位置和速度传感器类型

当今世界已经完全离不开传感器技术。 任何现代智能技术都依赖于精确的传感器技术，其中包括光学传感器、压力传感器、位置传感器、速度传感器、温度传感器以及加速度传感器。 它们的主要任务是感知环境或目标物体的各种化学特性和物理特性。 机器基于这种感知来自主运行，因此传感器的可靠性和精确度在功能安全中起着关键作用。

本文旨在总体介绍各种位置和速度传感器类型及其基本优缺点。 每种传感器都适合特定的应用领域。 下图显示了用于位置和速度测量的不同传感器的工作原理，但并非详尽无遗。

位置和速度传感器的技术规格

由于传感器的类型和版本众多，为特定应用选择合适的传感器是一个很大的挑战。 首先，工程师需要定义传感器需要满足的所有相关要求。 传感器必须完全适合特定应用，不能超规格，而且成本要最低。

传感器规格通常可细分为传感器类型、电气和机械特性以及工作条件。 由于拥有这些特性，传感器在不同应用中分别表现出优缺点。 下节将利用说明和示例来介绍几种重要的传感器规格。

传感器类型
– 测量类型： 增量或绝对
– 感测原理： 光学，磁性（霍尔、电感），机电

电气特性
– 分辨率： 可以测量到的最小变化
– 重复性： 传感器从同一起点重复完成测量的稳定性
– 精确度： 输出精确度 (%)
– 电气输出类型： 模拟/数字，串联/并联
– 电源和输出电压/电流

机械特性
– 几何： 尺寸，线性，旋转
– 可扩展性：如 360° 角、500 mm 线性测量、20kHz 频率
– 机械接口： 连接器选项，电线布置，机械固定点
– 气隙（非接触式传感器）：如 0.4-2.2 mm

工作条件
– 温度范围
– 环境因素：如灰尘/微粒、湿度、冲击、振动、气候
– 防护等级：如 IP、静电敏感性、短路强度

特选位置和速度传感器的比较

位置传感器的主要任务是感测角度或线性位移、距离、间隙、膨胀和料位水平。 作为机电传感器，电位计是德国物理学家 Johann Christian Poggendorff 于 1841 年发明的最著名也是最古老的传感器类型。 现在已经发展出多种版本和类型的电位计。 制造商随着时间推移不断优化机电传感器，以满足新应用领域的严格要求。 此外，凭借较之机电式电位计的诸多特性优势，非接触式传感器也逐渐征服了市场。 这些将在下文进行讨论。

速度和频率传感器用于测量每个时间单位移动的距离或角度。 它们的一个主要应用领域是异步驱动系统的速度控制和监视，而异步驱动系统广泛存在于各种行业，例如公路和越野车辆、能源行业、医疗行业、自动化和机械行业。 非接触式传感器没有会磨损的机械零件，使用寿命很长，因此在该市场迅速得到普及。

下节将介绍并比较特选位置和速度传感器的工作原理、应用以及优点和缺点。

电位计

工作原理

电位计利用机械滑动触点形式的电阻元件来测量线性位移或角度位移。 滑块始终与电阻路径接触。 电阻大小随着滑块移动而变化。 除机械部分外，每个电位计还需要一个外部电源，以便将机械运动转换为电信号。 输出电压取决于电阻大小，进而取决于旋转角度或移动距离。 许多电气组件制造商都可以定制和供应具有不同测量范围、输出信号和电气连接的电位计。 与测量系统基于重复和周期性分度的增量式传感器相比，电位计提供的是绝对测量数据。

优点
• 低成本（几美分，但高精度版本可能高达 200 美元）
• 安装灵活，特性灵活
• 无需内部电子组件
• 快速制作原型
• 众多制造商均可供应
• 高分辨率和精确测量（输出精度优于 1％）
• 提供冗余性，信号安全可靠
• 工作温度范围高达 250°C
• 大位移测量（最大 360°；1,500mm）

