传感器与检测技术课件

传感器与检测技术要点：(1)传感器与检测部件的类型和作用(2)非光学传感器的原理与应用(3)光学传感器的原理与应用2.1传感器与检测部件的类型和作用能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。ch2传感器与检测技术：传感器类型和作用(1)传感器的概念传感器由敏感元件、转换元件以及相应的电子线路组成。敏感元件转换元件

传感器种类可划分为模拟式传感器和数字式传感器。

传感器向数字化、微型化、智能化方向发展。

传感器的测量对象是各种各样的，输出信号一般是电压或电流信号。信号需要经过放大、过滤等一系列调理。(2)传感器的种类

传感器和变换器是现代控制系统的2个重要组件。

传感器的快速性、灵敏度和精确性影响控制系统的自动化水平高低。传感器的选用主要取决于建模参数和被测量、测量精度和灵敏度要求以及测量系统的成本等因素。(3)传感器的作用灵敏度准确度

分辨率(4)传感器的品质参数精密度

重复性

线性度灵敏度灵敏度反映传感器对被测量变化的响应能力。输出变化量输入变化量传感器能检测到的测量值的最小增量。分辨率准确度测量值与实际值之间偏差的程度，通常用真值百分比表示。在给定的准确度条件下，传感器再现一组读数的能力。精密度取决于传感器的可靠性。精密度重复性在相同的环境条件下，重复实施相同的测量而准确再现输出信号的能力。线性度传感器的输入输出特性要满足线性要求。(5)建模参数中的误差和不确定度

任何建立在测量系统之上的应用系统都存在一定的不确定性。

传感器单体误差、测量环境变化以及测量的随机性变化都影响不确定度。零部件变化的影响假定为某个测量值，为各个变量的单个误差，则计算N的总误差：误差分析法用于确定准确度计算中各零部件误差的作用。由于很小，忽略高次项绝对误差：如果已知总体精度上限，要计算各部件的误差，则假定各部件误差对总精度的影响是均等的。[实例]已知角速度与作用力的关系式如果试求转速的不确定性。

[解]2.2非光学传感器的原理与应用

(1)电位器(potentiometer)将旋转角度或直线位移转化为电位差的变化器。电位器机械式电位器数字电位器机械式电位器(mechanicalpot)R0R1eoei机械式电位器的工作原理电位器特点：电位器结构简单、体积小,动态范围宽，输出信号大（一般不必放大），抗干扰能力强和精度较高等特点，广泛用于检测各种回转角度和角位移。缺点是测量精度较低，以及转速较高时，转轴与衬套间会出现“卡死”现象。

数字电位器（DigitalPotentiometers）

针对机械式电位器的缺点，国外多家公司推出一种采用集成电路工艺生产的电位器，其外形像一只集成块，这种电位器采用数字信号控制，故称为数字电位器。数字电位器分易失性(volatile)和非易失性(Non-volatile)两种。目前市场上提供的数字电位器的分辨率在３２级（５位）到２５６级（８位）甚至更高。数字电位器的工作原理数字电位器的特点

采用集成电路工艺生产，具有良好的线性、精度和温度稳定性；

滑动端位置易于由单片机、计算机或逻辑电路控制，通过编程自动调节电阻值，大大提高调节精度和自动控制能力；

采用电信号控制电阻的变化，应用范围广，使用灵活；

具有记忆功能和不记忆功能，选择记忆功能时将电位器当前的调节位置保存在非易失性存储器中，下次通电时自动恢复这一位置，能自动消除手动调节的误差。若选择不记忆功能，当系统通电时数字电位器自动复位（事先设定的位置）

温度稳定性好，抗冲击具有优越的环境适应性；

没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了滑片接触不良的问题；体积小，节省空间，易于装配；寿命长，可靠性高。数字电位器与机械式电位器的区别类型特性电阻变化规律调节方法位置记忆自动复位使用寿命体积机械式无源连续变化手动有没有短大数字式有源阶梯变化电控可选有长小数字电位器的应用—LCD背光调节薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)面板都至少需要一个适当调节的VCOM信号，以便为面板(panel)的背板提供一个参考点。在分压器工作模式中，通常使用机械式电位器或微调器实现VCOM调节。机械式微调器不能提供大型面板最佳图像保真度所需的分辨率。制造商还需要安排技术人员在装配线上进行物理调节。这种调节不仅耗时，而且容易因为人为错误或机械振动造成现场失效(fieldfailure)。数字电位器代替机械电位器。

