位置傳感器及編碼器關(guān)鍵術(shù)語，如何選擇合適的位置傳感器

傳感器廣泛用于自動化和測量應(yīng)用中。選擇合適的傳感器的關(guān)鍵步驟是了解傳感器尺寸，分辨率，可重復(fù)性，精度，安裝約束和環(huán)境堅固性的要求。

位置傳感器關(guān)鍵術(shù)語

增量式傳感器

僅提供位置更改信息，以便在啟動時實際位置未知。每轉(zhuǎn)一次索引/標(biāo)記信號定義設(shè)備的零位或零位。在歸航程序中檢測到。對于無刷電機的換相，電機通常有三個磁性霍爾傳感器，為磁場的初步對準(zhǔn)提供粗略的絕對位置信息。增量傳感器通常體積小、精度高、性價比高。

絕對傳感器

提供一轉(zhuǎn)內(nèi)或線性行程范圍內(nèi)的實際物理位置。電機不需要霍爾，只有在運動范圍超過一轉(zhuǎn)的情況下，才需要對旋轉(zhuǎn)應(yīng)用進行歸位。傳感器通常比增量設(shè)備更大，更昂貴。

多轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)設(shè)備，傳感器可提供多轉(zhuǎn)的實際位置?？梢酝耆龤w航。多回轉(zhuǎn)設(shè)備具有內(nèi)部齒輪裝置，是最龐大，最昂貴的解決方案。

分辨率

定義可以移動或測量的最小位置增量，通常以“計數(shù)”表示。高性能伺服系統(tǒng)需要高分辨率。定位系統(tǒng)在兩個計數(shù)之間“抖動”，因此分辨率越高，抖動越小。分辨率對低速時的速度波動也有重大影響。由于速度是從位置反饋中得出的，因此，如果分辨率較低，則樣本中的數(shù)據(jù)可能不足以準(zhǔn)確得出速度。在高速下，高分辨率設(shè)備可以生成超出控制器或伺服驅(qū)動器跟蹤能力的數(shù)據(jù)速率。

插值

可以看出，許多傳感器都會產(chǎn)生正弦和余弦信號。這些信號的周期由設(shè)備固有的“螺距”定義。利用sin/cos信息，理論上可以通過計算信號比率來獲得無限分辨率。此技術(shù)稱為插值。實際上，sin/cos信號的保真度和信噪比限制了可實現(xiàn)的分辨率。

準(zhǔn)確性

定義每個測量位置與實際物理位置的距離。精度在很大程度上是系統(tǒng)問題，并且可能會受到偏心率，直線度和平面度等機械誤差的影響。傳感器誤差包括基音（線性）的非累積隨機變化，基音誤差（斜率）的累積以及內(nèi)部sin/cos信號保真度的變化。精密機器制造商通常通過偏移量查找表來校準(zhǔn)誤差。

重復(fù)性

定義當(dāng)系統(tǒng)多次返回相同的物理位置時的測量位置范圍。可重復(fù)性比絕對精度更重要。為了有效地校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差，使每個位置讀數(shù)保持一致很重要。傳感器遲滯（不同的讀數(shù)取決于測量位置的接近方向）是可重復(fù)性的重要因素。

模塊化

旋轉(zhuǎn)反饋裝置的最常見形式被封裝在帶有內(nèi)部軸承的外殼和通過柔性聯(lián)軸器連接到電機的軸上。外殼有一系列的密封等級，體積龐大模塊化裝置沒有外殼或軸承，必須內(nèi)置在機械系統(tǒng)中。它們明顯更緊湊，但可能需要一個更友好的環(huán)境，這取決于技術(shù)。

開/關(guān)軸

對于旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，傳感器典型地位于圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的秤的圓周上的離軸。當(dāng)徑向空間受到約束時，一些實現(xiàn)將傳感器定位在軸最小化的尺寸上。

電位器

盡管非接觸式傳感器有發(fā)展趨勢，但電位計（“電位器”）仍廣泛用于低端應(yīng)用中。電位計測量觸點沿電阻軌道滑動時的電壓降。它們有旋轉(zhuǎn)，線性或曲線形式，通常緊湊而輕便。一個簡單的設(shè)備將花費幾分錢，而更高精度的設(shè)備則可能花費200美元以上。通過激光修整電阻軌跡，可以使線性度小于0.01％。

電位器最適合在良性環(huán)境中具有低占空比的低性能應(yīng)用中使用。它們易受磨損和灰塵或沙粒等異物的影響。電位計理論上具有無限分辨率，但實際上分辨率僅限于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接口和整個噪聲環(huán)境。