缺点
• 易磨损，尤其是在高振动环境中 （例如，公路车辆、重型设备或飞机系统）
• 电阻路径易受外类微粒（如灰尘/沙粒）的磨损（使用寿命大大缩短）
• 磨损导致使用寿命有限（平均额定寿命为 500,000 次循环）
• 不适合在液体中工作
• 不适合高加速度（滑块可能会脱离）
• 需要数字转换器，导致成本增加
• 小型化受限，可能会限制测量范围

应用领域

电位计通常很适合占空比适中和环境良好的应用。 由于机械滑块容易受到磨损和摩擦，目标应用的要求不能很严格。

电位计具有价格低廉和供应广泛的优势，而且存在许多不同的版本，因此可以在几乎每个工业领域找到它们。

电感式编码器

工作原理

电感式编码器（也称为 Incoder）是适用于线性和角度位移的非接触式速度和定位传感器。 例如，利用电磁感应原理，这种传感器可测量发动机中转子相对于定子的位置。 电感式编码器的主要组件是线轴（传统 Incoder）或基板上的印刷电路（新一代 Incoder）。 当金属目标接近电感器时，会发生磁场变化。 根据感应定律，这种传感器在双极出口之间产生电压，该电压与磁通量的时间变化成比例。 这会触发流过电感器和导线并到达输出设备的电流。 感测范围取决于目标材料的类型；黑色金属比有色金属具有更长的感测范围。 电子器件可以放置得远离感测区域，因此电感式编码器能够在恶劣环境中使用。

优点
• 在恶劣条件下也能安全可靠地工作
• 非接触，无磨损
• 多种几何形状，例如曲线、2D 和 3D 位置感测
• 适用于宽窄测量范围
• 工作温度范围高达 150°C
• 高精确度（在 360° 刻度周期内高达 0.09°）
• 新一代产品： 用于提供冗余信号的多层薄型传感器
• 高电磁抗扰性
• 电子器件可以放置得远离感测区域，无需保护

缺点
• 传统 Incoder： 由于采用线轴而且尺寸较大，没有冗余测量
• 新一代产品： 成本因素
• 不适合低速测量（输出信号取决于频率）
• 易受气隙变化影响

应用领域
• 监视和控制安全相关位置（机械制造、工厂工程、公路和越野车辆）
• 储存和装卸技术
• 发动机和车轮速度传感器，柴油喷射泵，凸轮轴传感器
• 感应式发动机转速表（曲轴频率传感器）

霍尔传感器

工作原理

霍尔效应传感器对磁场高度敏感。 可用于线性和旋转测量以及速度和方向感测。 这些传感器的主要组件是霍尔集成电路 (IC) 和永磁体。 霍尔效应基于薄型半导体芯片。 如果这样的载流板被电感 B（永磁体）垂直穿透，电荷载体会受到垂直于磁场的洛伦兹力而偏转。 外部电源提供的电流 I 从其原本的直线路径偏转。 因此，可以探测到在载流板两个相对边缘点之间的电流方向上出现的电压 U。 输出电压 U 与电感量 B 和电流 I 成正比。

一旦外部铁磁材料接近传感器，永久磁体产生的磁场就会受到影响。 尤其是用于速度感测时，目标车轮和气隙的规格需要与霍尔传感器兼容。

因此，霍尔传感器在运行中会接收由外部电源供应的连续电流。 这也是霍尔传感器被视为有源传感器的原因，而且它们需要用于信号处理的集成电子器件。 与电感这种物理现象截然不同，霍尔效应在稳态条件下发生。 如果磁场在一段时间内保持恒定，霍尔集成电路的输出电压也会保持不变。

优点
• 完全固态，无活动部件，无摩擦造成的磨损
• 几乎无限的使用寿命（达十亿次运行）
• 高速运行 – 可超过 100kHz
• 采用固定式输入（零速）运行
• 工作温度范围广（-40 至 +150°C）
• 运行可高度重复
• 尺寸小（在体积上适合其他电磁传感器因太大而无法装入的应用）
• 耐用性： 不受冲击和振动的影响，高度耐受潮湿和环境污染
• 可以探测磁场方向及其大小
• 成本效益高
• 不同类型产品提供数字、模拟或可编程输出
• 可选择 2、3 或 4 线配置

