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

傳感器種類可劃分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。

傳感器向數(shù)字化、微型化、智能化方向發(fā)展。

傳感器的測(cè)量對(duì)象是各種各樣的，輸出信號(hào)一般是電壓或電流信號(hào)。信號(hào)需要經(jīng)過(guò)放大、過(guò)濾等一系列調(diào)理。(2)傳感器的種類

傳感器和變換器是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的2個(gè)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(dòng)化水平高低。傳感器的選用主要取決于建模參數(shù)和被測(cè)量、測(cè)量精度和靈敏度要求以及測(cè)量系統(tǒng)的成本等因素。(3)傳感器的作用靈敏度準(zhǔn)確度

分辨率(4)傳感器的品質(zhì)參數(shù)精密度

重復(fù)性

線性度靈敏度靈敏度反映傳感器對(duì)被測(cè)量變化的響應(yīng)能力。輸出變化量輸入變化量傳感器能檢測(cè)到的測(cè)量值的最小增量。分辨率準(zhǔn)確度測(cè)量值與實(shí)際值之間偏差的程度，通常用真值百分比表示。在給定的準(zhǔn)確度條件下，傳感器再現(xiàn)一組讀數(shù)的能力。精密度取決于傳感器的可靠性。精密度重復(fù)性在相同的環(huán)境條件下，重復(fù)實(shí)施相同的測(cè)量而準(zhǔn)確再現(xiàn)輸出信號(hào)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(shù)中的誤差和不確定度

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

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

[解]2.2非光學(xué)傳感器的原理與應(yīng)用

(1)電位器(potentiometer)將旋轉(zhuǎn)角度或直線位移轉(zhuǎn)化為電位差的變化器。電位器機(jī)械式電位器數(shù)字電位器機(jī)械式電位器(mechanicalpot)R0R1eoei機(jī)械式電位器的工作原理電位器特點(diǎn)：電位器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小,動(dòng)態(tài)范圍寬，輸出信號(hào)大（一般不必放大），抗干擾能力強(qiáng)和精度較高等特點(diǎn)，廣泛用于檢測(cè)各種回轉(zhuǎn)角度和角位移。缺點(diǎn)是測(cè)量精度較低，以及轉(zhuǎn)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)軸與襯套間會(huì)出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。

數(shù)字電位器（DigitalPotentiometers）

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

采用集成電路工藝生產(chǎn)，具有良好的線性、精度和溫度穩(wěn)定性；

滑動(dòng)端位置易于由單片機(jī)、計(jì)算機(jī)或邏輯電路控制，通過(guò)編程自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值，大大提高調(diào)節(jié)精度和自動(dòng)控制能力；

采用電信號(hào)控制電阻的變化，應(yīng)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(shí)將電位器當(dāng)前的調(diào)節(jié)位置保存在非易失性存儲(chǔ)器中，下次通電時(shí)自動(dòng)恢復(fù)這一位置，能自動(dòng)消除手動(dòng)調(diào)節(jié)的誤差。若選擇不記憶功能，當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)數(shù)字電位器自動(dòng)復(fù)位（事先設(shè)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(yīng)性；

沒(méi)有機(jī)械電位器特有的滑片，徹底解決了滑片接觸不良的問(wèn)題；體積小，節(jié)省空間，易于裝配；壽命長(zhǎng)，可靠性高。數(shù)字電位器與機(jī)械式電位器的區(qū)別類型特性電阻變化規(guī)律調(diào)節(jié)方法位置記憶自動(dòng)復(fù)位使用壽命體積機(jī)械式無(wú)源連續(xù)變化手動(dòng)有沒(méi)有短大數(shù)字式有源階梯變化電控可選有長(zhǎng)小數(shù)字電位器的應(yīng)用—LCD背光調(diào)節(jié)薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)面板都至少需要一個(gè)適當(dāng)調(diào)節(jié)的VCOM信號(hào)，以便為面板(panel)的背板提供一個(gè)參考點(diǎn)。在分壓器工作模式中，通常使用機(jī)械式電位器或微調(diào)器實(shí)現(xiàn)VCOM調(diào)節(jié)。機(jī)械式微調(diào)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(shù)人員在裝配線上進(jìn)行物理調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)不僅耗時(shí)，而且容易因?yàn)槿藶殄e(cuò)誤或機(jī)械振動(dòng)造成現(xiàn)場(chǎng)失效(fieldfailure)。數(shù)字電位器代替機(jī)械電位器。

