位置感測技術的改良
位置感測也可以各種方式存在，檢測物件何時到達組合線上的特定位置，或手推車到達定位以使開啟超商的柵欄。本形式之位置感應器在製造過程中擔任重要角色，監視裝置的移動和在適當點觸發作業。較大規模的位置感應包含檢測地面上的位置－例如全球定位系統（GPS）和慣性移動系統，而且現在這些裝置可以使用小型積體電路，整合成為汽車導航組件，行動電話和貨車追蹤後勤系統。
汽車運動的電位計和LDVTs
一些公司專精賽車用感應器，包含Variohm-EuroSensors，Penny and Giles，Gill Sensors和DC Electronics。Variohm-EuroSensors供應用於所有重要汽車運動系列包含A1 Grand Prix賽車的線性和旋轉位置感應器，它們用於監視油門位置，懸架高度，操縱角度和齒輪選擇／控制（圖1和圖2）。A1 Grand Prix給汽車運動引進新通道，讓各個競爭者有相同的汽車。團隊技師使用從感應器登錄的資料來調整汽車到最佳性能。在2005年九月在Brands Hatch舉行第一次國際比賽。
賽車使用配備制式技術的感應器，但是利用予以密封和強化的輕量結構來對抗高溫，振動和衝擊。Variohm的ELPM係應用電位計的線性位置感應器。這種感應器利用電位分配器原理，而且通常利用沿著阻抗核心移動的游標來提供對稱於線性位置的電壓－立即類比電信號。ELPM達到從-30到 + 175℃溫度百分之±0.5的較佳線性和具有如同5ppm/℃的溫度補償。其利用配備非常平滑表面拋光的傳導塑膠的阻抗軌道來代替核心，而且即使在嚴重振動的情形下，封閉括刷器的特殊彈性體確保括刷器保持連接軌道。感應器具有超過25百萬週期的機械壽命。可以使用從12.5到150.0mm的行程長度，和從24到46g的重量的不同型別ELPM。它們具有IP67固定密封墊。電位計測量絕對位置並非增量位置，所以如果切斷電源不會中斷或資料遺失。Variohm製造許多工業關於機械和程序控制方面，和實驗室測試及醫藥方面所使用的一些感應器。
圖1 來自Variohm-EuroSensors的ELPM自動運動感應器配備IP67蓋子的輕量和可靠纖細線性傳感器
圖2 在比賽車道上測試Lola國際底盤內的Variohm感應器
位置感應因為電位計的體積小，精確和易於整合進入應用中而加以廣泛使用。Variohm的一些電位計可以提供超過100M週期。然而，例如離合器定位的一些應用可能適用在軌道的非常小區域上的高頻振動，而且在這些情形中使用線性可變差動傳感器（LVDT）大有助益。本非接觸裝置比電位計通常體積大而且昂貴。LVDT包含夾在兩個次級線圈間的變壓器初級線圈，和控制線圈間的耦合的可移動核心（圖3）。如圖4所示以串聯反向方式連接次級線圈，以便核心在中央位置內產生零輸出電壓。當核心移動，根據移位的方向，和線性於移動的量來建立正或負電壓。
由Penny and Giles提供的圖3和圖4，製造使用於汽車運動方面的油門，齒輪，引擎和煞車應用的小接地面積，短行程LVDT感應器（圖5）。它們配備黃銅核心組件的焊接不銹鋼結構和特殊設計終端以抵擋高振動和衝擊。以IP66標準密封它們和在從-55到+200 ℃的溫度內運作。例如ψ8 ㎜ LVDT special係小型8 ㎜直徑和44 ㎜主體長度且具有20㎜的行程長度。最大溫度誤差為每℃全部行程的百分之0.0030，重量為47g。
圖3 LVDTs包含一個初級線圈；兩個次級線圈；和一個分離，可移動，高磁導率之核心
圖4 以串聯反向方式連接LVDT的次級線圈組成變壓器次級
圖5 來自Penny and Giles使用於汽車運動的應用LVDT的位置感應器系列
線性和旋轉編碼器
光學編碼器是高線性和精確度的非接觸裝置。它們包含光源和檢測器，代碼刻度，和信號處理。可以沿著像是直尺的平直刻度尺，或圍繞旋轉碟片的圓周直線來蝕刻代碼。根據Gurley Precision Instruments，具有方波輸出的旋轉增量編碼器大約佔市場的百分之60，絕對和線性增量編碼器分別佔有剩餘的百分之40。線性絕對編碼器目前較罕見，但是預期日益重要。
