第六章位置和运动传感器现代线性数字集成电路被广泛应用于位置和运动传感器领域，结合线性和数字功能的完全集成技术，产生了符合成本效益的解决方案，这解决了过去使用昂贵的电子机械技术的问题。

这些系统被用于很多应用场合包括：机器人、计算机辅助生产、工业自动化、航天电子技术和汽车制造。

本节概述线性和旋转位置传感器及其相关调节电路。

介绍了在交流电机控制领域相关知识，一个关于数模混合集成电路融合的有趣应用。

在最后讨论了一下微感应器。

位移传感器（LVDT）LVDT是用来测量直线距离精确和可靠的方法，LVDT被广泛用于现代机床、机器人技术、航天电子技术以及电脑制造业。

在第二次世界大战结束之前，在过程控制领域LVDT作为传感器件已经得到了广泛认可，因此它被大量应用在飞机、水雷和武器系统上。

1946年Herman Schaevitz出版了《The Linear Variable Differential Transformer》，这使读者清楚的认识到LVDT的特点和应用。

如图6.2，LVDT是一种把位置信号转换成电信号的传感器，它的输出和可动磁芯的位置相对应。

可动磁芯在一个变压器内直线移动，这种变压器由一个中心的初级线圈和两个外围的二次线圈组成并以圆筒形式缠绕。

初级绕阻由一个交流电压源驱动（通常几千赫兹），诱导次级线圈随组件内磁芯位置的变化而变化。

磁芯通常制作成螺纹，这是为了便于连接到非磁性杆上，非磁性杆依次依附在用于测量位移或运动的对象上。

二次绕阻相互之间相反缠绕，并且当磁芯集中在两个二次绕阻中心时两者电压相反，净输出电压为零。

当磁芯移动偏离中心时，当磁芯朝向二次绕阻移动时电压会增加，相反移动时电压会减小。

其结果是输出一个与位置成线性变化的差动电压。

在设计范围内移动，通常为0.5％或更好的线性度是优良的。

这种LVDT 提供良好的精度、线性度、灵敏度、无限的分辨率，以及运转无摩擦和耐用性。

不同的传感器有各种各样的测量范围，通常从100um±。

典型的激励电±到25cm压范围从1V到24V RMS，频率从50Hz到20kHz。

在图6.3中给出了Schaevitz E100的主要参数。

需要注意的是，由于两个绕阻和漏感之间失配，当磁芯在中心位置时真正的零电位不会出现。

此外，仅仅测量输出电压out V 不能分辨零电位点时磁芯所在的位置。

如图6.4所示，该信号调节电路解决了这些困难，其中两个输出电压的绝对值相减。

使用这种技术，中心位置的正反两方面变化都能够测量出来。

虽然二极管/电容型整流器可以作绝对值电路，如图6.5所示的更精密的整流器具有更好的精确性和线性。

输入施加到在V/I 转换器，该转换器又驱动一个模拟乘法器。

差分输入信号被比较器探测到，比较器的输出和V/I 转换器输出信号通过模拟乘法器得到输出信号。

最终输出的是输入的绝对值的一个精确副本。

该电路很容易被集成电路设计理解和现代双极型工艺容易实现。

