培训资料(位置传感器)

1、威胜集团有限公司2014年8月30日内部资料 请勿外传12341. 位置传感器定义2. 位置传感器分类3. 位置传感器原理4. 位置传感器应用12 位置传感器（position sensor），能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。它能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器 位置传感器主要用来检测位置，反映某种状态的开、关，和位移传感器不同，位置传感器只反映被测物经过一个点的信息；这个信息是通过开关的形式转换为电信号。 位置传感器的开关，有机械式的，也有电子式的。 控制位置传感器的开关动作，有机械式的，也有电子式的；有接触式的，也有非接触式的。345 接触式位置传感器接触式位置

2、传感器的触头与被测物体接触挤压而动作。 常见的接触式位置传感器有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。 行程开关也称为限位开关、微动开关。 行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。 二维矩阵式位置传感器，可在两个方向上检测位置信息。 非接触式位置传感器位置传感器不与被测物接触，被测物体与传感器接近到设定距离时，发出“位置”信息。它无需和被测物体直接接触。 非接触式位置传感器又叫接近开关，种类繁多，主要有电磁式、光电式、差动变压器式、电涡流式、电容式、干簧管式、霍尔式等。 差动变压器式，差动变压器式传感器更多的是用于位移传感器，也可划分为接触式传感器。 电磁式接近开关，又分为有源式和无

3、源式。 霍尔式接近开关，属于半导体类接近开关。67 接触式位置传感器工作原理 行程开关：行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关外部触头时，其内部触点会动作，形成“开”或“关”的状态，通过导线的连接，施加一个电压在触点两端，从而完成开关量的输出。 带有滚轮的行程开关，具有较大的弹性空间，通过滚轮的摆动角度变化，完成行程开关量的输出。 不宜用于0.4米/分钟以下的行程速度。8 接触式位置传感器工作原理 二维矩阵式位置传感器：具有多个位置触点，一般安装于机械手掌内侧，可检测自身与某个物体的接触位置。 通过矩阵式排布的触点，能够检测到机械接触的具体位置。9 非接触式

4、位置传感器工作原理 差动变压器式位移传感器（LVDT）： LVDT传感器结构分以下几个部分：外管，内管，线圈，前后端盖，电路板，屏蔽层，出线等部分。 外管采用不锈钢制成，内管可采用不锈钢或塑料等。电路板的作用是提供LVDT的初级线圈一个激励信号，通过差动变压器原理，在次级产生的输出信号进入电路板进行信号处理，使输出信号变成标准的可被计算机或PLC使用的电压0-5V或4-20mA输出。10差动变压器式位置传感器（LVDT）特点1,无摩擦测量无摩擦测量LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT 是没有摩擦的部件。它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。 例

5、如，精密材料的冲击挠度或振动测试，纤维或其它高弹材料的拉伸或蠕变测试。2,无限的机械寿命无限的机械寿命由于LVDT 的线圈及其铁芯之间没有摩擦和接触，因此不会产生任何磨损。这样LVDT的机械寿命，理论上是无限长的。在对材料和结构进行疲劳测试等应用中，这是极为重要的技术要求。此外，无限的机械寿命对于飞机、导弹、宇宙飞船以及重要工业设备中的高可靠性机械装置也同样是重要的。3,无限的分辨率无限的分辨率LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具备两个显著的特性。第一个特性是具有真正的无限分辨率。这意味着 LVDT 可以对铁芯最微小的运动作出响应并生成输出。外部电子设备的可读性是对分辨率的唯一限制。4,零位

6、可重复性零位可重复性LVDT 构造对称，零位可回复。LVDT的电气零位可重复性高，且极其稳定。用在闭环控制系统中，LVDT 是非常出色的电气零位指示器。5,径向不敏感径向不敏感LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。这样，LVDT 可以用于测量不是按照精准直线运动的物体，例如，可把LVDT耦合至波登管的末端测量压力。6,输入输入/输出隔离输出隔离LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入（初级）和输出（次级）是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号元件。在要求信号线与电源地线隔离的测量和控制回路中，它的使用非常方便9,LVDT与光栅，磁栅，等高精度

7、测长仪器相比有以下几个优点缺点：与光栅，磁栅，等高精度测长仪器相比有以下几个优点缺点：优点：动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为1.5m/s以内，只能用于静态测量。LVDT可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用。可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压，高温，耐辐射，全密土封在水下工作。可靠性非常好，能承受冲击达150g/11ms ，振动频率2KHZ加速度20g。体积小，价格低，性能价格比高。缺点：由于LVDT传感器工作原理是差动变压器式,通过线圈绕线,对于超大行程来说(超过1米),生产难度大,传感器和拉杆之和长度将达2米以上,使用不方便