編碼刻度係精確蝕刻於例如玻璃的低溫度膨脹材料上的一組位置代碼。圖6揭示主要形式的旋轉編碼。圖6的零件（2）內的絕對位置代碼可以是利用對應碟片的精確放射狀配置的感應器陣列來讀取的二進位或灰碼格式。這些裝置趨於昂貴，而且對衝擊，振動，溫度和甚至溼度敏感。沿著刻度的獨特代碼提供絕對位置，和傳動裝置使刻度符合不同長度的移動，但是解析度固定。可以增加額外的微編碼器來精確插入於第一編碼器的短距離間。
代碼的限定尺寸限制個別編碼器的解析度。不用圖6的零件（1）所示的代碼，可以經由雕刻正確線條來增加解析度，但是隨後系統僅能測量位置的改變。它們在輸入計數器組件和計算移動距離前經由平方電路成形，調整光線成為脈衝，當作通過光源的直線速度。有時特殊參考標記的使用可以檢查絕對位置。
圖6的零件（3）揭示”視覺絕對”編碼的新概念。來自Gurley Precision Instruments（圖7）的7700旋轉編碼器可以每轉超過0.5M短距離，而且啟動後於任一個方向移動的3.52°或1.92°（根據碟片的直徑）後決定絕對位置，而且之後全程加以辨別。本編碼器使用非常類似條碼，並非分散在絕對編碼器的多重平行軌道上依序編碼絕對位置的索引軌道。第一次啟動感應器時，不能分辨位置，但是在非常短移動後決定位置。
例如Gurley的LE18線性增量編碼器可以超過最高1.24m的測量長度，最低0.1 μm的解析度。Renishaw製造用於長測量長度的高解析和精確度的細微標記的膠帶。RG220 μm位置編碼技術在鍍金的薄和彈性鋼帶上使用提供高反射和衰減阻抗的20μm樹脂刻度。帶子有附著於測量的工程材料後方的黏性背面，而且在最高70m長度的捲軸上開始。紅外線LED照明20μm刻度角面，而且反射的光線通過透明相位柵欄，允許次增量測量解析和考慮到粗野作業的多於80刻度面。線性係按照任何公尺長度的±3 μm。參考標記或限制感應器調整增量短距離計數成為絕對位置測量。適合20 μm帶子的讀數頭種類包含提供最低50nm解析的RGH22讀數頭（圖8），和用於精確微階層和螺線管的更小型RGH24。
Renishaw的40μm技術是更新的增加部分，允許更快的移動和更寬的安裝公差。刻度尺的形式為配備自黏襯裡的長彈性金帶，或表面上有最長1m長度的鉻的玻璃。超過1km的40μm帶子合併於組合新空中巴士A380雙層超級巨無霸飛機的機翼板的機械內。用來精確決定跨立於機翼板的吊架鑽孔，捆綁和鉚接的位置（圖9）。該技術也使用於調節測量機械，電子檢查和組合，高度錶和線性移動裝置。
圖6 來自Gurley的這些圖揭示增量編碼器上使用的簡單刻度，絕對編碼器上放射標記的二進位位置代碼，和圍繞在視覺絕對編碼器上的細序列代碼
圖7 Gurley的視覺絕對編碼器具有依序編碼絕對位置的類似條碼標記，而且在任何方向的非常短移動後決定本標記
圖8 Renishaw的RGH22讀數頭使用內部插值來提供相當50nm的解析，和具有10m/s的最大速度
Newall也製造線性編碼器，而且Getrag Ford Transmission最近用Newall SHG-TT傳導增量線性編碼器來更換Halewood的CNC車床上的傳統易碎玻璃刻度尺。本裝置有IP67環境等級，而且完全防水，所以可以對抗振動和阻止污染物，而且具有比玻璃更長的作業壽命。本傳導感應器具有用壓縮於鋼管內的鋼球的圓柱所做成的精確刻度，和配置於鋁蓋內沿著管子的外側滑動的傳導線圈的讀取頭和計數球，而且因此計算移動的距離。可以測量到每公尺±10 μm的精確度和具有從51㎜到11.73 m的行程。每12.7㎜有參考標記和20 m/s的最大橫向速率。
創新感應技術
Positek Ltd最近提出可以利用易於安裝和彈性使用的工業標準界面來建造內含傳導位置感應器的高速類比信號處理的技術。該感應器使用於造紙和烘焙設施，林業的砍伐和移動樹木，高電壓切換（圖10），和賽車的油門感應。Positek的傳導位置感應器（PIPS）的標準類型包含具有從10到1,500㎜的行程的線性位置感應器，和最高160°移位的旋轉感應器。該技術使用僅大約100匝的非常小傳導線圈，而且這可以生產具有測量小於10 ㎜的移動的直徑2.6 ㎜的線圈，覆蓋外徑4 ㎜的陶或塑膠管的微型感應器。已經發展用於液壓和氣壓缸的回授控制應用的訂製感應器，而且用高性能聚合物覆蓋這些感應器和注入環氧物以對抗挑戰的環境。
