位置传感技术研究进展

摘要：物体的准确定位是实现工业自动化生产的前提，现已经有多种位置测量方法，并已经成功地应用到了实际中。基于传统理论的位置传感器主要有电容式、电感式、电磁式等几种，这些传感器还需进一步改进，以克服测量精度低、线性度差等缺点。此外，还开发出了一些新型位置传感器，以适应特殊的需求。位移传感器同其他传感器一样，在工业自动化中越来越突现出其重要作用，同时，也对位移传感器提出了更高的要求。 关键词：定位；位置检测；位置传感器 在铁路、交通、厂矿等行业的安全监控、动态检测及自动化生产多个方面，经常要涉及到运动物体的准确定位问题。通过定位，可以实时测量出被测物体的运行状态、超限情况、走行速度及工件个数等参数，从而实现动态检测、监控及工业生产自动化。所以，在对运动物体运行过程的监测、监控中，运动物体的准确定位对于整个监测、监控系统的测量或控制误差至关重要。 对运动物体的定位可以称之为对物体位置的测量。传统位置测量有多种解决方案，但存在测量精度低、线性度差、不能适应恶劣工况等缺点，现在许多学者都致力于对传统位置传感器的改进工作，以克服上述缺点，本文对这些传感技术的研究进展进行介绍。 1 位置传感器的研究进展 1．1 电容式位置传感器 电容式位置传感器的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向传感器时，物体和传感器间介电常数发生变化，等效电容随着变化，由此，便可测量出物体的位置。这种传感器检测的物体并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 但这种电容式位置传感器的输出电流呈现出非线性的特性。为了弥补这种非线性的缺点，文献［2］改变了高容量盘（high potential plate，HPP）电容极板的形状，半个极板的半径由原来的r降低到r（1－f），另一半极板的半径增加到r（1＋f），同时，低容量盘（low potential plate，LPP）中间环的半径增加到r（1＋f）。通过改变HPP电容极板形状，可使转角位置与输出电流成正比，相对误差控制到了±0.5％以内，具有很高的精度。 尽管如此，上述传感器的绝对误差仍然达到了±2°。解决电容式位置传感器非线性问题的另一种方法是改变转子形式。直接接触式转子受稳定电荷、湿度和污染等因素影响，稳定性较差；非接触式转子可以提高传感器的可靠性，但受机械公差的误差影响较大。 文献［3］重新设计了电容式位置传感器的结构。电容 式位置传感器由3个圆盘组成：一个为带有多电极的分段盘（左边），一个为电浮动式运动转子（中间），一个为单电极的普通盘（右边）。分段盘由4个圆环组成，最内和最外层圆环是接地电极，用于降低外界带来的干扰；次外层是24个扇型极板（每个圆心角为15°），这24个扇型极板形成了6个电极，与普通盘的公共极板形成了C1～C6电容。次内层电容由3个扇型极板组成（每个圆心角为120°），与普通盘的公共极板形成了电容C7～C9。转子盘的外层圆环上开有4个输出窗口（每个圆心角为45°），电容C1～C6的值决定了转子的位置，并且，每旋转四分之一圆就重复一次，这种结构可以很有效地减低由偏心等机械问题产生的非线性。转子盘的内环上开有圆心角为120°的窗口，电容C7～C9的值决定该窗口的位置。转子的转角位置就由这9个电容值决定。采用这种结构的传感器后，测量范围扩大到了360°，精度提高到：非导体转子为±100′，导体转子为±300′。 在现实生活中，经常会测量转角度数超过360°的情况，通常的解决方法是用带一个齿轮减速的绝对转角位置测量系统，考虑到齿轮的耐久性，这种方法不是最好的。文献［4］在电容式位置传感器的基础上增加了Wiegand传感器，使得测量范围大于360°。 1．2 磁式位置传感器 1．2．1 巨磁阻式位置传感器 巨磁阻（giant magnetoresistive，GMR）效应是指流过由2个强磁层中间夹着数纳米厚导电层的电流依赖于两强磁层磁化方向。GMR式位置传感器的强磁层与物体相连，当物体移动时，强磁层的位置发生变化，导电层的磁阻跟着变化，根据测量导电层中的电流便可测量出物体的位置。 GMR一般由自由层／导电层／钉孔层／反强磁性层构成。其中，自由层可为Ni-Fe，Ni-Fe／Co，Co-Fe等强磁体材料。在其两端安置由C-Cr-Pt等永久磁体薄膜。导电层为数纳米的铜薄膜。钉孔层为数纳米的软磁Co合金。反强磁性层用5～40am的Ni-O，Ni-Mn，Mn-In，Fe-Cr-Pt，Cr-Mn-Pt，Fe-Mn等反强磁体，并加Ru／Co层的积层自由结构。这种结构的位置传感器自20世纪80年代就已在工业中应用，但恶劣的环境（如，高温、湿度等）会影响传感器的精度。 文献［5］采用AgxCo1-x合金设计了一种新型的价廉非接触式环型磁阻式位置传感器，能在恶劣的工况下工作得很好。