傳感器廣泛用于自動(dòng)化和測(cè)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(jiān)固性的要求。

位置傳感器關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

增量式傳感器

僅提供位置更改信息，以便在啟動(dòng)時(shí)實(shí)際位置未知。每轉(zhuǎn)一次索引/標(biāo)記信號(hào)定義設(shè)備的零位或零位。在歸航程序中檢測(cè)到。對(duì)于無(wú)刷電機(jī)的換相，電機(jī)通常有三個(gè)磁性霍爾傳感器，為磁場(chǎng)的初步對(duì)準(zhǔn)提供粗略的絕對(duì)位置信息。增量傳感器通常體積小、精度高、性?xún)r(jià)比高。

絕對(duì)傳感器

提供一轉(zhuǎn)內(nèi)或線(xiàn)性行程范圍內(nèi)的實(shí)際物理位置。電機(jī)不需要霍爾，只有在運(yùn)動(dòng)范圍超過(guò)一轉(zhuǎn)的情況下，才需要對(duì)旋轉(zhuǎn)應(yīng)用進(jìn)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(shí)際位置。可以完全消除歸航。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(dòng)或測(cè)量的最小位置增量，通常以“計(jì)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(gè)計(jì)數(shù)之間“抖動(dòng)”，因此分辨率越高，抖動(dòng)越小。分辨率對(duì)低速時(shí)的速度波動(dòng)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)。這些信號(hào)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(guò)計(jì)算信號(hào)比率來(lái)獲得無(wú)限分辨率。此技術(shù)稱(chēng)為插值。實(shí)際上，sin/cos信號(hào)的保真度和信噪比限制了可實(shí)現(xiàn)的分辨率。

準(zhǔn)確性

定義每個(gè)測(cè)量位置與實(shí)際物理位置的距離。精度在很大程度上是系統(tǒng)問(wèn)題，并且可能會(huì)受到偏心率，直線(xiàn)度和平面度等機(jī)械誤差的影響。傳感器誤差包括基音（線(xiàn)性）的非累積隨機(jī)變化，基音誤差（斜率）的累積以及內(nèi)部sin/cos信號(hào)保真度的變化。精密機(jī)器制造商通常通過(guò)偏移量查找表來(lái)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(shí)的測(cè)量位置范圍。可重復(fù)性比絕對(duì)精度更重要。為了有效地校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差，使每個(gè)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(cè)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(jiàn)形式被封裝在帶有內(nèi)部軸承的外殼和通過(guò)柔性聯(lián)軸器連接到電機(jī)的軸上。外殼有一系列的密封等級(jí)，體積龐大模塊化裝置沒(méi)有外殼或軸承，必須內(nèi)置在機(jī)械系統(tǒng)中。它們明顯更緊湊，但可能需要一個(gè)更友好的環(huán)境，這取決于技術(shù)。

開(kāi)/關(guān)軸

對(duì)于旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，傳感器典型地位于圍繞旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的秤的圓周上的離軸。當(dāng)徑向空間受到約束時(shí)，一些實(shí)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(shì)，但電位計(jì)（“電位器”）仍廣泛用于低端應(yīng)用中。電位計(jì)測(cè)量觸點(diǎn)沿電阻軌道滑動(dòng)時(shí)的電壓降。它們有旋轉(zhuǎn)，線(xiàn)性或曲線(xiàn)形式，通常緊湊而輕便。一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)備將花費(fèi)幾分錢(qián)，而更高精度的設(shè)備則可能花費(fèi)200美元以上。通過(guò)激光修整電阻軌跡，可以使線(xiàn)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(jì)理論上具有無(wú)限分辨率，但實(shí)際上分辨率僅限于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接口和整個(gè)噪聲環(huán)境。

優(yōu)點(diǎn)：低成本;簡(jiǎn)單;緊湊;輕便。可以做到準(zhǔn)確

弱點(diǎn)：磨損;振動(dòng);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(xì)光柵或“標(biāo)尺”的光學(xué)掃描。旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性刻度尺由透明和不透明的“線(xiàn)”制成，它們以50至50的占空比排列。光盤(pán)上透明區(qū)域的數(shù)量與比例尺間距相對(duì)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(qiáng)度成比例的電壓。當(dāng)傳感器相對(duì)于刻度移動(dòng)時(shí)，電壓呈正弦變化。將第二個(gè)光檢測(cè)器異相添加90°。這涉及一半刻度線(xiàn)的位移。來(lái)自傳感器A的信號(hào)是否領(lǐng)先傳感器B或反之亦然，它定義了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。編碼器輸出可以是正弦/余弦信號(hào)，但信號(hào)通常會(huì)轉(zhuǎn)換為方波：四邊形B（四邊形與90°相移有關(guān)）。控制器檢測(cè)每個(gè)方波邊緣上的過(guò)渡，從而將編碼器分辨率有效提高4倍。

