位置傳感器與線性位置換能器

作者：EEPW 時間：2025-10-30 來源：

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位置傳感器與線性位置換能器（Position Sensor and Linear Positional Sensors）

一、引言

位置傳感器（Position Sensor） 是用于檢測物體位置、位移或運動量的換能器類型，它能夠將物理位移（線性或角度）轉換為與之成比例的電信號輸出。
這些傳感器廣泛應用于工業控制系統、機器人、汽車電子和測量儀表中，用于監測或控制物體的空間位置。

位置傳感器屬于換能器家族中的一類，其主要功能是檢測被測對象的機械運動并將其轉換為可測量的電信號。這種轉換可基于多種原理，如電阻式、電感式、電容式或光學方法。

根據測量的運動類型不同，位置傳感器可以分為：

線性位置傳感器（Linear Position Sensor）：檢測直線位移；
角度位置傳感器（Rotary Position Sensor）：檢測旋轉角度或角速度。

二、電位計式位置傳感器（Potentiometer Position Sensors）

最常見、結構最簡單的一類位置傳感器是電位計（Potentiometer）。它利用電阻分壓原理，將機械位移直接轉換為電壓變化。

當滑動觸點沿電阻元件移動時，輸出端電壓將與滑動觸點的線性位移成比例變化，因此稱為線性電位計傳感器。
若滑動臂繞軸旋轉，則構成旋轉式電位計，輸出信號與角度成比例。

工作原理：

輸入兩端加上穩定電壓源；
滑動臂位置決定輸出端電壓；
輸出電壓 $V_{out}$ 與滑動位置 $x$ 成線性關系：
$Vout=Vin×xLV_{out} = V_{in} times frac{x}{L}$
其中 $L$ 為電阻全程長度。

電位計主要特點：

結構簡單、成本低廉；
可直接輸出模擬電壓信號；
測量范圍一般小于 50 cm；
分辨率受機械結構與接觸電阻影響；
不適用于高速或長期磨損環境。

電位計式位置傳感器結構示意

potentiometer construction

(圖：Potentiometer Construction)

該裝置由固定電阻軌、滑動觸點和三端接線組成。
兩端連接電源，滑動端為輸出。滑動臂移動時，改變分壓比例，輸出端電壓隨位置線性變化。

電位計輸出特性

(圖：Potentiometer Output Characteristics)

輸出電壓—位移曲線通常接近線性。
若滑動臂在全行程內移動，輸出電壓將從 0V 變化至供電電壓（例如 5V）。
在工程應用中，通過校準可實現位移—電壓的精確對應。

三、線性可變差動變壓器（LVDT：Linear Variable Differential Transformer）

ldvt position sensor

另一種常用的線性位置傳感器是 LVDT（線性可變差動變壓器）。
LVDT 是一種電感式換能器，通過檢測鐵芯位置引起的互感變化，將機械位移轉換為電壓信號。

結構組成：

一個初級線圈（Primary Coil）；
兩個對稱布置的次級線圈（Secondary Coil 1、2）；
可移動的軟鐵芯（Core）。

當初級線圈通入交流激勵電壓后，鐵芯位置不同會導致兩組次級線圈感應電壓變化。輸出信號為兩者的差動電壓：

V_{out} = V_{S1} - V_{S2}

當鐵芯處于中心位置時，兩個感應電壓相等且極性相反，輸出為零；鐵芯向一側移動時，輸出電壓幅值與位移成正比，同時極性反映方向。

LVDT 的主要優點：

無機械接觸，壽命長；
輸出信號線性范圍寬；
分辨率高、重復性好；
適用于振動或污染環境；
可實現長行程高精度測量。

缺點：

需交流激勵電源；
成本高于電位計；
體積較大，不適合微型系統。

四、電感式與接近式位置傳感器（Inductive & Proximity Sensors）

電感式位置傳感器利用線圈與金屬目標之間的磁場變化來檢測位移或接近狀態。
當金屬目標靠近線圈時，線圈電感量因渦流效應而變化，從而引起振蕩電路頻率或幅值變化。檢測這些變化即可推算出物體位置。

這類傳感器常用于：

自動化生產線上的金屬目標檢測；
機床定位；
安全限位控制等。

五、光學位置傳感器與編碼器（Optical Position Sensors and Encoders）

在精密機械和自動控制系統中，光學位置傳感器（Optical Position Sensors） 是一種常用的非接觸檢測方式。
通過光源、編碼盤與光電探測器的組合，可以檢測物體的角度、速度或線性位移。

