。

位置傳感器的類型

根據傳感器檢測方式的不同，可以將位置傳感器分為以下兩大類：

接觸類型位置傳感器

非接觸類型位置傳感器

征象類型名稱所表明的那樣，接觸性的傳感器有著和被檢測物相互接觸的物理點，此類傳感器包括有：極限開關，基于電阻的位置傳感器。接觸類型的位置傳感器 一般價格較低，并未應用中 允許物理接觸點存在。

非接觸類型的位置傳感器與被檢測物之間沒有物理接觸點。他們一般是基于靜態磁場檢測的傳感器、接近開關、霍爾傳感器、超聲傳感器、激光傳感器等等。

每種類型的位置傳感器都有各自的優缺點。針對特定應用選擇滿足需求，而且價格便宜的傳感器。

基于電阻的位置傳感器、電位器

電阻類型的位置傳感器，有時也被稱為電位器，或者位置轉換器。他們最初是為軍事應用而開發的，廣泛應用在在收音器、電視機或者控制面板調節旋鈕中。電位器有直線型和旋轉類型。

電位器工作時無需額外的電源和電路支撐，所以它們是無源器件。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，它的電阻隨著滑動端的位置不同而變化。應用電路使用它的一個固定端和滑動端。

多圈電位器

用于分壓器時是電位器真正的用途。輸出的參考電壓是通過阻性元器件分壓而得。根據串聯電阻分壓定理，根據輸出電壓便可以反過來獲得滑動端的物理位置。

電位器用作位置傳感器場合很多。它有兩個固定端和一個滑動端，滑動端通過機械傳動軸與外界相連。運動模式可以是線性運動，或者是旋轉運動。當滑動端移動時，會改變它與兩個固定端的電阻值。輸出電壓通常與滑動端的位移成比例，或者滑動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，包括有旋轉和線性兩大類，用于位置傳感器的時候，它的滑動通常與被檢測物體相連。

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

當參考電壓是12V時，輸出信號的范圍就是0~12V。如果輸出電壓是6V，表明滑動端正處于兩個固定端中間的位置。

下圖表明電位器的結構：

一個便宜的電位器便足可以完成位置檢測的目的。它的優點包括：價格低廉，應用原理簡單，易于使用，電磁抗干擾性能好等。

缺點是由于滑動最終會有磨損，測量靈敏度低，精度差。它的物理尺寸也限制了位置檢測范圍以及輸出信號的范圍。

用于角度測量的電位器的測量范圍一般在2400至3300°，通過微調機械結構可以實現多圈測量的能力。

下圖是一個簡單位置傳感器的應用電路：

它包括有一個運算放大電路和電位器位置傳感器，輸出電壓反映了滑動端的位置。

電位器中電阻帶通常使用碳膜，它會在輸出電阻值中疊加有接觸噪聲，噪聲是有滑動端在電阻膜表面運動時產生的，通常會造成5%的電阻變化。

電位器中也會使用繞線電阻。這是由一條細長電阻金屬線，或者纏繞的金屬絲。這種繞線電位器會產生階躍輸出對數信號。

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，它們是由導電塑料阻抗材料。在滑動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的使用壽命。這種類型的角度傳感器有單圈和多圈，它們應用在游戲控制桿、工業機器人中這些需要精度高的場合。

電容位置傳感器

電容位置傳感器是非接觸類型的位置傳感器，可以測量目標的精確位置，但需要被測量物體能夠導電。如果被測物體不導電，則可以用于測量被測物體的厚度，或者密度。

在對導電物體測量時，輸出信號與物體材料無關，因為所有導體對于電容傳感器來講都是一樣的電極。這種傳感器主要用于磁盤驅動器，半導體技術以及高精度工業測量中，傳感器的精度和頻率響應要求都很重要。

當用于測量非導體時，電容位置傳感器用于檢測標簽、涂層厚度監測、紙張或者膠片厚度測量單元。

他們最初用于測量線性位移距離，范圍從幾個毫米到幾個納米。電容傳感器利用電導率這個電氣性質完成測量。物體存儲電荷的能力被稱之為電容量。常用到的電荷儲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、介電系數成正比，與電極之間的距離成反比。所以當電極之間的距離改變時，電容容量也發生改變。電容傳感器就是利用了這個性質完成位置檢測的。

電容容量為：

C = (εrεoA) / d

其中：

εr是電容器中電介質的相對介電常數 εo真空絕對介電常數 A是電極相對重合面積 d是電極之間的距離

典型的電容位置傳感器包括有兩個金屬電極，中間靠空氣作為電介質。傳感器的一個電極是金屬板，靠被檢測物體導電性來作為電容的另外一個電極。

當在導體極板之間施加電壓時，電場在極板間建立，兩個極板分別存儲正、負電荷。

電容傳感器通常使用交變電壓，這使得極板上的電荷持續改變極性。通過測量兩個極板之間的電容量來檢測目標位置改變，這通常是通過交變電壓來實現的。

電容量是由極板面積、電介質的介電常數以及極板距離決定的。在絕大多數電容傳感器中，極板的面積、介電常數都不會改變，只有距離會影響電極和目標之間的電容容量。

所以，電容量可以顯示目標的位置。通過校正可以使得電容位置傳感器輸出電壓信號與檢測極板與目標之間的距離成線性關系，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部分：檢測區域、保護層、外殼。

檢測區域被施加電壓。這其中會產生一個問題，也就是會在檢測區域之外，被檢測物體上會產生擴散電場。為了減少這種現象影響，增加了一個保護層。它在檢測區域的兩端邊緣都施加與檢測區域相同的電動勢，由此會阻止檢測區域中的電場外漏。其它檢測區外部的導體只會與保護層之間形成電場，這不會干擾檢測區域內目標與檢測區之間的電場。

由于保護層的存在，使得檢測區域的電場呈現圓錐形狀。檢測電極發出的電場在被檢測物上投射區域比檢測區域面積大了30%。所以，被檢測物上至少要有比傳感器檢測區域大30%的直徑區域，這一點對于傳感器標準校正很關鍵。

電容傳感器測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更近，才能夠獲得所需的電容量。探頭與檢測物體之間的最大距離不超過傳感區域直徑的40%。超過它，傳感器就無法再使用了。

在一些使用多個電容位置傳感器的的場合，同步各個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是絕緣體的場合。檢測目標此時被當做電介質，它的介電常數是常量，這是傳感器工作的基礎。絕緣體，比如像塑料，它的介電常數不同于空氣。當絕緣體用在兩個電極之間，介電常數決定了兩個導體之間的電容。

用作電容器的兩個電極，一個是傳感器的探頭，一個是接地的參考導電電極。此時傳感器的輸出信號就與被檢測絕緣物體的厚度、密度以及成分有關系。

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

相比于其它非接觸類型的位置傳感器，電容距離傳感器有著分辨率高、價格便宜，與被檢測物體的材料無關。但當檢測環境非常干燥或者潮濕、傳感器探頭距離檢測目標很遠的時候，電容傳感器就不再適合了。

原文標題：位置傳感器：電位器，電容位置傳感器

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審核編輯：湯梓紅