圖9 組合A380超級巨無霸的機翼板的移動吊架使用Renishaw用於精確位置控制的40μm線性編碼器技術
圖10 Positek的傳導位置感應器適用於高電壓切換的苛刻環境
圖11 內揭示作業的原理。栓在中央的傳導線圈和兩個電容器建立共鳴電路。傳導”目標”形成位置感應器而且關連於線圈移動。
藉由共鳴頻率的交替電壓來驅動電路，和目標內的旋轉電流漩修改線圈的電感及改變中央栓的電壓的振幅和頻率兩者。用Positek的增加數值來減少線圈上的匝數和整合信號處理電路，以便在線圈和訂製積體電路，及面板的表面上藉由標準印刷電路板技術產生的線圈安裝在一個小電路板上。本旋轉感應器上的傳導目標採用電路板每一個側面上的二個薄半圓葉片的形式。電路板包含正式EMC防護。二個開關取得驅動信號的連續60ns取樣和內部伺服迴路改變計時直到二個取樣的振幅相等，和分叉取樣正弦驅動電壓的波峰或波谷。同步取樣輸出電壓，而且計算相關振幅。這是不受傳導目標的材料的溫度改變及公差的影響的穩定測量技術。該感應器是堅固，耐用和可靠，而且易於使用。
雷射測距提供機械影像的選擇
雷射提供用於測量物件的位置的另一種光學非接觸方法。Schmitt Measurement Systems製造Acuity雷射測量生產線，而且AR4000-LIR雷射測距儀用0.32㎜的解析度和2.5㎜的精確度測量最大17m距離。Class Ⅲb紅外線雷射具有8mW的功率輸出。平直的光束從物件的表面反射和感應器測量飛行時間及藉此計算距離。測量及定位鋸木機自動化的原木，和吊起噴射引擎及鋼鐵與造船使用本長距離感應器來確保起重機清除固定障礙而且輕柔運送負載。AR200是54X 20 X 70㎜的輕型可見雷射感應器，不需要外部控制器，合併雷射及CCD檢測器藉由三角測量方式測量距離。具有從6到15㎜的作業跨距和跨距的百分之±0.03的解析度。使用於定位矽晶片和測量鋼鐵的厚度。也有使用不傷眼雷射和360°旋轉鏡來描繪物件的Acuity雷射直線掃瞄器。應用包含通道描繪和貨車基座掃瞄。
SICK也製造掃瞄物件的雷射測量系統。LMS400使用飛行時間測量方式及具有用於最少百分之10反射性的物件的3 m範圍，及1㎜的距離解析度。掃瞄250 Hz超過70°的雷射光束而且具有0.25°的角度解析度。精確找出貨物的位置，尺寸及外形，和控制例如挑起及放置爪和機械人控制器的裝置的界面。使用於裝卸貨物和控制郵件及空運包裹。與顯像系統比較起來，其具有提供精確厚度資訊，和不需要強光照明大型工作區域的優點。本雷射系統使用反射資料來識別貨物和包裝。具有乙太網路，RS422，RS232，CANbus和數位輸入及輸出，允許與多種不同工廠裝置連接。使用者通過應用瀏覽器的圖形使用者界面來安裝和組態系統。
用於可穿透物件的超音速感應器
像是小型聲納，超音速檢測器使用大約200kHz頻率的超音波的反射來測量到反射物件的距離。它們對使光學方法無效的發光和透明物件特別有用，而且適用於液面檢測，和涉及玻璃瓶或發光或透明包裝材料的自動應用。它們會在有灰塵或有霧的情形運作。所有超音波裝置具有最小距離，若低於最小距離，回音降到輸出超音波脈衝的爆發時間內。所有超音波裝置具有最小可檢測物件尺寸，為超音波波長的一半長度，而且在200kHz最小可檢測僅低於1 ㎜的物件尺寸。
Senix的ToughSonic家族的距離感應器具有從43 ㎜最高到9.1
m的範圍和它們的範圍的百分之0.1的重複性。它們配備IP68，NEMA-4X和NEMA-6P防護來防水。它們以類比形式，或提供目前的二進位顯示讀數輸出對目標的距離。藉由利用對準在要求的位置的實際物件的感應器的推動按鈕訓練控制來簡化存在證明。例如，網狀材料在滾筒上增加到要求的厚度時使用本感應器啟動捲軸改變。
