在選擇位置傳感器時，需要考慮許多因素。一些例子包括：

• 位置測量可以是線性的、旋轉的或角度的，也可以是靜態的或動態的（測量速度和/或加速度）。
• 線性傳感器通常被限制在特定的測量范圍內，而旋轉傳感器通常以轉數或度數提供測量。
• 這些傳感器可以基于接觸式或非接觸式技術。接觸式傳感器通常更便宜，而非接觸式傳感器往往更可靠。
• 旋轉變壓器是一種專門的非接觸式旋轉傳感器，可以提供位置和速度反饋。
• 一些傳感器僅提供從一個點到另一個點的增量測量，而其他傳感器則提供相對于特定參考點的絕 對位置信息。           

電位位置傳感器

電位位置傳感器是基于電阻的設備，它將固定的電阻軌道與連接到需要感測位置的物體的雨刮器相結合。物體的運動使雨刮器沿軌道移動。物體的位置是用固定的直流電壓測量的，使用軌道和游標形成一個分壓器網絡，以測量線性或旋轉運動（圖1）。電位傳感器成本低，但通常精度和可重復性較低。

圖 1：用于分壓器的電位位置傳感器，可設計用于測量圓周（左）或線性（右）運動。（圖片來源：Cambridge Integrated Circuits) 

電感式位置傳感器

電感式位置傳感器利用傳感器線圈中感應的磁場特性的變化。根據其架構，它們可以測量線性或旋轉位置。線性可變差動變壓器 （LVDT） 位置傳感器使用纏繞在空心管上的三個線圈;一個初級線圈和兩個次級線圈。線圈與次級線圈的相位關系串聯，與初級線圈相差 180°。一個稱為電樞的鐵磁芯被放置在管內，并連接到正在測量其位置的物體。對初級線圈施加激勵電壓，從而在次級線圈中感應出電磁力 （EMF）。通過測量次級線圈之間的電壓差，可以確定電樞的相對位置以及它所連接的物體。旋轉電壓差動變壓器 （RVDT） 使用相同的技術來跟蹤旋轉位置。LVDT 和 RVDT 傳感器具有良好的精度、線性度、分辨率和高靈敏度。它們是無摩擦的，可以密封以在惡劣環境中使用。

渦流位置傳感器

渦流位置傳感器與導電物體一起工作。渦流是在磁場變化的情況下在導電材料中發生的感應電流。這些電流在閉合回路中流動并產生二次磁場。渦流傳感器由線圈和線性化電路組成。交流電為線圈通電以產生初級磁場。當物體離線圈越來越近或越來越遠時，可以通過渦流產生的次級場的相互作用來感應其位置，這會影響線圈的阻抗。隨著物體越來越靠近線圈，渦流損耗增加，振蕩電壓變小（圖2）。振蕩電壓通過線性化電路進行整流和處理，產生與物體距離成正比的線性直流輸出。

                                    圖 2：當目標接近傳感器（左）時，渦流損耗增加，振蕩幅度減小（右）。（圖片來源：Keyence)

渦流設備是堅固的非接觸式設備，通常用作接近傳感器。它們是全向的，可以確定到物體的相對距離，但不能確定到物體的方向或絕 對距離。

電容式位置傳感器

顧名思義，電容式位置傳感器測量電容的變化，以確定被感測物體的位置。這些非接觸式傳感器可用于測量線性或旋轉位置。它們由兩塊用介電材料隔開的板組成，并使用以下兩種方法之一來檢測物體的位置：

• 改變電容器的介電常數
• 改變電容器板的重疊面積

為了引起介電常數的變化，將要檢測位置的物體附著在介電材料上。隨著介電材料的移動，由于介電材料面積和空氣介電常數組合的變化，電容器的有效介電常數會發生變化。或者，可以將物體連接到其中一個電容器板上。隨著物體的移動，板片之間的距離會越來越近或越來越遠，電容的變化用于確定相對位置。

電容式傳感器可以測量物體位移、距離、位置和厚度。由于其高信號穩定性和分辨率，電容式位移傳感器被廣泛用于實驗室和工業環境。例如，電容式傳感器用于測量薄膜厚度和粘合劑在自動化過程中的應用。在工業機器中，它們用于監控位移和工具位置。