優(yōu)點：低成本;簡單;緊湊;輕便?？梢宰龅綔?zhǔn)確

弱點：磨損;振動;污染，極端溫度。

光學(xué)編碼器–透射式

位置傳感器-透射式光學(xué)編碼器

透射編碼器使用由LED光源照明的細光柵或“標(biāo)尺”的光學(xué)掃描。旋轉(zhuǎn)或線性刻度尺由透明和不透明的“線”制成，它們以50至50的占空比排列。光盤上透明區(qū)域的數(shù)量與比例尺間距相對應(yīng)，比例尺間距定義了編碼器的分辨率。

傳感器產(chǎn)生與入射光強度成比例的電壓。當(dāng)傳感器相對于刻度移動時，電壓呈正弦變化。將第二個光檢測器異相添加90°。這涉及一半刻度線的位移。來自傳感器A的信號是否領(lǐng)先傳感器B或反之亦然，它定義了相對運動的方向。編碼器輸出可以是正弦/余弦信號，但信號通常會轉(zhuǎn)換為方波：四邊形B（四邊形與90°相移有關(guān)）?？刂破鳈z測每個方波邊緣上的過渡，從而將編碼器分辨率有效提高4倍。

與每條線的寬度相比，檢測器往往更大。在較高的分辨率下，這可能導(dǎo)致通道之間的溢出。添加與通道模式匹配的遮罩有助于清理信號。這種設(shè)計的權(quán)衡之處在于，標(biāo)尺和傳感器之間的氣隙必須非常小，對圓盤參數(shù)（例如平整度，偏心率和對準(zhǔn)）施加嚴(yán)格的規(guī)范，使設(shè)備更容易受到?jīng)_擊和振動。

相控陣增量式編碼器使用固態(tài)技術(shù)來提供更強大的解決方案。相控陣編碼器不是每個通道的離散檢測器，而是具有檢測器陣列，因此每個通道都被多個檢測器覆蓋。這種方法可以平均光信號，從而最大程度地減少由制造誤差（例如光盤偏心率和未對準(zhǔn)）引起的變化，在降低制造公差的同時提高性能。

編碼器本質(zhì)上是增量式的，通常具有一條帶有單個透明線和獨立傳感器的附加刻度軌道。傳感器生成一個索引信號，定義設(shè)備的空位置。透射編碼器的絕對版本包含多個軌跡，光源和傳感器，它們完全確定了旋轉(zhuǎn)中的位置。通過將一個圓盤機械傳動到第二個圓盤，可以定義多轉(zhuǎn)的位置。

優(yōu)點：中等分辨率；準(zhǔn)確性好；高重復(fù)性，劃算的。

弱點：笨重;模塊化設(shè)備的環(huán)境堅固性。

光學(xué)編碼器–反射式

反射光學(xué)編碼器的原理與透射編碼器非常相似。反射式編碼器通過從與傳感器相同的一側(cè)（相對于代碼盤）發(fā)射光，并有選擇地將光的一部分反射到傳感器來工作。減小物理尺寸是該解決方案的明顯優(yōu)勢。無需透射式編碼器中通常需要的準(zhǔn)直光學(xué)器件，并且LED光源與傳感器在同一側(cè)，可以大大減少編碼器的總體積。分辨率和精度通常不如透射編碼器。

優(yōu)點：中等分辨率和準(zhǔn)確性，高重復(fù)性；成本效益高

弱點：環(huán)境堅固性

一個相干激光源產(chǎn)生發(fā)散光束，該發(fā)散光束照亮印在標(biāo)尺上的衍射光柵圖案。使用玻璃刻度尺上的鉻沉積或金屬膠帶刻度尺上的激光寫入線來創(chuàng)建光柵圖案。20μm的節(jié)距光柵使光發(fā)生衍射，從而產(chǎn)生高對比度的明暗干涉圖樣，直接回到檢測器陣列上。本質(zhì)上是增量地，通常提供第二索引/標(biāo)記軌道。

衍射光會產(chǎn)生離散的Talbot平面干涉圖。在3以上的例子RD塔爾博特平面被利用。隨著標(biāo)尺和檢測器的相對位置發(fā)生變化，衍射圖樣會在檢測器陣列上平移，從而導(dǎo)致每個檢測器單元中出現(xiàn)正弦變化。

干擾技術(shù)需要最少的光學(xué)組件，從而可實現(xiàn)小尺寸傳感器。在沒有插值的情況下，分辨率通常比透射或反射式光學(xué)編碼器高出多個數(shù)量級。由于正弦和余弦信號的保真度，可以進行高插值，從而以高精度產(chǎn)生納米分辨率。考慮到設(shè)備的精度，對對準(zhǔn)公差的要求不是很高。

