如何选择合适的位置传感器

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位置传感器-透射式光学编码器

透射编码器使用由LED光源照明的细光栅或“标尺”的光学扫描。旋转或线性刻度尺由透明和不透明的“线”制成,它们以50至50的占空比排列。光盘上透明区域的数量与比例尺间距相对应,比例尺间距定义了编码器的分辨率。

反射光学编码器的原理与透射编码器非常相似。反射式编码器通过从与传感器相同的一侧(相对于代码盘)发射光,并有选择地将光的一部分反射到传感器来工作。减小物理尺寸是该解决方案的明显优势。无需透射式编码器中通常需要的准直光学器件,并且LED光源与传感器在同一侧,可以大大减少编码器的总体积。分辨率和精度通常不如透射编码器。

一个相干激光源产生发散光束,该发散光束照亮印在标尺上的衍射光栅图案。使用玻璃刻度尺上的铬沉积或金属胶带刻度尺上的激光写入线来创建光栅图案。20μm的节距光栅使光发生衍射,从而产生高对比度的明暗干涉图样,直接回到检测器阵列上。本质上是增量地,通常提供第二索引/标记轨道。

衍射光会产生离散的Talbot平面干涉图。在3以上的例子RD塔尔博特平面被利用。随着标尺和检测器的相对位置发生变化,衍射图样会在检测器阵列上平移,从而导致每个检测器单元中出现正弦变化。

干扰技术需要最少的光学组件,从而可实现小尺寸传感器。在没有插值的情况下,分辨率通常比透射或反射式光学编码器高出多个数量级。由于正弦和余弦信号的保真度,可以进行高插值,从而以高精度产生纳米分辨率。考虑到设备的精度,对对准公差的要求不是很高。

此类编码器需要清洁的环境。采用相干性较低的LED光源,并与准直和滤波光学器件相结合,可显着提高抗污染能力。编码器不可避免地更大,并且通常具有更严格的对齐公差。有关更多详细信息,

优点:高分辨率,准确性,可重复性;紧凑; 适中的对准公差

弱点:Talbot飞机实施的环境坚固性。

光学编码器的绝对技术

上面显示的绝对比例具有类似于条形码的多个代码。代码位数确定唯一代码的数量,从而确定刻度尺的最大长度或周长。照相机捕获代码,随后的处理确定绝对位置。此技术会增加等待时间(获得阅读的时间)。某些编码器在初始绝对读数后恢复为增量轨道,以减少延迟。

条形码技术可能很昂贵。更具成本效益的解决方案采用了实质上是多个索引的方法。如在增量磁道上看到的那样,每对索引由唯一数量的行分隔。在启动时,有必要引起运动,以便检测到两个索引。在此过程中,将对增量轨道上的行数进行计数。使用查找表可以确定绝对位置。缺点是在确定绝对位置之前需要移动。

优点:良好的分辨率,准确性,可重复性;适中的对准公差

弱点:环境坚固性;对于真正的绝对来说可能会很昂贵。

磁性编码器

磁编码器采用多极磁道。当磁极相对于传感器移动时,传感器(霍尔效应或磁阻传感器)测量磁通量的变化。可以像在光学编码器中一样生成正弦和余弦信号。

电容式编码器基于以下原理:电容与两个带电板之间的辩证材料成正比。如图所示,在电容耦合的发射器和接收器之间会产生电场。转子以正弦形式调制电介质ԑ,从而引起电容变化。电容的变化又调制了发射器和接收器之间的电势差。采用多个调制轨道来定义绝对位置。

电容式编码器结构紧凑,功耗极低。但是,它们易于凝结和静电积聚。电容也会随温度,湿度,周围材料和异物而变化,这使得工程稳定,高精度的位置传感器面临挑战。设备的组件有很小的气隙,需要仔细安装。

优点:紧凑; 低功率。

弱点:环境坚固性;对齐公差。

解析器

旋转变压器基于电磁感应原理,一根导体中的交流电会在导体周围产生变化的磁场。该磁场可在相邻导体中感应出交流电。从一个导体到另一导体的耦合的大小取决于磁场的变化率以及导体的相对位置和几何形状。

绝对感应编码器基于与分解器相同的电磁感应原理,但使用PCB走线而不是线圈绕组。定子上的TX磁道被1-10MHz范围内的特定频率激励。该信号通过谐振LC电路感应耦合到目标中。目标磁场在定子RX磁道中感应出正弦电流。RX轨道为正弦曲线形状,可有效地幅度调制感应信号。第二个RX轨道偏移90º,则承载余弦信号。正弦/余弦信号被插值并输出为BiSS-C,SSI或某些版本的AqB信号。

定子上的RX轨迹类似于双绞线。平衡偶极效应抵消了TX轨道上变化的磁场在RX轨道中感应的电场。RX轨道仅响应目标上变化的磁场。RX轨道还可以抑制外部电磁干扰。还会根据频率和相位拒绝不希望的感应定子电流。


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