8、,且线性度也不高。11 非接触式位置传感器工作原理 电磁式位置开关：又称无触点接近开关、电感式接近开关。 电磁式接近开关（有源）：开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式的检测目的。 电磁式接近开关（无源）：这种开关不需要电源，通过磁力感应控制开关的闭合状态。当磁 或者铁质物品靠近开关磁场时，开关内部磁力线圈产生电流。这个变化的电流可以直接作为输出信号，也可以经过二极管整形后作

9、为输出信号。输出电压的高低，由线圈的匝数决定。12电磁式位置开关13 非接触式位置传感器工作原理 光电式位置传感器：利用光电效应做成的位置传感器。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后输出信号。14非接触式位置传感器工作原理霍尔接近开关霍尔接近开关霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔传感器是利用霍尔现象制成的传感器。将锗等

10、半导体置于磁场中，在一个方向通以电流时，则在垂直的方向上会出现电位差，这就是霍尔现象。将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便产生霍尔现象，从而判断物体是否到位。15霍尔接近开关霍尔接近开关16当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=KIB/d，其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场(洛伦慈力Lorrentz)的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔元件就属于这种有源磁电转换器件，是一种磁敏元件。它是在

11、霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关就是利用霍尔元件的这一特性制作的，它的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度(如B1)时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和其他传感器类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型(双极性)、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元

12、件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔接近开关霍尔接近开关17非接触式位置传感器工作原理 涡流式接近开关：涡流式接近开关：这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电（金属）物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。 基本原理：由电感线圈和电容及晶体管组成振荡器，并产生一个交变磁场，当有金属物体接近这一磁场时就会在金属物体内产生涡流，从而

13、导致振荡停止，这种变化被后极放大处理后转换成晶体管开关信号输出。18电涡流式传感器 在传感器的端部有一线圈，线圈通以频率较高（一般为1MHz2MHz）的交变电压，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出一涡流ie，而ie所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感。而耦合系数的大小又与二者之间的距离及导体的材料有关，当材料给定时，耦合系数与距离d有关，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。所以电涡流传感器一般用来测量金属表面的位移变化，也称为位移传感器。19电涡流式接近开关20非接触式位置

14、传感器工作原理21 电容式接近开关：这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以是绝缘体或绝缘体容器盛装的液体或粉状物等。非接触式位置传感器工作原理22电容式接近开关应用于检测非金属电容式接近开关应用于检测非金属当所测对象是非金属(或金属)、液位高度、粉状物高度、塑料、烟草等。则应选用电容式接近开关。这

15、种开关的响应频率低，但稳定性好。安装时应考虑环境因素的影响。干簧管式接近开关：两片端点处重叠的可磁化的簧片(通常由铁和镍这两种金属所组成的)密封于一玻璃管中，两簧片呈交迭状且间隔有一小段空隙(仅约几个微米)，这两片簧片上的触点上镀有层很硬的金属，通常都是铑和钌，这层硬金属大大提升了切换次数及产品寿命。玻璃管中装填有高纯度的惰性气体(如氮气)，部份干簧开关为了提升其高压性能，更会把内部做成真空状态。簧片的作用相当与一个磁通导体。在尚未操作时，两片簧片并未接触；在通过永久磁铁或电磁线圈产生的磁场时，外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性, 当磁力超过簧片本身的弹力时，这两片簧片会吸合导通电

16、路；当磁场减弱或消失后,干簧片由于本身的弹性而释放，触面就会分开从而打开电路。23非接触式位置传感器工作原理非接触式位置传感器工作原理24常开模式下，当有磁铁靠近干簧开关时（反之亦然）干簧片就会关闭，将磁铁移开后干簧片就会重新打开。常闭模式下，当有磁铁靠近干簧开关时干簧片就会打开，将磁铁移开后干簧片就会重新关闭。保持模式上，干簧片可能是在常开或常闭两种状态，当有磁铁靠近干簧开关时干簧片就会改变它们的形态，如果起初的形态是打开，现在就会关闭，当磁铁移开后干簧片仍会保持关闭，这时将改变了磁极性的磁铁再靠近时干簧片才会打开，将磁铁移走后干簧片仍会保持打开。此时再将磁铁的磁极反转并靠近干簧开关时开关会

17、再次关闭，而磁铁移开后仍保持关闭，于这情况下一个是保持模式传感器或是双稳态传感器。干簧管也有被叫做“磁簧管”干簧管式接近开关25干簧管式接近开关非接触式位置传感器工作原理 其它型式的位置传感器其它型式的位置传感器 微波接近开关：当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。26 电缆浮球液位开关：控制器基本部件由浮球、电缆、绳索、重锤等组成，干簧管发讯组全部内藏在密封的浮球内。干簧管置于浮球根部 ，磁环与动锤为一体，套在滑管上可自由滑动。当浮球顶部朝下时，动锤滑到浮球顶部 ，干簧管远离磁环，此时干簧管开路；当浮球根部朝下时，动锤滑到浮球根部，干簧管靠近磁环，干簧管吸合。27RFID RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，