如图6.6所示，行业标准的AD598（简化形式）的LVDT 信号调整器执行了所有必要的LVDT 信号处理。

芯片上的激励频率振荡器通过一个外部电容可以把频率设置为20Hz 到20kHz 。

后边带有滤波器的两个绝对值电路用于检测的A 和B 信道输入的振幅，然后比率函数[][]/A B A B -+由模拟电路生成。

需要注意的是，假设LVDT 的输出电压振幅的总和保持恒定的操作范围内，这个函数与初级绕组激励电压的振幅是相互独立的。

对于大多数LVDT 通常情况是这样的，但是用户应经常检查制造商，如果在LVDT 数据表中没有标明，那还需要注意这种方法还需要一个5线的LVDT 。

AD598激发电压由单个外部电阻器设置，约1V RMS-24V RMS 。

驱动能力为30mA RMS 。

由于电路没有由相移或绝对信号幅度的影响，AD598在300英尺的电缆的端部可以驱动一个LVDT 。

对于6mA 负载，位置输出out V 的范围为11v ，它可以驱动高达1000英尺的电缆。

A V 和B V 输入可以低至100mV RMS 。

AD698和AD598的LVDT 信号调节器有着类似的规格（见图6.7），但信号处理略有不同。

需要注意的是AD698对4线的LVDT 操作，并使用同步解调。

A 和B 信号处理器分别都是由绝对值函数和滤波器组成。

A 的输出除以B 的输出形成最终信号，它是比率式并与激励电压的幅值是独立的。

请注意，在AD698中LVDT 的次级电压的总和不是恒定不变的。

AD698也可以用于一个半桥式（自耦变压器类似）的LVDT ，如图6.8所示。

在这种布置中，整个次级电压被施加到B 的处理器，而中心抽头的电压被施加到A 处理器。

半桥式LVDT 不会产生零电压，/A B 代表磁芯行程范围。

应当指出，LVDT 的概念可以应用在旋转的形式中，在那种情况下，该设备被称为旋转可变差动传感器（RVDT ）。

轴是相当于LVDT 的磁芯，并且，变压器的绕组被缠绕在组件的固定的部分上。

然而，RVDT 在一个相对窄的转动范围是线性的，是不能够测量一个完整的360°旋转。

虽然能连续旋转的，但典型的RVDT 在零位位置（0°）大约±40°左右的范围内是线性的。

当输入电压在3V 范围内频率为400Hz 到20kHz ，典型的灵敏度为2至3mV 每伏每旋转1°。

轴心和传感器上都已经标记了零电位点所在的位置。

霍尔效应磁性传感器如果在一个有电流流过的导体（或半导体）有一个垂直于电流流动的磁场存在，那么电流和磁场的组合将产生一个垂直于两个场的电压（参见图6.9）。

这种现象被称为霍尔效应，E.H.Hall 在1879年发现的。

电压H V 被称为霍尔电压。

H V 是电流密度、磁场、和导体的电荷密度和载流子迁移率的函数。

霍尔效应可以用于测量磁场（因此可用于非接触式电流测量），但是常见的应用是在移动传感器上，这其中，一个固定的霍尔传感器和一个小磁铁连接到一个移动部分可以取代凸轮，这与可靠性的很大改善相关。

