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角位移传感器的特点和工作原理介绍

发表时间:2024-03-25 11:37
角度传感器的定义
角度传感器是一种可以测量物体转动角度的传感器,由敏感元件、信号处理电路及外部结构组成。它能将旋转轴承转动角度等转化为电信号输出,以便于控制系统进行计算处理,实现相应的运动控制及自动化操作。

角度传感器的工作原理

角度传感器的工作原理很简单,它采用了一些敏感元件来感知转动轴承的位置变化,如霍尔元件电容传感器、光电传感器等。当物体发生转动时,敏感元件所检测到的信号也随之变化,最终以数字或模拟信号的形式输出给相应的控制系统处理。

角度传感器的作用

角度传感器广泛应用于各种机电自动化控制系统中,如机床、工业自动化装备、汽车、仪器仪表等领域。它可以实现对转动角度、转速、转向等参数的精确测量和控制,从而为电机控制、运动控制等提供了重要的技术基础及数据支持。

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角位移传感器的分类

01

磁敏角位移传感器
磁敏感角度传感器采用高性能集成磁敏感元件,利用磁信号感应非接触的特点,配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传感器。
特点:无触点、高灵敏度、接近无限转动寿命、无噪声、高重复性、高频响应特性好。
优点
1、磁钢位置未对准自动补偿;
2、故障检测功能;
3、非接触位置检测功能,是满足苛刻环境应用需求的理想选择。
应用领域:
1、工业机械、工程机械建筑设备、石化设备、医疗设备、航空航天仪器仪表、国防工业等旋转速度和角度的测量。
2、汽车电子脚踩油门角位移,方向盘位置,座椅位置,前大灯位置;
3、自动化机器人,运动控制,旋转电机转动和控制。
传统的拉线式位移传感器采用电位器式位移传感器,它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是,为实现测量位移目的而设计的电位器,要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连,物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值,阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压,把电阻变化转换为电压输出。传统的拉线式位移传感器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯变化,其输出特性亦呈阶梯型。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件,则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。同时,电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损、分辨力差、阻值偏低、高频特性差,从而导致测量精度的下降。它的优点是:结构简单,输出信号大,使用方便,价格低廉。
基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器以磁场为传输载体,将位移变换转换为磁场角度位移,同时,通过通信接口将位移信号返回给应用系统。
基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器的功能是将拉线的机械位移换成可以计量、记录或传送的电信号,主要由自动回复弹簧、轮毂、磁铁以及数据处理单元等部分构成,结构如下图所示。
由上图可以看出,该基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器主要由6部分组成,改变传统的拉线式位移传感器接触式、易磨损、高频特性差等缺点,基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器以磁场为媒介,将机械位移变化转化为磁场角度变化,一方面解决传统拉线位移传感器的接触方式,另一方面减少了磨损、提高了系统高频特性,从而确保位移检测精度。数据处理运算器,用于对接收到的磁敏角度信号通过数学模型运算为拉线的位移信号。通信接口,通过通信接口与应用系统的设备进行通信,接收来自应用系统设备的命令并将采集到的位移信号反馈给应用系统。从而提高了数据采集精度、稳定性和可靠性,降低了位移传感器的应用门槛。各个部件功能描述如下:1、拉线的钢绳缠绕在轮毂上,轮毂与一个磁铁连接在一起,当拉线产生位移的时候,带动轮毂的转动,轮毂的转动造成与轮毂的轴连接的磁铁转动,从而磁铁的磁场产生一个变化的角度。拉线运动发生的时候,自动回复弹簧确保拉线具备一定的张力,确保拉线的位移与磁敏角度的比例关系。2、磁敏角度感应器与磁铁安装在同一中心轴,用来感应磁铁角度的变化,选用一种微处理器,该处理器读取磁敏角度信息,并通过建立数学模型,将磁敏角度运算为拉线的位移。3、通讯接口,微处理器通过通信接口接收来自应用系统的命令并将位移信息通过通信接口返回给应用系统。
硬件接口电路
数据处理单元由磁敏角度感应器、微处理器单元、通信接口以及输出模块,具体的功能框如图所示。

通过分析,磁敏角度感应器将拉线位移所导致的磁铁磁场转动的角度转换为磁敏角度。微处理器单元选用32位嵌入式ARM用于对接收到的磁敏角度数据进行处理,完成磁敏角度数据的接收,由于接收到的是磁场转换的角度,所以通过建立数学模型,结合轮毂的直径等因素,将磁敏角度换算为拉线的位移。


02

电容式角位移传感器
电容式角位移传感器用于测量固定部件(定子)与转动部件(转子)之间的旋转角度,因其具有结构简单,测量精度高,灵敏度高,适合动态测量等特点,而被广泛应用于工业自动控制。

一般来说,电容式角位移传感器由一组或若干组扇形固定极板和转动极板组成,为保证传感器的精度和灵敏度,同时避免因环境温度等因素的改变导致介电常数、极板形状等的间接变化,进而对传感器性能产生不利影响,对传感器的制作材料、加工工艺以及安装精度提出了较高要求,为了克服电容角位移传感器的局限性,国内外科学工作者进行了长期的大量研究工作,其主要思想方法是将传感器设计成差动结构。

传感器系统原理框图如图所示:


由敏感元件、测量电路、智能部件与接口部件构成,敏感元件的结构所示如图1,测量部件由选择单元、激励源和电荷检测单元组成;智能部件由I/O单元、A/D单元、滤波单元、角度计算单元等组成;接口部件由电流输出单元、RS232通讯单元等组成。敏感元件检测反映角度位置的电容值,是传感器的初始转换单元,测量单元采用了先进的抗杂散微小电容检测电路,将电容值转换为电信号,智能部件的主要功能是通过比例式算法计算出角位移量,最后由接口部件输出角度计算结果。



03

倾角传感器
倾角传感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器,倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
倾角传感器基本原理
理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用,那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
随着MEMS技术的发展,惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用,现在的MEMS加速度计有非常高的集成度,即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。
倾角传感器把MCU,MEMS加速度计,模数转换电路,通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据,让人们更方便的使用它。其特点是:硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考,基准面可被再次校准。数据方式输出,接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。


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