美国模拟器件公司(ADI)的AD5258/596/8位非易失性数字电位器，且使用了一个I2C串行接口来控制电位器设置并在EEPROM中存储所需的电位器设置。

(2)线性差动变压器(LinearVariableDifferentialTransformer,LVDT)

线性差动变压器是利用互感原理，通过改变线圈间的互感量进行小位移测量的变换器。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量1~100mm范围内的机械位移。次级次级骨架初级衔铁

线性差动变压器利用变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。由此得到输出电压有效值为：结论：输出电压与互感的差值有关根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为

线性差动变压器利用变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈的互感系数相等，电动势相等。

差动输出电压为零：结论:输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。

若衔铁上移

若衔铁下移

差动变压器输出电压和位移的关系

LVDT的零点残余电压

为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。

串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；

并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；

加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量；

相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。LVDT输出信号的调理

AD698美国AnalogDevices公司生产的单片式线性位移差分变压器（LVDT）信号调理芯片。用AD698能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。AD698具有所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接无源元件来确定激磁频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。AD698与LVDT连接的功能图AD698单电源供电的外围电路LVDT传感器的应用液位测量

加工金属板材的厚度测量

加工后的零件表面粗糙度测量

精确测量样本尺寸

微压传感器LVDT传感器的应用(1)——液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。

LVDT传感器的应用(2)——微压传感器(3)电容式传感器(Capacitysensor)一个极板上存储的电荷量与加在电容器上的电压的比值就是电容器的电容。介电常数极板面积极板间距离三者的变化都会影响到电容的变化在变换器的整个响应范围内，距离与电容的曲线并不是线性的。小范围内近似线性灵敏度：(4)超声波传感器(ultrasonicsensor)超声波传感器发射超声波脉冲，接受目标物体的回声反射。超声波传感器由发射探头、接受器和处理单元3部分组成。超声波传感器测距原理超声波在被测介质中的速度超声波一个来回的时间入射角度(5)霍尔传感器

霍尔元件是利用霍尔效应制成的。霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而产生的。静止载流体位于磁场中,当电流I的方向与磁场强度H的方向有一夹角α时,则在平行于H,I方向的载流体两侧面之间产生电动势,这一物理现象称为霍尔效应.霍尔电势：称为霍尔片的灵敏度。霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度量d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。将霍尔元件、放大电路、温度补偿及稳压电源等集成的芯片即称为霍尔传感器或霍尔集成电路。霍尔传感器及其符号霍尔传感器的应用——测量焊接电流测量焊接电流在标准的园环铁芯开一小缺口，将霍尔元件放在缺口处，被测电流的导线穿过铁心时就产生磁场B，则霍尔传感器有输出。当测出的小于规定的焊接电流时，可控硅的导通角增大，焊接电流变大，测出的电压大于规定的焊接电流时，可控硅的导通角减，焊接电流变小，控制焊接回路的电流。(6)压电式加速度传感器压电效应：某些材料在施加作用力时，其表面会产生电荷；反之，在压电材料的某一个轴上施加一个可变电压，材料的尺寸会发生变化。晶体压电效应示意图产生的电荷：作用力压电系数压电变换器的等效电路压电变换器电荷放大等效电路压电变换器电荷放大复合等效电路压电加速度传感器压电加速度传感器的应用

消除残余应力的振动时效法示意图两块橡胶垫在结构件的两端，激振器一般选取在用较小的激振力即能获得较大的动应力的效果为准。通常激振器安装在被振工件的波峰处（工件在自由振动时振幅最大处）。

振动时压电传感器受到一个Y方向的振动力，此时压电晶体内部发生压电的效应，输出电压经电路放大并打印曲线。图中A是加速度的幅值，n

为激振器的转