光學傳感器具有高分辨率、響應速度快、抗電磁干擾能力強等優點，因此被廣泛用于機器人、數控機床、伺服系統以及打印設備中。

1. 光電編碼器的基本結構（Optical Encoder Construction）

光電編碼器是一種基于光學原理的旋轉式位置傳感器（Rotary Position Sensor）。
它主要由以下部分組成：

光源（Light Source）：通常為 LED，用于產生穩定的光束；
編碼盤（Code Disk）：在圓盤上開有等間距的透光槽或不透光區；
光電檢測器（Photodetector）：如光敏二極管或光電晶體管，用于接收透射光信號。

當編碼盤隨軸旋轉時，光線周期性地被遮斷與透過，探測器輸出相應的電脈沖信號。每個脈沖代表一個角度增量。

2. 增量式光電編碼器（Incremental Encoder）

在增量式編碼器（Incremental Encoder） 中，光盤上通常刻有多個等距的透明與不透明槽。
光電探測器檢測光信號的通斷變化并輸出矩形脈沖信號。

(1) 雙通道結構

通常編碼器設有兩個光電通道 A 與 B，它們的輸出波形相差 90°電相位。
這種設計的目的是：

判斷旋轉方向；
提高分辨率。

(2) 信號輸出原理

若 A 相超前 B 相 → 表示順時針旋轉；
若 B 相超前 A 相 → 表示逆時針旋轉。

輸出脈沖數與轉動角度成比例，因而可實現角度或速度測量。
每轉輸出的脈沖總數即為編碼器的分辨率（Resolution），常見值有 360、1024、4096 脈沖/轉。

3. 增量式編碼器輸出波形

inductive proximity position sensor

(圖示：Incremental Encoder Output)

信號形式為兩路方波脈沖（A、B 相），當兩路信號組合時，可實現四倍頻檢測（即四倍分辨率）。
某些高精度系統還帶有零位信號（Z 相），用于標定初始位置。

4. 絕對式光電編碼器（Absolute Encoder）

與增量式不同，絕對式編碼器（Absolute Encoder） 通過在編碼盤上刻畫多圈光學軌跡，以唯一的二進制或格雷碼形式表示每個角度位置。
每個位置都有唯一的輸出編碼值，即使斷電后也能保持位置記憶。

(1) 工作原理

編碼盤由若干同心圓環組成，每個圓環代表一個二進制位（bit）。
光電檢測陣列同時讀取所有軌跡上的光通斷狀態，輸出并行的二進制碼，例如：

編碼軌跡	二進制輸出
0000	起始位置
0001	1號位置
0010	2號位置
0011	3號位置
...	...

當編碼盤旋轉時，輸出碼值連續變化。
例如使用 10 位編碼，可區分 $2^{10} = 1024$ 個角位置。

(2) 優點

無需計數器，可直接讀取絕對位置；
即使斷電重新上電，也能立即獲得當前位置；
抗干擾能力強，適用于安全關鍵控制系統。

(3) 缺點

成本較高，結構復雜；
輸出位數多時需并行數據總線。

5. 光學位置傳感器的應用與比較

類型	輸出形式	特點	典型應用
增量式編碼器	脈沖信號（A、B、Z 相）	結構簡單、響應快，但斷電需重新計數	工業伺服、機器人關節檢測
絕對式編碼器	二進制碼	直接輸出絕對角度，抗干擾強	精密定位、自動化檢測
光學線性編碼器	直線光柵	高分辨率、適合精密測距	CNC、三坐標測量儀

六、位置傳感器性能比較與應用選型

技術類型	測量范圍	精度	接觸方式	輸出信號	成本	典型應用
電位計式	0–50 mm	中等	接觸式	模擬電壓	低	控制旋鈕、簡單定位
LVDT	0–250 mm	高	非接觸	模擬交流	中高	工業測量、伺服定位
電感式	0–30 mm	中	非接觸	模擬電壓或頻率	中	機械設備檢測
光學編碼器	旋轉角度	極高	非接觸	數字脈沖	中高	精密伺服、自動化設備
絕對式編碼器	旋轉角度	極高	非接觸	數字二進制	高	CNC、機器人系統

七、總結

位置傳感器是連接物理運動與電子控制系統的核心部件。
從簡單的電位計到復雜的光學編碼器，各類傳感器在精度、線性度、響應速度和穩定性方面不斷演進。
在現代智能設備中，位置檢測技術正與 數字接口（SPI/I2C）、微處理器 和 AI 校準算法 深度融合，構成智能感知系統的重要基礎。

【編輯點評】

1. 技術背景與意義
位置傳感器的發展體現了自動化與精密測控技術的持續創新。從傳統接觸式測量（如電位計）到非接觸式（LVDT、光學編碼器），其核心目標始終是實現高精度與高可靠性的空間位置檢測。

2. 工程應用與創新趨勢