缺点
• 这些传感器对静电放电敏感，来自周围环境（例如电线）的磁通量可能导致感测结果不准确
• 只能处理直流负载
• 需要连续消耗电流
• 需要集成电路

应用领域
• 可成功用于恶劣环境，例如汽车变速箱内部、钻孔下方的油井钻探设备中
• 车轮和车轴的速度，例如速度测量、内燃机点火正时、防抱死制动系统
• 在直流电机中探测永磁体的位置
• 电厂/风电： 涡轮机转速
• 越野车辆转向和踏板系统的角度传感器
• 电动自行车 ABS 系统和速度测量

光学编码器

工作原理

光学传感器通常称为编码器和增量位置传感器，用于角度和线性测量。 它们也适用于速度感测。 主要组件是一个 LED 光源、一个带有参考标记的旋转光盘以及一个带有矩形波整形电路的光电传感器。 LED 光源生成的光束穿过或照射在光盘光栅上。 光电传感器测量由此产生的光线，并自动转换为数字输出。

优点
• 旋转编码器可实现每转 50-5,000 次计数
• 精确安装可实现高精确度
• 传感器重量轻
• 使用寿命达 80k – 100k 小时
• 不易受铁磁材料影响

缺点
• 在恶劣环境中，当镜头或光盘被水、灰尘或切屑等异物遮盖时，测量可能会失败。
• 易受冲击影响
• 即将发生故障时很少或不发出警告
• 工作温度范围有限（最高 70°C）

应用领域
• 位置以及速度和方向测量
• 在良好环境中需要每转高计数的应用
• 适合存在铁磁性材料的环境/应用

磁簧开关

工作原理

磁簧开关由贝尔实验室于 1930 年代发明， 在十年之内即广泛用作电子和测试设备中的位置传感器。 与本文中提及的其他传感器相比，磁簧开关只能探测目标的最终位置。它可以对一段时间内的开关操作进行计数，因此也可以用作速度传感器。 磁簧开关的基本型式是将两根具有铁磁性的镍铁丝密封在玻璃管内。 这两根镍铁丝各有一端呈扁平状而形成“簧片”。 簧片的两个末端精确对齐，并有少量重迭。 玻璃管充满惰性氮气。 簧片受到外部磁场作用时充当磁通量导体。 在触点间隙处会形成极性相反的电极，当磁力超过簧片弹力时，两个触点闭合。 当外部磁场减弱，使簧片之间的电磁引力小于簧片的还原弹簧力时，两个触点分离。

优点
• 零功耗（无需外部电源）
• 使用寿命通常为数百万次
• 成本效益高
• 完全密封： 不受灰尘/微粒、水和湿气的影响
• 磁簧开关有多种尺寸可选，具有不同的安培匝数以及 与磁铁距离和磁铁尺寸相关的磁滞
• 开关电源： 可处理交流和直流负载，能够从 10 纳伏切换到 10,000 伏，最大 5 安培
• 不受静电放电的影响
• 工作温度范围高达 200°C

缺点
• 超过约 20 克时易受振动/冲击的影响
• 机械应力会导致灵敏度发生变化
• 速度测量仅限于 1kHz 以下的运行
• 数字输出（只探测最终位置）

应用领域
• 位置感测（运动的最终位置，只有数字输出）
• 速度测量（对开关操作进行计数）
• 继电器应用（电子仪器应用）
• 汽车和运输（制动液传感器，前灯和尾灯，后视镜控件，碰撞安全感测，轮胎压力监控，气顶探测）
• 智能住宅（安全系统，白色家电，暖通空调和管道）
• 安全和安保（火警，门传感器，窗户传感器，酒店安保）
• 医疗、电信、测试和测量应用

总结
由于采用的物理原理各有不同，本文介绍的所有传感器都表现出不同特性，因此没有万能的传感器解决方案。 具体选择始终取决于相应的应用领域。 下表对位置和速度传感器的几种关键性能指标进行大致比较。 该评估基于上述各传感器类型的标准传感器。