傳感器與檢測技術課件

傳感器與檢測技術要點：(1)傳感器與檢測部件的類型和作用(2)非光學傳感器的原理與應用(3)光學傳感器的原理與應用2.1傳感器與檢測部件的類型和作用能感受（或響應）規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉換成可用信號輸出的器件或裝置。ch2傳感器與檢測技術：傳感器類型和作用(1)傳感器的概念傳感器由敏感元件、轉換元件以及相應的電子線路組成。敏感元件轉換元件

傳感器種類可劃分為模擬式傳感器和數字式傳感器。

傳感器向數字化、微型化、智能化方向發(fā)展。

傳感器的測量對象是各種各樣的，輸出信號一般是電壓或電流信號。信號需要經過放大、過濾等一系列調理。(2)傳感器的種類

傳感器和變換器是現代控制系統(tǒng)的2個重要組件。

傳感器的快速性、靈敏度和精確性影響控制系統(tǒng)的自動化水平高低。傳感器的選用主要取決于建模參數和被測量、測量精度和靈敏度要求以及測量系統(tǒng)的成本等因素。(3)傳感器的作用靈敏度準確度

分辨率(4)傳感器的品質參數精密度

重復性

線性度靈敏度靈敏度反映傳感器對被測量變化的響應能力。輸出變化量輸入變化量傳感器能檢測到的測量值的最小增量。分辨率準確度測量值與實際值之間偏差的程度，通常用真值百分比表示。在給定的準確度條件下，傳感器再現一組讀數的能力。精密度取決于傳感器的可靠性。精密度重復性在相同的環(huán)境條件下，重復實施相同的測量而準確再現輸出信號的能力。線性度傳感器的輸入輸出特性要滿足線性要求。(5)建模參數中的誤差和不確定度

任何建立在測量系統(tǒng)之上的應用系統(tǒng)都存在一定的不確定性。

傳感器單體誤差、測量環(huán)境變化以及測量的隨機性變化都影響不確定度。零部件變化的影響假定為某個測量值，為各個變量的單個誤差，則計算N的總誤差：誤差分析法用于確定準確度計算中各零部件誤差的作用。由于很小，忽略高次項絕對誤差：如果已知總體精度上限，要計算各部件的誤差，則假定各部件誤差對總精度的影響是均等的。[實例]已知角速度與作用力的關系式如果試求轉速的不確定性。

[解]2.2非光學傳感器的原理與應用

(1)電位器(potentiometer)將旋轉角度或直線位移轉化為電位差的變化器。電位器機械式電位器數字電位器機械式電位器(mechanicalpot)R0R1eoei機械式電位器的工作原理電位器特點：電位器結構簡單、體積小,動態(tài)范圍寬，輸出信號大（一般不必放大），抗干擾能力強和精度較高等特點，廣泛用于檢測各種回轉角度和角位移。缺點是測量精度較低，以及轉速較高時，轉軸與襯套間會出現“卡死”現象。

數字電位器（DigitalPotentiometers）

針對機械式電位器的缺點，國外多家公司推出一種采用集成電路工藝生產的電位器，其外形像一只集成塊，這種電位器采用數字信號控制，故稱為數字電位器。數字電位器分易失性(volatile)和非易失性(Non-volatile)兩種。目前市場上提供的數字電位器的分辨率在３２級（５位）到２５６級（８位）甚至更高。數字電位器的工作原理數字電位器的特點

采用集成電路工藝生產，具有良好的線性、精度和溫度穩(wěn)定性；

滑動端位置易于由單片機、計算機或邏輯電路控制，通過編程自動調節(jié)電阻值，大大提高調節(jié)精度和自動控制能力；

采用電信號控制電阻的變化，應用范圍廣，使用靈活；

具有記憶功能和不記憶功能，選擇記憶功能時將電位器當前的調節(jié)位置保存在非易失性存儲器中，下次通電時自動恢復這一位置，能自動消除手動調節(jié)的誤差。若選擇不記憶功能，當系統(tǒng)通電時數字電位器自動復位（事先設定的位置）

溫度穩(wěn)定性好，抗沖擊具有優(yōu)越的環(huán)境適應性；

沒有機械電位器特有的滑片，徹底解決了滑片接觸不良的問題；體積小，節(jié)省空間，易于裝配；壽命長，可靠性高。數字電位器與機械式電位器的區(qū)別類型特性電阻變化規(guī)律調節(jié)方法位置記憶自動復位使用壽命體積機械式無源連續(xù)變化手動有沒有短大數字式有源階梯變化電控可選有長小數字電位器的應用—LCD背光調節(jié)薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)面板都至少需要一個適當調節(jié)的VCOM信號，以便為面板(panel)的背板提供一個參考點。在分壓器工作模式中，通常使用機械式電位器或微調器實現VCOM調節(jié)。機械式微調器不能提供大型面板最佳圖像保真度所需的分辨率。制造商還需要安排技術人員在裝配線上進行物理調節(jié)。這種調節(jié)不僅耗時，而且容易因為人為錯誤或機械振動造成現場失效(fieldfailure)。數字電位器代替機械電位器。