（凸轮会有磨损和接触弧或者变脏，但是磁铁和霍尔传感器不接触并不存在此现象。

）由于V正比于磁H场而非磁场的变化率，比如感应传感器，霍尔效应提供了一个比电感传感器更可靠更低速的传感器。

尽管有数种材料能用于霍尔传感器，硅材料有信号调理电路可以集成在同一芯片上作为传感器的优点，CMOS工艺在该应用中很常见。

一个简单的旋转速度检测器，可用霍尔传感器、一个增益级和一个比较器制作，如图6.10所示。

正如在汽车应用中，该电路被设计成检测旋转速度。

它能对场中很小的变化有反应，并且比较器具有内置的滞后以防止振荡。

有几家公司生产这样的霍尔开关，并且它们的应用很广泛。

还有很多其他的用途，尤其在汽车油门、踏板、悬架和阀门位置感测上，这其中磁场的线性表示是必要的。

AD22151是一个线性磁场传感器，它的输出电压正比于垂直施加于包装顶部表面的磁场（见表3.11）。

AD22151结合了集成大量霍尔元件的技术和调理电路，以尽量减少硅霍尔元件温度漂移特性。

它的架构最大化了单片实现的优势，同时允许足够的多功能性，以最低数量的外部元件满足各种应用要求。

主要功能包括使用斩波运算放大器和一个内置的温度传感器抵消动态零点漂移。

设计+5V专用电源供电，低失调和增益漂移，使得它可以工作在超过40C+︒的范围。

温度补偿（通过外部电阻器R1-︒至150C设置）可以容纳一些磁性材料，这些磁性材料通常应用于位置传感器。

输出电压范围和增益能通过外部电阻可以容易地设置。

典型的增益设置范围为从2mV/Gauss到6mV/Gauss。

输出电压可以从完全双极性（可逆）实际操作到完全单极磁场感应范围内调整。

极间输出电压动态范围（+0.5V至+4.5V），能够对大电容负载提供1毫安电流。

在所有配置中，输出信号正比于正电极。

光学编码器在最流行的位置测量传感器中，光学编码器在相对低可靠和低分辨率应用中有用途。

一个增量式光学编码器（图6.12左手图）是一个分为交替透明和不透明的扇区的盘，一个光源被放置在盘的一侧，一个光传感器在另一侧。

当光盘旋转时，检测器输出交替地切换：开或关，这取决于出现在光源和检测器之间的传感器是透明的或不透明的。

因此，编码器产生一个方波脉冲流，当计数时，这个方波脉冲流指示轴的角位置。

可用的编码器分辨率（每张光盘的透明和不透明的扇区数）的范围从100到65,000，接近30弧秒（每旋转1/43,200）的绝对精度。

大多数的增量编码器在主源和传感器的某一个角度上设有一个第二光源和传感器，以指示的旋转方向。

很多编码器也有一个第三光源和检测器来感应每一次旋转的标记。

没有某种格式的公转标记，绝对的角度很难确定。

一个潜在的严重劣势是在一个给定的旋转中，增量编码器需要额外的计数器来确定绝对角度。

如果电源突然关闭或者由于噪声或碟片脏造成编码器错过了一个脉冲，那么所得的角度信息将是错误的。

绝对光学编码器（图6.12右手边的图）克服了这些劣势，但是价格更贵。

绝对光学编码器的碟片被分成N个扇区（所示的例子N=5），并且每个扇区沿其N 个径向长度进一步划分为不透明和透明的扇区，形成一个唯一的最大能计21N比特数字字。

这个数字字通过每个扇区数值的增长从一个扇区到另一个扇区径向形成，通常采用格雷码。

也可以用二进制编码，但是如果一个单位比特被传感器错误地感应就会能产生很大的错误。

格雷编码克服了这个缺陷：当格雷编码转换成二进制编码后，由任何单比特格雷码错误产生的最大错误仅仅是1个最低有效位。

一组N个光传感器对应N比特与光盘的绝对角位置对应的数字字。

工业光学编码器实现高达16位分辨率，它是绝对精度接近的分辨率（20弧秒）。

绝对和增量式光学编码器在恶劣环境中都可能遭受损害。

解析器和同步器机床和机器人制造商已经越来越多地转向解析器和同步器以提供精确的角度和旋转信息，这些设备在工业要求的小尺寸、长期可靠性、绝对位置测量、高精度和低噪声运行上都很出色。

一个典型的同步器和解析器的图表如图6.13所示，同步器和解析器都采用围绕内固定定子旋转的单绕组转子。

在一个简单的同步的情况下，所述定子具有三个成120°角的绕组，它们最终都和Y极电连接。

解析器不同于固定变压器，因为它只有两个成90°角分布的线圈。

由于同步传感器有三个成120°角的绕组，他们比解析器制造要困难得多，因此更加昂贵。

现在，同步器正在减少使用，尤其是在某些军事和航空电子改进应用程序中。

相反，现代的解析器是采用了变压器去耦合从定子到转子的信号的无刷形式。

该变压器的第一绕组的驻留在定子上，第二绕组的驻留在在转子上。

其他解析器使用更传统的刷子或滑环，把信号耦合到转子绕组上。

无刷解析器比同步器更坚固，因为没有刷会被破坏或去除，一个无刷解析器的使用寿命仅仅受限于它的轴承。