與每條線(xiàn)的寬度相比，檢測(cè)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(hào)。這種設(shè)計(jì)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(duì)圓盤(pán)參數(shù)（例如平整度，偏心率和對(duì)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(dòng)。

相控陣增量式編碼器使用固態(tài)技術(shù)來(lái)提供更強(qiáng)大的解決方案。相控陣編碼器不是每個(gè)通道的離散檢測(cè)器，而是具有檢測(cè)器陣列，因此每個(gè)通道都被多個(gè)檢測(cè)器覆蓋。這種方法可以平均光信號(hào)，從而最大程度地減少由制造誤差（例如光盤(pán)偏心率和未對(duì)準(zhǔn)）引起的變化，在降低制造公差的同時(shí)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(gè)透明線(xiàn)和獨(dú)立傳感器的附加刻度軌道。傳感器生成一個(gè)索引信號(hào)，定義設(shè)備的空位置。透射編碼器的絕對(duì)版本包含多個(gè)軌跡，光源和傳感器，它們完全確定了旋轉(zhuǎn)中的位置。通過(guò)將一個(gè)圓盤(pán)機(jī)械傳動(dòng)到第二個(gè)圓盤(pán)，可以定義多轉(zhuǎn)的位置。

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

弱點(diǎn)：笨重;模塊化設(shè)備的環(huán)境堅(jiān)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(guò)從與傳感器相同的一側(cè)（相對(duì)于代碼盤(pán)）發(fā)射光，并有選擇地將光的一部分反射到傳感器來(lái)工作。減小物理尺寸是該解決方案的明顯優(yōu)勢(shì)。無(wú)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(diǎn)：中等分辨率和準(zhǔn)確性，高重復(fù)性；成本效益高

弱點(diǎn)：環(huán)境堅(jiān)固性

一個(gè)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(xiě)入線(xiàn)來(lái)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(duì)比度的明暗干涉圖樣，直接回到檢測(cè)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(huì)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(cè)器的相對(duì)位置發(fā)生變化，衍射圖樣會(huì)在檢測(cè)器陣列上平移，從而導(dǎo)致每個(gè)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)小尺寸傳感器。在沒(méi)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(gè)數(shù)量級(jí)。由于正弦和余弦信號(hào)的保真度，可以進(jìn)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(duì)對(duì)準(zhǔn)公差的要求不是很高。

此類(lèi)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(duì)齊公差。有關(guān)更多詳細(xì)信息，

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

弱點(diǎn)：Talbot飛機(jī)實(shí)施的環(huán)境堅(jiān)固性。

光學(xué)編碼器的絕對(duì)技術(shù)

上面顯示的絕對(duì)比例具有類(lèi)似于條形碼的多個(gè)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(zhǎng)度或周長(zhǎng)。照相機(jī)捕獲代碼，隨后的處理確定絕對(duì)位置。此技術(shù)會(huì)增加等待時(shí)間（獲得閱讀的時(shí)間）。某些編碼器在初始絕對(duì)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(shí)質(zhì)上是多個(gè)索引的方法。如在增量磁道上看到的那樣，每對(duì)索引由唯一數(shù)量的行分隔。在啟動(dòng)時(shí)，有必要引起運(yùn)動(dòng)，以便檢測(cè)到兩個(gè)索引。在此過(guò)程中，將對(duì)增量軌道上的行數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。使用查找表可以確定絕對(duì)位置。缺點(diǎn)是在確定絕對(duì)位置之前需要移動(dòng)。

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

弱點(diǎn)：環(huán)境堅(jiān)固性；對(duì)于真正的絕對(duì)來(lái)說(shuō)可能會(huì)很昂貴。

磁性編碼器

磁編碼器采用多極磁道。當(dāng)磁極相對(duì)于傳感器移動(dòng)時(shí)，傳感器（霍爾效應(yīng)或磁阻傳感器）測(cè)量磁通量的變化。可以像在光學(xué)編碼器中一樣生成正弦和余弦信號(hào)。

磁阻電阻器由諸如鎳鐵的磁敏合金形成。外部磁場(chǎng)會(huì)對(duì)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(guò)傳感器陣列時(shí)，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(chǎng)在電荷載流子上施加一個(gè)力（洛倫茲力），使它們分開(kāi)以產(chǎn)生電勢(shì)差。霍爾傳感器產(chǎn)生的電壓取決于磁場(chǎng)垂直分量的強(qiáng)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(gè)傳感器和磁極數(shù)不同的磁道。來(lái)自每個(gè)軌道的讀數(shù)的組合用于確定絕對(duì)位置。

