常用位置传感器：电位器，电容位置传感器

　　位置传感器在电子设备中广泛应用。在Electronics Hub网站看到一篇比较全面介绍常用位置传感器的文章，其中包括有电位器、电容位置传感器、电感位置传感器、LVDT（线性差变变压器）、涡流接近传感器、霍尔传感器、旋转光电编码器、光电位置传感器、光纤位置传感器等。

　　本文先摘取前面两个传感器的内容，其他类型的传感器将来在进行汇总。

　　简 介

　　位置传感器通过检测目标是否存在，方位，速度，运动或者距离来保障运动控制、计数、或者编码任务的完成。

　　位置传感器可以用于检测目标的位置，电磁场的波动并将这些物理参数转换成输出电信号来提供目标位置信息。

　　随着技术的发展，传感器的体积、价格越来越小，性能越来越高，为很多应用提供了便利。

　　位置传感器的类型

　　根据传感器检测方式的不同，可以将位置传感器分为以下两大类：

• 　　接触类型位置传感器
• 　　非接触类型位置传感器

　　征象类型名称所表明的那样，接触性的传感器有着和被检测物相互接触的物理点，此类传感器包括有：极限开关，基于电阻的位置传感器。接触类型的位置传感器 一般价格较低，并未应用中 允许物理接触点存在。

　　非接触类型的位置传感器与被检测物之间没有物理接触点。他们一般是基于静态磁场检测的传感器、接近开关、霍尔传感器、超声传感器、激光传感器等等。

　　每种类型的位置传感器都有各自的优缺点。针对特定应用选择满足需求，而且价格便宜的传感器。

　　基于电阻的位置传感器、电位器

　　电阻类型的位置传感器，有时也被称为电位器，或者位置转换器。他们最初是为军事应用而开发的，广泛应用在在收音器、电视机或者控制面板调节旋钮中。电位器有直线型和旋转类型。

　　电位器工作时无需额外的电源和电路支撑，所以它们是无源器件。电位器有两种工作模式：分压器和可变电阻。用作可变电阻时，它的电阻随着滑动端的位置不同而变化。应用电路使用它的一个固定端和滑动端。

 

 

　　多圈电位器

　　用于分压器时是电位器真正的用途。输出的参考电压是通过阻性元器件分压而得。根据串联电阻分压定理，根据输出电压便可以反过来获得滑动端的物理位置。

　　电位器用作位置传感器场合很多。它有两个固定端和一个滑动端，滑动端通过机械传动轴与外界相连。运动模式可以是线性运动，或者是旋转运动。当滑动端移动时，会改变它与两个固定端的电阻值。输出电压通常与滑动端的位移成比例，或者滑动端与固定端的电阻与位移成比例。

　　电位器的尺寸和外观有很多种，包括有旋转和线性两大类，用于位置传感器的时候，它的滑动通常与被检测物体相连。

 

 

　　工作室，电位器两个固定端需要施加一个固定的参考电压，输出电压从滑动端和一个固定端输出，输出电压与滑动端的位置有关。

　　当参考电压是12V时，输出信号的范围就是0~12V。如果输出电压是6V，表明滑动端正处于两个固定端中间的位置。

 

 

　　下图表明电位器的结构：

 

 

　　一个便宜的电位器便足可以完成位置检测的目的。它的优点包括：价格低廉，应用原理简单，易于使用，电磁抗干扰性能好等。

　　缺点是由于滑动最终会有磨损，测量灵敏度低，精度差。它的物理尺寸也限制了位置检测范围以及输出信号的范围。

　　用于角度测量的电位器的测量范围一般在2400至3300°，通过微调机械结构可以实现多圈测量的能力。

　　下图是一个简单位置传感器的应用电路：

 

 

　　它包括有一个运算放大电路和电位器位置传感器，输出电压反映了滑动端的位置。

　　电位器中电阻带通常使用碳膜，它会在输出电阻值中叠加有接触噪声，噪声是有滑动端在电阻膜表面运动时产生的，通常会造成5%的电阻变化。

　　电位器中也会使用绕线电阻。这是由一条细长电阻金属线，或者缠绕的金属丝。这种绕线电位器会产生阶跃输出对数信号。

　　高精度、低噪声的电位器通常使用聚合物薄膜，或者金属陶瓷带，它们是由导电塑料阻抗材料。在滑动端和薄膜表面接触电阻很小，所以接触噪声低，有着很好的分辨率和长的使用寿命。这种类型的角度传感器有单圈和多圈，它们应用在游戏控制杆、工业机器人中这些需要精度高的场合。