美國(guó)模擬器件公司(ADI)的AD5258/596/8位非易失性數(shù)字電位器，且使用了一個(gè)I2C串行接口來(lái)控制電位器設(shè)置并在EEPROM中存儲(chǔ)所需的電位器設(shè)置。

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

線性差動(dòng)變壓器是利用互感原理，通過(guò)改變線圈間的互感量進(jìn)行小位移測(cè)量的變換器。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。它可測(cè)量1~100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。次級(jí)次級(jí)骨架初級(jí)銜鐵

線性差動(dòng)變壓器利用變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。由此得到輸出電壓有效值為：結(jié)論：輸出電壓與互感的差值有關(guān)根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為

線性差動(dòng)變壓器利用變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。兩個(gè)次級(jí)線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動(dòng)形式。如果線圈完全對(duì)稱并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈的互感系數(shù)相等，電動(dòng)勢(shì)相等。

差動(dòng)輸出電壓為零：結(jié)論:輸出電壓大小和符號(hào)反映了鐵心位移的大小和方向。當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。

若銜鐵上移

若銜鐵下移

差動(dòng)變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系

LVDT的零點(diǎn)殘余電壓

為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償,電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多,可采用以下方法。

串聯(lián)電阻：消除兩次級(jí)繞組基波分量幅值上的差異；

并聯(lián)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(jí)間反饋，減小諧波分量；

相敏檢波對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。LVDT輸出信號(hào)的調(diào)理

AD698美國(guó)AnalogDevices公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器（LVDT）信號(hào)調(diào)理芯片。用AD698能夠高精確和高再現(xiàn)性地將LVDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)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(gè)外接無(wú)源元件來(lái)確定激磁頻率和增益，就能把LVDT的次級(jí)輸出信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。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(yīng)用液位測(cè)量

加工金屬板材的厚度測(cè)量

加工后的零件表面粗糙度測(cè)量

精確測(cè)量樣本尺寸

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

LVDT傳感器的應(yīng)用(2)——微壓傳感器(3)電容式傳感器(Capacitysensor)一個(gè)極板上存儲(chǔ)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(shù)極板面積極板間距離三者的變化都會(huì)影響到電容的變化在變換器的整個(gè)響應(yīng)范圍內(nèi)，距離與電容的曲線并不是線性的。小范圍內(nèi)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(biāo)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(cè)距原理超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的速度超聲波一個(gè)來(lái)回的時(shí)間入射角度(5)霍爾傳感器

霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制成的?；魻栃?yīng)是半導(dǎo)體中自由電荷受磁場(chǎng)中洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。靜止載流體位于磁場(chǎng)中,當(dāng)電流I的方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向有一夾角α?xí)r,則在平行于H,I方向的載流體兩側(cè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這一物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).霍爾電勢(shì)：稱為霍爾片的靈敏度。霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾常數(shù)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(bǔ)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?hào)霍爾傳感器的應(yīng)用——測(cè)量焊接電流測(cè)量焊接電流在標(biāo)準(zhǔn)的園環(huán)鐵芯開(kāi)一小缺口，將霍爾元件放在缺口處，被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)鐵心時(shí)就產(chǎn)生磁場(chǎng)B，則霍爾傳感器有輸出。當(dāng)測(cè)出的小于規(guī)定的焊接電流時(shí)，可控硅的導(dǎo)通角增大，焊接電流變大，測(cè)出的電壓大于規(guī)定的焊接電流時(shí)，可控硅的導(dǎo)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(yīng)：某些材料在施加作用力時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷；反之，在壓電材料的某一個(gè)軸上施加一個(gè)可變電壓，材料的尺寸會(huì)發(fā)生變化。晶體壓電效應(yīng)示意圖產(chǎn)生的電荷：作用力壓電系數(shù)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(fù)合等效電路壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器的應(yīng)用

消除殘余應(yīng)力的振動(dòng)時(shí)效法示意圖兩塊橡膠墊在結(jié)構(gòu)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(dòng)應(yīng)力的效果為準(zhǔn)。通常激振器安裝在被振工件的波峰處（工件在自由振動(dòng)時(shí)振幅最大處）。

振動(dòng)時(shí)壓電傳感器受到一個(gè)Y方向的振動(dòng)力，此時(shí)壓電晶體內(nèi)部發(fā)生壓電的效應(yīng)，輸出電壓經(jīng)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(zhuǎn)