此類編碼器需要清潔的環(huán)境。采用相干性較低的LED光源，并與準(zhǔn)直和濾波光學(xué)器件相結(jié)合，可顯著提高抗污染能力。編碼器不可避免地更大，并且通常具有更嚴(yán)格的對齊公差。有關(guān)更多詳細信息，

優(yōu)點：高分辨率，準(zhǔn)確性，可重復(fù)性；緊湊;適中的對準(zhǔn)公差

弱點：Talbot飛機實施的環(huán)境堅固性。

光學(xué)編碼器的絕對技術(shù)

上面顯示的絕對比例具有類似于條形碼的多個代碼。代碼位數(shù)確定唯一代碼的數(shù)量，從而確定刻度尺的最大長度或周長。照相機捕獲代碼，隨后的處理確定絕對位置。此技術(shù)會增加等待時間（獲得閱讀的時間）。某些編碼器在初始絕對讀數(shù)后恢復(fù)為增量軌道，以減少延遲。

條形碼技術(shù)可能很昂貴。更具成本效益的解決方案采用了實質(zhì)上是多個索引的方法。如在增量磁道上看到的那樣，每對索引由唯一數(shù)量的行分隔。在啟動時，有必要引起運動，以便檢測到兩個索引。在此過程中，將對增量軌道上的行數(shù)進行計數(shù)。使用查找表可以確定絕對位置。缺點是在確定絕對位置之前需要移動。

優(yōu)點：良好的分辨率，準(zhǔn)確性，可重復(fù)性；適中的對準(zhǔn)公差

弱點：環(huán)境堅固性；對于真正的絕對來說可能會很昂貴。

磁性編碼器

磁編碼器采用多極磁道。當(dāng)磁極相對于傳感器移動時，傳感器（霍爾效應(yīng)或磁阻傳感器）測量磁通量的變化?？梢韵裨诠鈱W(xué)編碼器中一樣生成正弦和余弦信號。

磁阻電阻器由諸如鎳鐵的磁敏合金形成。外部磁場會對材料的磁疇施加壓力，從而改變電阻。磁阻傳感器由光刻圖案化的薄膜電阻器陣列組成。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過傳感器陣列時，電阻呈正弦變化。

霍爾傳感器由連接至電源的一層半導(dǎo)體材料（通常為p型）組成。施加的磁場在電荷載流子上施加一個力（洛倫茲力），使它們分開以產(chǎn)生電勢差?；魻杺鞲衅鳟a(chǎn)生的電壓取決于磁場垂直分量的強度。

該設(shè)備本質(zhì)上是增量式的，上面的插圖顯示了用于定義空位置的索引軌道。可以添加第二個傳感器和磁極數(shù)不同的磁道。來自每個軌道的讀數(shù)的組合用于確定絕對位置。

電磁編碼器堅固耐用，結(jié)構(gòu)緊湊并且非常經(jīng)濟。但是，它們?nèi)菀资艿酱艌龅挠绊?，并且在附近的傳感器之間可能會發(fā)生串?dāng)_。很難產(chǎn)生細間距的磁道限制分辨率。在工作溫度范圍內(nèi)，磁滯和精度變化會損害可重復(fù)性。磁道比較脆，容易受到?jīng)_擊。

優(yōu)點：強大的;緊湊;耐受液體和非金屬污染物；同軸版本

弱點：溫度;磁滯易受磁場影響；耐沖擊/沖擊。

電容編碼器

電容式編碼器基于以下原理：電容與兩個帶電板之間的辯證材料成正比。如圖所示，在電容耦合的發(fā)射器和接收器之間會產(chǎn)生電場。轉(zhuǎn)子以正弦形式調(diào)制電介質(zhì)?，從而引起電容變化。電容的變化又調(diào)制了發(fā)射器和接收器之間的電勢差。采用多個調(diào)制軌道來定義絕對位置。

電容式編碼器結(jié)構(gòu)緊湊，功耗極低。但是，它們易于凝結(jié)和靜電積聚。電容也會隨溫度，濕度，周圍材料和異物而變化，這使得工程穩(wěn)定，高精度的位置傳感器面臨挑戰(zhàn)。設(shè)備的組件有很小的氣隙，需要仔細安裝。

優(yōu)點：緊湊;低功率。

弱點：環(huán)境堅固性；對齊公差。

解析器

旋轉(zhuǎn)變壓器基于電磁感應(yīng)原理，一根導(dǎo)體中的交流電會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生變化的磁場。該磁場可在相鄰導(dǎo)體中感應(yīng)出交流電。從一個導(dǎo)體到另一導(dǎo)體的耦合的大小取決于磁場的變化率以及導(dǎo)體的相對位置和幾何形狀。

