教学目标知识目标：了解位移传感器检测的一般原理和使用条件，掌握各种位移传感器的量程和精度等检测性能； 能力目标：了解工业中常用的位移检测特点及位移传感器的基本选用原则，素质目标： 教学重点各种位移传感器的量程和精度等检测性能教学难点各种位移传感器的量程和精度等检测性能教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时6教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注 释项目三 精密位移检测系统〖理论学习〗任务一 高精度位移传感器的应用一、电容式传感器电容式传感器实质上是利用电容自身性质进行检测的传感器，如图3-1所示电容式传感器原理基于以下公式C=εA/d图3-1 电容式传感器1.电容式传感器的分类1）变面积型电容传感器 图3-2 电容传感器的形式2）极距变化型电容传感器如图3-3（a）所示，如平行电容器两个极板间覆盖面积和极间介质不变，则其电容量C与极距呈现非线性关系灵敏度与极距二次方成反比，极距越小则灵敏度越高，如图3-3（b）所示图3-3 极距变化型电容传感器结构与特性在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常采用差动式结构，如图3-4所示图3-4 差动型极距电容传感器结构与特性2．电容式传感器的测量电路1）等效电路电路电容式传感器的等效电路如图3-5 所示。
图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱Rs 代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗电感L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成图3-5 电容式传感器的等效2）测量电路（1）调频测量电路图3-6所示的是调频式测量电路原理框图图3-6 调频电路的测量原理（2）运算放大器式测量电路运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗Zi 很高，输出电阻小，所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的3.电容式传感器的特点与用途电容式传感器的特点如下1）小功率、高阻抗电容传感器的电容量很小，一般为几十到几百皮法，具有较高的输出阻抗这种阻抗对后续电路影响很小，从而简化了后续放大电路2）小的静电引力和良好的动态特性电容传感器的极板间的引力极小，能量消耗少，其可动质量小，具有较高的固有频率和良好的动态性能3）自身发热小4）可以进行非接触检测电容式传感器广泛地应用在位移、振动、角度和加速度等机械量的精密检测，而且目前检测范围已经扩大到了压力、液面和成分等方面的检测图3-8 所示为差动电容式压力传感器的结构图。
图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器图3-8 差动电容式压力传感器的结构图二、电感式传感器1.自感型电感传感器1）可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器的构造原理如图3-10所示，由线圈、铁芯和衔铁组成，铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙存在图3-10 可变磁阻式传感器的构造原理图3-11列出了几种常用可变磁阻位移传感器的典型结构方案图3-11（a）所示是可变导磁面积型，其自感L与A0呈线性关系，但和电容式传感器相类似，由于边缘效应，这种传感器的灵敏度比较低图3-11（b）所示是差动型位移传感器结构，衔铁位移时，可以使两个线圈的间隙一个变大而另一个相应减小将两个线圈接入相邻交流电桥桥臂，输出灵敏度将提高一倍，线性度得到改善图3-11（c）所示是单螺线管线圈型位移传感器结构，当铁芯圈中移动时，磁阻改变，使得线圈自感发生改变这种传感器结构简单，制造容易，灵敏度稍低，适合相对位移较大的检测（数个毫米）螺线管传感器也可采用差动形式，以提高灵敏度和线性度，在实际检测传感器中经常采用图3-11 可变磁阻传感器的结构2）涡流式传感器涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡流效应。
图3-12所示为涡流传感器的工作原理图3-12涡流传感器工作原理透射式涡流厚度传感器的结构原理如图3-13所示图3-13 电涡流测量金属板厚度电涡流式转速传感器工作原理如图3-14所示图3-14 电涡流式转速传感器工作原理图2.互感型电感传感器实际工作中，应用较多的是螺线管式差动变压器传感器，其工作原理如图3-16所示，变压器由初级线圈和两个参数完全相同的次级线圈W1、W2组成图3-16 差动变压器传感器差动变压器式位移传感器的使用具有的特点任务二 高精度激光位移传感器一、图像传感器图像传感器从功能上讲，是一个能把受光面的光像分成许多小单元（像元），并将它们转换成电信号，然后将其顺序输出的传感器件在构造上，图像传感器是一种小型固态集成元件，它的核心是CCDCCD由阵列排列在衬底的金属氧化物硅（MOS）电容器构成，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能图3-24所示为一维线性图像传感器（PSD）的结构原理，光敏元阵列与CCD之间有一层转移控制栅，CCD作为移位寄存器每个光敏元通常是一个MOS电容，并正对着CCD上的电容在光照射下，光生少数载流子在光敏元中积聚，每个单元所积蓄的电荷量与该单元所收到的光照度和电荷积蓄时间成正比，在光敏元接受光照一定时间后，转移控制栅打开，各光敏元所积蓄的电荷并行地转移到CCD读取寄存器上。