　　电容位置传感器

　　电容位置传感器是非接触类型的位置传感器，可以测量目标的精确位置，但需要被测量物体能够导电。如果被测物体不导电，则可以用于测量被测物体的厚度，或者密度。

　　在对导电物体测量时，输出信号与物体材料无关，因为所有导体对于电容传感器来讲都是一样的电极。这种传感器主要用于磁盘驱动器，半导体技术以及高精度工业测量中，传感器的精度和频率响应要求都很重要。

 

 

　　当用于测量非导体时，电容位置传感器用于检测标签、涂层厚度监测、纸张或者胶片厚度测量单元。

　　他们最初用于测量线性位移距离，范围从几个毫米到几个纳米。电容传感器利用电导率这个电气性质完成测量。 物体存储电荷的能力被称之为电容量。常用到的电荷储能的电容器件就是平板电容器。平板电容器的容量与电极面积、介电系数成正比，与电极之间的距离成反比。所以当电极之间的距离改变时，电容容量也发生改变。电容传感器就是利用了这个性质完成位置检测的。

　　电容容量为：

　　C = （εr εo A） / d

　　其中：

　　εr 是电容器中电介质的相对介电常数εo真空绝对介电常数A是电极相对重合面积

　　d是电极之间的距离

　　典型的电容位置传感器包括有两个金属电极，中间靠空气作为电介质。传感器的一个电极是金属板，靠被检测物体导电性来作为电容的另外一个电极。

　　当在导体极板之间施加电压时，电场在极板间建立，两个极板分别存储正、负电荷。

　　电容传感器通常使用交变电压，这使得极板上的电荷持续改变极性。通过测量两个极板之间的电容量来检测目标位置改变，这通常是通过交变电压来实现的。

　　电容量是由极板面积、电介质的介电常数以及极板距离决定的。在绝大多数电容传感器中，极板的面积、介电常数都不会改变，只有距离会影响电极和目标之间的电容容量。

　　所以，电容量可以显示目标的位置。通过校正可以使得电容位置传感器输出电压信号与检测极板与目标之间的距离成线性关系，这是传感器的灵敏度，它反映了输出电压变化与位置变化的比值，单位通常为 1V/微米，也就是距离每变化100微米，输出电压变化1V。

　　电容位置传感器通常包括三个部分：检测区域、保护层、外壳。

 

 

　　检测区域被施加电压。这其中会产生一个问题，也就是会在检测区域之外，被检测物体上会产生扩散电场。为了减少这种现象影响，增加了一个保护层。它在检测区域的两端边缘都施加与检测区域相同的电动势，由此会阻止检测区域中的电场外漏。其它检测区外部的导体只会与保护层之间形成电场，这不会干扰检测区域内目标与检测区之间的电场。

　　由于保护层的存在，使得检测区域的电场呈现圆锥形状。检测电极发出的电场在被检测物上投射区域比检测区域面积大了30%。所以，被检测物上至少要有比传感器检测区域大30%的直径区域，这一点对于传感器标准校正很关键。

 

 

　　电容传感器测量范围与传感器的面积尺寸成正比。小的传感器探头距离目标更近，才能够获得所需的电容量。探头与检测物体之间的最大距离不超过传感区域直径的40%。超过它，传感器就无法再使用了。

　　在一些使用多个电容位置传感器的的场合，同步各个传感器的探头上交流电压非常重要。否则探头之间的干扰就会造成有的传感器输出值变大，有的变小，使得输出值变得不可靠。

　　电容传感器也可以用在目标是绝缘体的场合。检测目标此时被当做电介质，它的介电常数是常量，这是传感器工作的基础。绝缘体，比如像塑料，它的介电常数不同于空气。当绝缘体用在两个电极之间，介电常数决定了两个导体之间的电容。

 

 

　　用作电容器的两个电极，一个是传感器的探头，一个是接地的参考导电电极。此时传感器的输出信号就与被检测绝缘物体的厚度、密度以及成分有关系。

　　一些高精度的电容传感器可以测量纳米级的位置变化，它们有着很高的温度稳定性，输出信号的线性性以及信号的分辨率。

　　相比于其它非接触类型的位置传感器，电容距离传感器有着分辨率高、价格便宜，与被检测物体的材料无关。但当检测环境非常干燥或者潮湿、传感器探头距离检测目标很远的时候，电容传感器就不再适合了。

　　文章来源于TsinghuaJoking ，作者卓晴