如下圖所示，定子中的5kHz（典型值）正弦參考電壓會在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出正弦電壓。然后，第二個軸向轉(zhuǎn)子繞組在兩個軸向信號繞組中感應(yīng)出一個電壓，這些信號繞組在定子上向后偏移90o。如圖所示，耦合到定子繞組中的量是轉(zhuǎn)子相對位置的函數(shù)，轉(zhuǎn)子有效地對定子信號進行幅度調(diào)制。

為了清楚起見，在上面的圖示中，轉(zhuǎn)子顯示在定子外部。定子上的徑向繞組僅與轉(zhuǎn)子上的徑向繞組相互作用。進而，轉(zhuǎn)子上的軸向繞組僅與定子上的軸向繞組相互作用。這是為了避免定子參考繞組耦合到定子信號繞組。纏繞旋轉(zhuǎn)變壓器并非易事，最終結(jié)果是設(shè)備笨重。但是，旋轉(zhuǎn)變壓器確實具有無與倫比的堅固性，因為設(shè)備中沒有電子設(shè)備或易碎部件。

旋轉(zhuǎn)變壓器有多種“速度”可供選擇。單速旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)具有一個電正弦波周期，并以有限的分辨率提供絕對位置信息。每轉(zhuǎn)可卷繞“多速旋轉(zhuǎn)變壓器”，以獲得更高的電循環(huán)次數(shù)，從而提高分辨率。電氣循環(huán)與機械循環(huán)的比率較高，也有助于最小化機械誤差源的影響。多速旋轉(zhuǎn)變壓器不再是絕對的，而且價格更高，而且通常更笨重。

優(yōu)點：中等分辨率和準(zhǔn)確性；可靠;極其堅固

弱點：昂貴;笨重;重。

感應(yīng)編碼器

絕對感應(yīng)編碼器基于與分解器相同的電磁感應(yīng)原理，但使用PCB走線而不是線圈繞組。定子上的TX磁道被1-10MHz范圍內(nèi)的特定頻率激勵。該信號通過諧振LC電路感應(yīng)耦合到目標(biāo)中。目標(biāo)磁場在定子RX磁道中感應(yīng)出正弦電流。RX軌道為正弦曲線形狀，可有效地幅度調(diào)制感應(yīng)信號。第二個RX軌道偏移90o，則承載余弦信號。正弦/余弦信號被插值并輸出為BiSS-C，SSI或某些版本的AqB信號。

定子上的RX軌跡類似于雙絞線。平衡偶極效應(yīng)抵消了TX軌道上變化的磁場在RX軌道中感應(yīng)的電場。RX軌道僅響應(yīng)目標(biāo)上變化的磁場。RX軌道還可以抑制外部電磁干擾。還會根據(jù)頻率和相位拒絕不希望的感應(yīng)定子電流。

每轉(zhuǎn)具有一個sin/cos周期的主要RX磁道定義了絕對位置。具有多個循環(huán)的輔助軌道可提高分辨率。更典型的是，主TX軌跡具有多個周期（例如9個），而輔助軌跡則具有多個周期，而不是3的倍數(shù)–一個轉(zhuǎn)速內(nèi)的每個位置都由兩個唯一的讀數(shù)定義。

使用PCB走線與旋轉(zhuǎn)變壓器繞組相比具有明顯的優(yōu)勢，包括：降低成本，尺寸和重量；形狀靈活性，包括曲線；消除纏繞過程中的誤差；對于安全相關(guān)應(yīng)用，可以使用多層電路板將多個傳感器放置在同一空間中。

PCB材料在環(huán)境上非常穩(wěn)定。遠程電子設(shè)備的選件進一步提高了耐用性。360o傳感器提高了偏心誤差容限。

優(yōu)點：中等精度和分辨率；可靠;強大的;多種幾何形狀；緊湊;輕巧的

弱點：典型的最小直徑是37毫米。

位置傳感器–技術(shù)比較

位置傳感器/位置反饋設(shè)備的比較如下所示。反射編碼器可以被認(rèn)為類似于透射編碼器。電位器屬于接觸設(shè)備，因此不包括在內(nèi)。

位置傳感器的技術(shù)比較

最終目標(biāo)是找到滿足精度，尺寸和耐用性要求的最具成本效益的解決方案。從上表中可以看出兩點：在精度和尺寸方面，干涉編碼器無疑是領(lǐng)先者；旋轉(zhuǎn)變壓器和電感式編碼器具有環(huán)境堅固性和中等精度的優(yōu)勢。如上所述，與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，電感式編碼器具有許多優(yōu)勢，特別是尺寸和重量。