了解 PWM 传感器：功能和测试指南

越来越多的工业系统正在用干净、抗噪声的脉宽调制取代传统的模拟信号。

由于 PWM 输出切换开和关，而不是维持稳定的模拟电平，因此可以降低功耗并减少发热量。我们将在本文后面解释 ON 和 OFF 操作。

脉宽调制 (PWM) 传感器现在无处不在。在本文中，我们将详细解释 PWM 传感器信号如何表示过程变量，并向您展示如何使用值得信赖的数字万用表对其进行测试。

PWM 传感器用于各种应用。例如，它们可以测量位置和位移、压力和力、监控速度和转速等功能。

模拟和 PWM 传感器

让我们首先识别两个正在被 PWM 传感器取代的模拟传感器。

电位器

电位器曾经是许多位置测量应用的首选。

它们在操纵杆、操纵杆和踏板中也很常见。

为什么它们被 PWM 器件取代？电位器有一个金属游标，可与电阻材料摩擦以产生可变电阻。随着时间的推移，它们会变脏并磨损。清洁它们几乎是不可能的，因此经常更换它们。

然而，它们并没有完全消失，并且可能会存在相当长一段时间。

轴编码器

好吧，轴编码器怎么样？几十年来，光学编码器一直用于确定轴位置。有PWM绝对式编码器，防尘、防油、防震、抗冲击性能更好；它们不依赖 LED 光源和码盘来生成输出信号。

PWM 传感器如何工作

好的，既然我们已经讨论了在哪里可以找到 PWM 传感器以及原因，那么让我们继续解释它们的工作原理。

简单来说，PWM 涉及调整恒定频率数字波形的占空比。对于 PWM 传感器，占空比的变化反映了物理参数的变化，例如旋转、位置或压力。

占空比和频率

那么，什么是占空比？让我们从讨论频率开始。

在北美，我们都熟悉 60 Hz 频率的交流线路电压。

在示波器上，交流线路电压显示为每秒重复 60 个周期的正弦波。

使用简单的数学计算，我们可以确定完成一个周期的时间（称为周期）为 16.67 毫秒。我们是怎么得到的？周期是频率的倒数。

P为一个周期的周期。

波形类型

并非所有重复波形都是正弦波或像线路电压那样极性交替。举例来说，有锯齿波和方波。

PWM 是一个重复波形，其中每个半周期的持续时间可能会有所不同。

波形的每个周期都有一个电压为 ON 的时间和另一个电压为 OFF 的时间。

占空比是导通时间与周期或一个周期的持续时间的比例。占空比以百分比表示。

PWM 传感器示例

让我们看一个例子。

我们有一个周期为 2 秒、开启时间为 0.5 秒的 PWM 传感器。占空比是导通时间与总周期的比率。在此示例中，等于 0.5 秒除以 2 秒。请记住，我们将占空比表示为百分比，因此为 25%。

Megatron HTP36 系列器件是一款带 PWM 输出的单圈绝对编码器。

它的工作频率为 244 Hz。占空比范围为 10% 至 90%，对应于 0 至 360 度的旋转。当电源电压为 5V DC 时，我们可以假设导通时间电压脉冲为 5V DC。

为什么占空比从 10% 到 90% 不等？此范围对于 PWM 传感器很常见，但 5% 至 95% 也很常见。完整的 0% 到 100% 范围不用于诊断目的。信号低于 10% 或高于 90% 表示存在潜在故障情况。

使用示波器观察 PWM 信号

让我们检查一下在连接到该编码器输出的 Fluke 190 便携式电池供电示波器上观察到的波形。

在 0 度旋转时，我们观察到 10% 的占空比。波形周期为4.0毫秒，ON时间为0.4毫秒。

旋转 360 度时，我们观察到 90% 的占空比。与往常一样，波形周期为 4.0 毫秒。开启时间为3.6毫秒。

这里值得注意的是，规范规定最大占空比为 90%，大约为 3.5 ms。

为什么有区别？本质上，这是数据表上的标准做法。为了简单起见，制造商对值进行四舍五入。

使用数字万用表测量 PWM 信号

好吧，如果您或您的公司能买得起昂贵的便携式示波器，那就太好了，但没有多少人能买得起。

您真正需要的是一个带有几个特殊选件的 DMM（数字万用表），例如可以测量频率和占空比的 Fluke 87V。

PWM 传感器是有源器件，与无源电位器不同。它需要电源才能运行。您无法执行欧姆表测试来确定其是否可用。

这个特定的数字万用表有一个标记为 Hz 的按钮 带 % 百分号。

只需按一下此按钮，您就可以测量以赫兹为单位的频率和以百分比表示的占空比。

要测量频率，请将引线连接到 VAC DMM 端子并将选择器设置为交流电压。像连接示波器一样连接引线。按 Hz 按钮一次，显示屏将显示以赫兹为单位的频率。

请记住，PWM 频率保持恒定；因此，旋转编码器时读数不应改变。

要测量占空比，请连接相同的引线。再次按下 Hz 按钮，显示屏现在将以百分比形式显示占空比。当您将编码器从 0 度旋转到 360 度时，您将看到占空比值从 10% 变为 90%。

从 DMM 读数中可以明显看出传感器是否失效、有问题或不稳定。

使用直流电压测试 PWM 传感器

如果您的数字万用表没有测量频率或占空比的选项，也不会丢失一切。您仍然可以通过将仪表设置为测量直流电压来粗略了解 PWM 传感器的操作。在此模式下，数字万用表显示脉冲波形的平均值。

由于占空比随编码器旋转而变化，平均直流电压也会变化。当占空比增大时，测量的直流电压相应升高。

您将无法使用此方法确定占空比。然而，如果编码器旋转时直流电压保持不变，则应认为 PWM 传感器可疑。

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摘要

如果您了解占空比和频率，则使用数字万用表在现场测试 PWM 传感器非常容易。

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2026年3月18日