磁致伸縮位置傳感器

磁致伸縮是鐵磁材料的一種特性，它會導致材料在外加磁場的存在下改變其大小或形狀。在磁致伸縮位置傳感器中，可移動的位置磁鐵連接到被測物體上。它包括一個波導，該波導由一根導線組成，電流脈沖通過該導線傳輸，該導線連接到位于波導末端的傳感器（圖3）。當電流脈沖沿著波導向下發送時，在導線中產生一個磁場，該磁場與永磁體的軸向磁場相互作用（圖3a中為氣缸活塞中的磁體）。場相互作用是由扭曲（Wiedemann 效應）引起的，該扭曲在導線中引起應變，從而產生一個聲波脈沖，該脈沖沿著波導傳播，并被波導末端的傳感器檢測到（圖 3b）。通過測量電流脈沖啟動和聲波脈沖檢測之間的經過時間，可以測量位置磁鐵的相對位置，從而測量物體的相對位置（圖3c）。

                                    圖 3：磁致伸縮可實現高精度的非接觸式位置傳感，而不會對傳感元件造成磨損。圖片來源：Ametek

磁致伸縮位置傳感器是非接觸式傳感器，用于檢測線性位置。波導通常裝在不銹鋼或鋁管中，使這些傳感器能夠在骯臟或潮濕的環境中使用。

霍爾效應位置傳感器

當將一根薄而扁平的導體置于磁場中時，任何流動的電流都會積聚在導體的一側，從而產生稱為霍爾電壓的電位差。如果導體中的電流是恒定的，則霍爾電壓的大小將反映磁場的強度。在霍爾效應位置傳感器中，物體連接到安裝在傳感器軸中的磁鐵。當物體移動時，磁鐵的位置相對于霍爾元件會發生變化，從而產生變化的霍爾電壓。通過測量霍爾電壓，可以確定物體的位置。可以使用專用的霍爾效應位置傳感器來確定三維位置（圖 4）。霍爾效應位置傳感器是非接觸式設備，可提供高可靠性和快速感應，并且可以在很寬的溫度范圍內工作。它們用于一系列消費、工業、汽車和醫療應用。

                                       圖 4：可以使用專用霍爾效應傳感器來確定 3D 位置。（圖片：Allegro Microsystems)

光纖位置傳感器

光纖傳感器有兩種基本類型。在固有光纖傳感器中，光纖用作傳感元件。在外在光纖傳感器中，光纖與另一種傳感器技術相結合，將信號中繼到遠程電子設備進行處理。在固有光纖位置測量的情況下，可以使用光學時域反射儀等設備來確定時間延遲。可以使用實現光頻域反射計的儀器來計算波長偏移。光纖傳感器不受電磁干擾，可以設計為在高溫下運行，并且不導電，因此它們可以在靠近高壓或易燃材料的地方使用。

另一種基于光纖布拉格光柵 （FBG） 技術的光纖傳感也可用于位置測量。光纖光柵充當陷波濾光片，反射以布拉格波長 （λ 為中心） 的狹窄光部分B） 當被寬光譜照射時。它被制造成一種微觀結構，刻在光纖的核心中。光纖光柵可用于測量各種參數，如溫度、應變、壓力、傾斜、位移、加速度和負載。

光學位置傳感器

有兩種類型的光學位置傳感器，也稱為光學編碼器。在一種情況下，光被發送到傳感器另一端的接收器。在第 二種類型中，發射的光信號從被監測物體反射并返回到光源。根據傳感器的設計，光特性的變化（如波長、強度、相位或偏振）用于確定物體的位置。基于編碼器的光學位置傳感器可用于線性和旋轉運動。這些傳感器分為三個主要類別;透射式光學編碼器、反射式光學編碼器和干涉式光學編碼器。

超聲波位置傳感器

超聲波位置傳感器使用壓電晶體換能器發射高頻超聲波。傳感器測量反射的聲音。超聲波傳感器可以用作簡單的接近傳感器，或者更復雜的設計可以提供測距信息。超聲波位置傳感器適用于各種材料和表面特性的目標物體，與許多其他類型的位置傳感器相比，它可以檢測更遠距離的小物體。它們抵抗振動、環境噪聲、紅外輻射和電磁干擾。使用超聲波位置傳感器的應用示例包括液位檢測、物體的高速計數、機器人導航系統和汽車傳感。典型的汽車超聲波傳感器由塑料外殼、帶膜的壓電換能器以及帶有電子電路和微控制器的印刷電路板組成，用于傳輸、接收和處理信號（圖 5）。

                                                    圖 5：典型的汽車壓電超聲波位置傳感器系統設計。（圖片：IEEE物聯網雜志）)

總結

位置傳感器可以測量物體的絕 對或相對線性、旋轉和角運動。位置傳感器可以測量執行器或電機等設備的運動。它們還用于機器人和汽車等移動平臺。位置傳感器使用了各種各樣的技術，這些傳感器具有環境耐用性、成本、精度、可重復性和其他屬性的各種組合。