美國模擬器件公司(ADI)的AD5258/596/8位非易失性數字電位器，且使用了一個I2C串行接口來控制電位器設置并在EEPROM中存儲所需的電位器設置。

(2)線性差動變壓器(LinearVariableDifferentialTransformer,LVDT)

線性差動變壓器是利用互感原理，通過改變線圈間的互感量進行小位移測量的變換器。差動變壓器的結構形式較多，應用最多的是螺線管式差動變壓器。它可測量1~100mm范圍內的機械位移。次級次級骨架初級銜鐵

線性差動變壓器利用變壓器的基本原理制成，并將次級線圈繞組用差動形式連接。由此得到輸出電壓有效值為：結論：輸出電壓與互感的差值有關根據電磁感應定律，次級感應電動勢分別為

線性差動變壓器利用變壓器的基本原理制成，并將次級線圈繞組用差動形式連接。兩個次級線圈必須反相串聯接，保證差動形式。如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈的互感系數相等，電動勢相等。

差動輸出電壓為零：結論:輸出電壓大小和符號反映了鐵心位移的大小和方向。當銜鐵上下移動時，輸出電壓隨銜鐵位移變化。

若銜鐵上移

若銜鐵下移

差動變壓器輸出電壓和位移的關系

LVDT的零點殘余電壓

為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補償,電路補償的方法較多,可采用以下方法。

串聯電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異；

并聯電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量；

加反饋支路：初次級間反饋，減小諧波分量；

相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。LVDT輸出信號的調理

AD698美國AnalogDevices公司生產的單片式線性位移差分變壓器（LVDT）信號調理芯片。用AD698能夠高精確和高再現性地將LVDT的機械位移轉換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有所有必不可少的電路功能，只要增加幾個外接無源元件來確定激磁頻率和增益，就能把LVDT的次級輸出信號按比例地轉換成直流信號。AD698與LVDT連接的功能圖AD698單電源供電的外圍電路LVDT傳感器的應用液位測量

加工金屬板材的厚度測量

加工后的零件表面粗糙度測量

精確測量樣本尺寸

微壓傳感器LVDT傳感器的應用(1)——液位測量沉筒式液位計將水位變化轉換成位移變化，再轉換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。

LVDT傳感器的應用(2)——微壓傳感器(3)電容式傳感器(Capacitysensor)一個極板上存儲的電荷量與加在電容器上的電壓的比值就是電容器的電容。介電常數極板面積極板間距離三者的變化都會影響到電容的變化在變換器的整個響應范圍內，距離與電容的曲線并不是線性的。小范圍內近似線性靈敏度：(4)超聲波傳感器(ultrasonicsensor)超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖，接受目標物體的回聲反射。超聲波傳感器由發(fā)射探頭、接受器和處理單元3部分組成。超聲波傳感器測距原理超聲波在被測介質中的速度超聲波一個來回的時間入射角度(5)霍爾傳感器

霍爾元件是利用霍爾效應制成的。霍爾效應是半導體中自由電荷受磁場中洛侖茲力作用而產生的。靜止載流體位于磁場中,當電流I的方向與磁場強度H的方向有一夾角α時,則在平行于H,I方向的載流體兩側面之間產生電動勢,這一物理現象稱為霍爾效應.霍爾電勢：稱為霍爾片的靈敏度?；魻栯妱菡扔诩铍娏骷按鸥袘獜姸?，其靈敏度與霍爾常數RH成正比而與霍爾片厚度量d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。將霍爾元件、放大電路、溫度補償及穩(wěn)壓電源等集成的芯片即稱為霍爾傳感器或霍爾集成電路?；魻杺鞲衅骷捌浞柣魻杺鞲衅鞯膽谩獪y量焊接電流測量焊接電流在標準的園環(huán)鐵芯開一小缺口，將霍爾元件放在缺口處，被測電流的導線穿過鐵心時就產生磁場B，則霍爾傳感器有輸出。當測出的小于規(guī)定的焊接電流時，可控硅的導通角增大，焊接電流變大，測出的電壓大于規(guī)定的焊接電流時，可控硅的導通角減，焊接電流變小，控制焊接回路的電流。(6)壓電式加速度傳感器壓電效應：某些材料在施加作用力時，其表面會產生電荷；反之，在壓電材料的某一個軸上施加一個可變電壓，材料的尺寸會發(fā)生變化。晶體壓電效應示意圖產生的電荷：作用力壓電系數壓電變換器的等效電路壓電變換器電荷放大等效電路壓電變換器電荷放大復合等效電路壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器的應用

消除殘余應力的振動時效法示意圖兩塊橡膠墊在結構件的兩端，激振器一般選取在用較小的激振力即能獲得較大的動應力的效果為準。通常激振器安裝在被振工件的波峰處（工件在自由振動時振幅最大處）。

振動時壓電傳感器受到一個Y方向的振動力，此時壓電晶體內部發(fā)生壓電的效應，輸出電壓經電路放大并打印曲線。圖中A是加速度的幅值，n

為激振器的轉