時(shí)間:2020-12-04 11:47:42來源:傳感器選型專家
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(jiān)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(shí)實(shí)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(jī)的換相,電機(jī)通常有三個(gè)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(jià)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(shí)際物理位置。電機(jī)不需要霍爾,只有在運(yùn)動范圍超過一轉(zhuǎn)的情況下,才需要對旋轉(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??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(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”,因此分辨率越高,抖動越小。分辨率對低速時(shí)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(jì)算信號比率來獲得無限分辨率。此技術(shù)稱為插值。實(shí)際上,sin/cos信號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)問題,并且可能會受到偏心率,直線度和平面度等機(jī)械誤差的影響。傳感器誤差包括基音(線性)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信號保真度的變化。精密機(jī)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(shí)的測量位置范圍??芍貜?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(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(jī)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(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/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(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,但電位計(jì)(“電位器”)仍廣泛用于低端應(yīng)用中。電位計(jì)測量觸點(diǎn)沿電阻軌道滑動時(shí)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(gè)簡單的設(shè)備將花費(fèi)幾分錢,而更高精度的設(shè)備則可能花費(fèi)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(jì)理論上具有無限分辨率,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;簡單;緊湊;輕便。可以做到準(zhǔn)確
弱點(diǎn):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(xì)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(qiáng)度成比例的電壓。當(dāng)傳感器相對于刻度移動時(shí),電壓呈正弦變化。將第二個(gè)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(yùn)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))。控制器檢測每個(gè)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(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(qiáng)大的解決方案。相控陣編碼器不是每個(gè)通道的離散檢測器,而是具有檢測器陣列,因此每個(gè)通道都被多個(gè)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(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,定義設(shè)備的空位置。透射編碼器的絕對版本包含多個(gè)軌跡,光源和傳感器,它們完全確定了旋轉(zhuǎn)中的位置。通過將一個(gè)圓盤機(jī)械傳動到第二個(gè)圓盤,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(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(gè)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(shí)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(gè)數(shù)量級。由于正弦和余弦信號的保真度,可以進(jìn)行高插值,從而以高精度產(chǎn)生納米分辨率??紤]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(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)編碼器的絕對技術(shù)
上面顯示的絕對比例具有類似于條形碼的多個(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度或周長。照相機(jī)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(shí)間(獲得閱讀的時(shí)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(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,每對索引由唯一數(shù)量的行分隔。在啟動時(shí),有必要引起運(yùn)動,以便檢測到兩個(gè)索引。在此過程中,將對增量軌道上的行數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。使用查找表可以確定絕對位置。缺點(diǎn)是在確定絕對位置之前需要移動。
優(yōu)點(diǎn):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(diǎn):環(huán)境堅(jiān)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(shí),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(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。施加的磁場在電荷載流子上施加一個(gè)力(洛倫茲力),使它們分開以產(chǎn)生電勢差。霍爾傳感器產(chǎn)生的電壓取決于磁場垂直分量的強(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。來自每個(gè)軌道的讀數(shù)的組合用于確定絕對位置。
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(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(gè)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(xì)安裝。
優(yōu)點(diǎn):緊湊;低功率。
弱點(diǎn):環(huán)境堅(jiān)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(gè)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(gè)軸向轉(zhuǎn)子繞組在兩個(gè)軸向信號繞組中感應(yīng)出一個(gè)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(jìn)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(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)具有無與倫比的堅(jiān)固性,因?yàn)樵O(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(gè)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(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(gè)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(gè)sin/cos周期的主要RX磁道定義了絕對位置。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(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(diǎn):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(jiān)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。
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