钕铁硼永久式磁铁被安装在一个轴上，旋转位置决定了输出信号。磁阻式传感器导电层由AgxCo1-x。的极小细粒合金组成，被加工成4个环型活动臂，作为惠斯登电桥，惠斯登电桥的输出电压与磁阻值相关，也即与转角位置相关。该传感器测量敏感度达到440μV／V。 由于磁场边缘处的磁场强度不均匀，这会给测量带来误差。为提高精度，要求磁层要比导电层的尺寸大很多。为了优化磁阻式位置传感器磁铁的几何尺寸，文献［6］采用可转换磁记忆层记忆磁头的绝对位置，这使得传感器的有效尺寸与它的物理尺寸几乎接近。 1．2．2 磁致伸缩式位置传感器 基于磁致伸缩效应的位置传感器在近年来已经开始在工业中应用，但很难在恶劣的工况下使用。文献［8］采用镍合金作为传感器，研制出了价格低、非接触、线性、基于磁致伸缩效应的位置传感器。长圆管由磁致伸缩效应材料制成，作为磁致伸缩延迟存储器，其中输入励磁电流。圆管在电流产生的环型磁场和运动磁铁产生的轴向磁场的相互作用下产生了一个机械扭转，这就是著名的Wiedemann效应，与此同时，产生的2个弹性波沿相反方向以声速传播。基于反磁致伸缩效应，与其同轴的敏感线圈把圆管的旋转变换为电信号，所以，运动磁铁的位置可根据电流和电压脉冲值估计出来。电流脉冲在测量中起着至关重要的作用，文献［8］提出了2种改进电路使得测量范围为300mm时，测量最大误差为120nm；测量范围为30mm时，测量最大误差为10nm。 1．3 光电式位置传感器 光电式位置传感器是一种新型的半导体位置探测器，是一种非分割型器件。一般光电式位置测量系统由光学系统、位敏元件、前置电路、数据处理等部分构成，有的系统还有反馈执行元件。 一般说来，PSD位置测量系统比较简单，具有很好的抗杂光干扰能力和较小的位置温度系数。模拟器件具有高精度、低噪声的优点，但不适合制成集成元件。CMOS工艺具有较好的集成度，能够将测量光点的点阵列集成在一起，检测出微弱光点，现在大部分研究集中在单点和多点测量的光电式传感器的集成上。文献［9］设计了一种新型单点和轨迹检测的二维阵列位置传感器，该传感器采用标准的数字CMOS工艺将20×20点阵列集成在一个芯片上，根据xy方向的分布峰值检测得到物体的轮廓，对于直径为200μm的光点测量误差为0.9μm。 1．4 激光式位置传感器 大部分基于激光的位置测量系统，比如：测距仪和运动捕捉系统的测量原理是接收物体的反射光或直接测量光源照射到物体上的光。激光之所以被采用主要是由于它具有高密度、方向性强、单色性。 为了得到被检测光的信息，必须用传感器检测光点位置和入射角。现在通常的做法是用一个传感器检测光点位置，另一个传感器检测入射角。文献［11］根据相关原理，通过检测了2个图像传感器的峰值位置的差距，设计出了一种能同时测量光点位置和入射角度的传感器，从而达到使用一个传感器既能测量位置，又能测量入射角度的目的。传感器的形状可以采用如下3种形式之一：（1）可测量一维光点位置和角度，它由2个线性传感器构成，2个传感器的位置有微小差别，测量位置的相对误差为1.81％，角度的绝对误差为0.46°；（2）可测量二维光点位置和一维角度，测量位置的相对误差为0.89％，角度的绝对误差为1.1°；（3）可测量二维光点位置和二维角度，x和y方向的相对误差分别为3.5％和2.7％，x和y方向的角度误差分别为1.3°和1.4°。 2 展望 在现代化工业生产中，传感器的应用场合越来越多、越来越复杂，所以，对更精密、更可靠的位置传感器的需求量也越来越大。其今后的发展方向是： （1）新型位置传感技术不断涌现 除了上述基于传统理论的位移检测技术之外，现在还出现了一些新型的位置传感器，如，光纤位置传感器和气动电测位置传感器。光纤传感技术应用于位移测量，与其他机械、电子类位移传感器相比独有特点，特别是在特殊应用环境、特殊应用空间场合有广阔的应用前景。将光纤端面结构处理成球面透镜形式，可以利用特性曲线上升段为微小位移测量工作段、下降段为较大位移测量工作段。 气动电测式位置传感器是以气流为探测介质，将测量被测对象的边界参数转换成测量槽内的气流变化参数，从而解决了柔软轻薄的片状制品在迭置情况下不易测出每层的边缘或折幅的难题，且所测参数极易送计算机或类似装置进行处理。它由壳体、进气道、缓冲腔、测量槽及转芯等组成，可广泛用作布匹、纸张、皮革、塑料等片类制品的位置测量。 这些新型的位置传感器弥补了传统传感器的不足，扩展了测量范围，提高了测量精度，是很好的发展方向。 （2）集成化 位置检测环节是电机伺服驱动系统的重要组成部分。在实际应用中，转子的位置检测如果采用传统传感器，则所用传感元件的数目因相数的增加而增多，既增加了系统结构的复杂性，又给安装、调试带来了诸多不便，因此，急需开发出将多个位置传感器集成为一体的传感器。 （3）多点高速测量 在加工部件的自动检测及遥控观测等众多工业应用领域中，多点测量系统的作用日渐突出。由于这些应用中的测量时间通常很短，而且，准确度要求也很高，因而，急需开