Honeywell的948系列設計用於具有例如高速瓶子計數的應用的食物和飲料自動化。發射器和接收器以小型塑膠IP67包裝上市，各個裝置具有50 x 24㎜的尺寸。發射器輸出具有忽略瓶子的材質的15°波束角度的超音波脈衝和接收器來檢測瓶子。它們在從- 15到+ 60℃的溫度範圍作業而且消耗低於18 - 30 V直流電源的40 mA。
含有新MEMS技術的慣性感應器
現在微電機系統（MEMS）技術可以在晶片上建立迴轉儀和加速計，形成慣性移動感應器。例如，MEMSense以18.3 x 18.3 x 10.2㎜包裝測量來製造MAG3類比慣性測量組件。測量關於三個直角軸的旋轉，加速和磁場。應用包含工業自動化，和3D模擬器，和天線穩定的感應。劍橋大學進行研究編寫用於計算經由MEMS晶片檢測的轉移和旋轉的位置，而且用2D超音波探針組合以取得 3D科學超音波資料的軟體的計畫。MEMS晶片的微小尺寸提供超過磁性和光學位置追蹤系統在本應用方面的優點。
荷蘭公司Xsens
Technologies也製造應用MEMS用於追蹤機械和人移動的移動測量組件。MTi晶片測量58 x 58 x 22㎜和提供穩定機械人和攝影機使用的姿勢和指向參考。可以處理最高300°/s的轉速，和17 m/s2的加速，和在從- 55到+ 125℃的溫度作業。MTx是監視人體運動，競技和康復時不同部分的定向的三度自由追蹤器。在配備Xbus系統的組合中一組MTx晶片收集關於人移動的資料並且在口袋電腦上記錄資料。已經使用本系統來研究攜帶背包的個人爬上尼泊爾山的坡度的力學，計畫當作觸及在嚴苛情形下資源的管理的部分。
GPS定位的精確度改良
Trimble製造用於汽車導航，行動電話，軍用儀器和安全系統的GPS晶片。Lassen SQ模組設計用於成為以電池為動力的行動產品組件。消耗3.3V電源110mW，而且是26 x 26 x 2㎜的小尺寸，和重量5.7 g。在最高18,000 m的高度可以測量不超過9m水平位置和18m垂直位置。搬運公司可以使用本技術即時追蹤它們所有車輛的位置，而且可以使用它們來更有效挑出最後的托運物品。
新哥白尼GPS接收器係19 x 19 x 2.54㎜屏蔽組件內的12頻道裝置，而且可以用來當作捲軸上用於電路板上的挑起和放置表面安裝的100或500組件帶子。該裝置非常敏感，而且冷啟動僅需39s來產生第一次地理修正。可以整合進入藍芽應用，攝影機和電腦，建立’賦予位置產品’。
GPS接收器藉由接收來自同步軌道衛星的無線電信號發現位置，測量信號到達時間和使用幾何三角測量組合來自至少三個衛星的結果。各個衛星具有持續發射的脈衝的獨特偽隨機代碼，而且接收器藉由相同全球時脈的同步產生識別碼來對準衛星。兩個信號間抵消提供來自衛星的無線電波的移動的時間。接收器使用四個衛星解決低價時鐘和各個衛星上的自動時鐘之間的差異。因此，GPS接收器需要至少四個頻道與四個衛星通信。大氣改變無線電波的傳播速度，而且導致位置測量的誤差。不同GPS改良使用於例如土地測量和鑽油的應用到低於2m的定位精確度。地面參考站測量實際位置和經由三角測量計算的位置誤差，而且傳送誤差修正係數到鄰近地區的遊動GPS接收器。傳送延遲信號給各個衛星，以便遊動GPS接收器可以應用適當補償在三角測量計算中。接收器並非使用MHz位元速率偽隨機代碼，可以測量GHz頻率載波內的相位差來取得低於毫米的更高精確度。
行動地理資訊系統利用掌上型電腦和特殊軟體整合GPS來產生戶外工作人員可用的適當資訊。例如，消防員可以用來找出最近消防栓，和公園巡守員可以存取適當地圖和記錄自己所在的自然棲息地的變化。
結論
技術改良製造較小，更耐用，更精確及易於符合應用的位置感應器。特殊應用鼓勵現有技術的後階段改良，同時新技術擴展位置感應器的能力及應用性。
(取材自Sener
Review, 27/1(2007) 作者：Christine Connolly
相關討論和所有文字檔案可以在www.emeraldinsight.com/0260-2288.htm取得)