電磁編碼器堅(jiān)固耐用，結(jié)構(gòu)緊湊并且非常經(jīng)濟(jì)。但是，它們?nèi)菀资艿酱艌?chǎng)的影響，并且在附近的傳感器之間可能會(huì)發(fā)生串?dāng)_。很難產(chǎn)生細(xì)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(huì)損害可重復(fù)性。磁道比較脆，容易受到?jīng)_擊。

優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)大的;緊湊;耐受液體和非金屬污染物；同軸版本

弱點(diǎn)：溫度;磁滯易受磁場(chǎng)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(gè)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(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。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(shì)差。采用多個(gè)調(diào)制軌道來(lái)定義絕對(duì)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(huì)隨溫度，濕度，周?chē)牧虾彤愇锒兓@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(xì)安裝。

優(yōu)點(diǎn)：緊湊;低功率。

弱點(diǎn)：環(huán)境堅(jiān)固性；對(duì)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(huì)在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)可在相鄰導(dǎo)體中感應(yīng)出交流電。從一個(gè)導(dǎo)體到另一導(dǎo)體的耦合的大小取決于磁場(chǎng)的變化率以及導(dǎo)體的相對(duì)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(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出正弦電壓。然后，第二個(gè)軸向轉(zhuǎn)子繞組在兩個(gè)軸向信號(hào)繞組中感應(yīng)出一個(gè)電壓，這些信號(hào)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(duì)位置的函數(shù)，轉(zhuǎn)子有效地對(duì)定子信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制。

為了清楚起見(jiàn)，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(jìn)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(hào)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(shí)具有無(wú)與倫比的堅(jiān)固性，因?yàn)樵O(shè)備中沒(méi)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(gè)電正弦波周期，并以有限的分辨率提供絕對(duì)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(jī)械循環(huán)的比率較高，也有助于最小化機(jī)械誤差源的影響。多速旋轉(zhuǎn)變壓器不再是絕對(duì)的，而且價(jià)格更高，而且通常更笨重。

優(yōu)點(diǎn)：中等分辨率和準(zhǔn)確性；可靠;極其堅(jiān)固

弱點(diǎn)：昂貴;笨重;重。

感應(yīng)編碼器

絕對(duì)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(xiàn)而不是線(xiàn)圈繞組。定子上的TX磁道被1-10MHz范圍內(nèi)的特定頻率激勵(lì)。該信號(hào)通過(guò)諧振LC電路感應(yīng)耦合到目標(biāo)中。目標(biāo)磁場(chǎng)在定子RX磁道中感應(yīng)出正弦電流。RX軌道為正弦曲線(xiàn)形狀，可有效地幅度調(diào)制感應(yīng)信號(hào)。第二個(gè)RX軌道偏移90o，則承載余弦信號(hào)。正弦/余弦信號(hào)被插值并輸出為BiSS-C，SSI或某些版本的AqB信號(hào)。

定子上的RX軌跡類(lèi)似于雙絞線(xiàn)。平衡偶極效應(yīng)抵消了TX軌道上變化的磁場(chǎng)在RX軌道中感應(yīng)的電場(chǎng)。RX軌道僅響應(yīng)目標(biāo)上變化的磁場(chǎng)。RX軌道還可以抑制外部電磁干擾。還會(huì)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(gè)sin/cos周期的主要RX磁道定義了絕對(duì)位置。具有多個(gè)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(gè)周期（例如9個(gè)），而輔助軌跡則具有多個(gè)周期，而不是3的倍數(shù)–一個(gè)轉(zhuǎn)速內(nèi)的每個(gè)位置都由兩個(gè)唯一的讀數(shù)定義。

使用PCB走線(xiàn)與旋轉(zhuǎn)變壓器繞組相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：降低成本，尺寸和重量；形狀靈活性，包括曲線(xiàn)；消除纏繞過(guò)程中的誤差；對(duì)于安全相關(guān)應(yīng)用，可以使用多層電路板將多個(gè)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(yuǎn)程電子設(shè)備的選件進(jìn)一步提高了耐用性。360o傳感器提高了偏心誤差容限。

優(yōu)點(diǎn)：中等精度和分辨率；可靠;強(qiáng)大的;多種幾何形狀；緊湊;輕巧的

弱點(diǎn)：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(lèi)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(mǎn)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(diǎn)：在精度和尺寸方面，干涉編碼器無(wú)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(jiān)固性和中等精度的優(yōu)勢(shì)。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(shì)，特別是尺寸和重量。