随后控制栅关闭，光敏元立即开始下一次的光电荷累积过程与此同时，上一次的一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转移并串行输出图3-24 一维线性图像传感器结构原理图像传感器还可用作光学文字识别装置的“读取头”其主要由光源、红外滤光片、透镜、图像传感器、后向处理电路等组成其中，OCR 的光源可用卤素灯，光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响，每次扫描时间为300 μs，因此可做到高速文字识别把OCR 的“读取头”传感过来的信号放大后，经A/D 变换后的二进制信号通过特别滤光片后，文字更加清晰，然后把文字逐个断切出来以上处理称为前置处理，前置处理后，以固定方式对各个文字进行特征抽取最后将抽取所得特征与预先置入的诸文字特征相比较，以判断与识别输入的文字二、激光传感器激光的特点在于：（1）激光是单色的，或者说是单频的，有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的；（2）激光是相干光，相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”；（3）激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。
气体激光器有氦氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CDROM由于激光的种种特性，使得激光应用于传感器领域优势极大如激光光斑极小，可以用来测量很微小的位移，激光对物体没有任何压力，因而也不存在弹性变形问题，所示可以认为激光可以“真实”测量等2.激光三角法测距基于三角检测原理的激光位移传感器采用激光作为光源投射一个亮点或者直线条纹到被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线型相机接收，根据不同的距离，CCD线型相机可以在不同的角度下“看见”这个光点，根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离3.干涉测量可见光的干涉测量是干涉测量术中最先发展同时也得到最广泛应用的类别，早期的实际应用如迈克耳孙测星干涉仪对恒星角直径的测量，但如何获取稳定的相干光源始终是限制光学测量发展的重要原因之一直至二十世纪六十年代，光学干涉测量技术得到了飞速的发展，这要归功于激光这一高强度相干光源的发明，计算机等数字集成电路获取并处理干涉仪所得数据的能力大大提升，以及单模光纤的应用增长了实验中的有效光程并仍能保持很低的噪声。
电子技术的发展使人们不必再去观察干涉仪产生的干涉条纹，而可以对相干光的相位差直接进行测量三、光纤式传感器1.光导纤维的结构和导光原理光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形芯子、包层、保护套组成光导纤维的芯子是用玻璃材料制成的，折射率为n1；包层是用玻璃或塑料制成的，折射率为n2；且n1＞n2，这样可以保证入射到光纤内的光波集中在芯子内传输当光线以各种不同角度入射到芯子并射至芯子与包层的交界面时，光线在该处有一部分透射，一部分反射但当光线在纤维端面中心的入射角θ小于临界入射角θc 时，光线就不会透射出界面，而全部被反射光在界面上经无数次反射，呈锯齿形状路线在芯内向前传播，最后从光纤的另一端传出，这就是光纤的导光原理2.光导纤维的主要参数(1)数值孔径是光纤的一个重要性能参数，它表示光纤的集光能力光纤的集光能力越强，光纤与光源之间的耦合越容易2)光纤的第二个性能参数是色散当一个光脉冲信号通过光纤时，由于光纤的色散，在输出端的光脉冲被展宽，出现明显失真，这种现象称为色散色散影响着光纤传输信息的容量由于光纤的信息容量很大，用其制作传感器，色散不是主要问题3)光纤的另一个性能参数是传输损耗。
当光从光纤的一端射入从另一端射出时，光强将减弱，光在光纤中传播时产生了损耗导致传输损耗的原因主要是光吸收和光散射3.光纤传感器的工作原理光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号传感器光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用4.光纤传感器的分类1)功能型光纤传感器光纤一方面起传输光的作用，另一方面是敏感元件，是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号因此，光纤具有“传”和“感”的功能光纤的输出端采用光电器件，所接受的光信号便是被测量调制后的信号，并使其转变为电信号此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高，但是它需用特殊光纤和先进的检测技术，因此，成本高如光纤陀螺、光纤水听器等2)非功能型光纤传感器在非功能型传感器中，光纤不是敏感元件，即只“传”不“感它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间，放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。
此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低，但灵敏度也较低，应用于对灵敏度要求不太高的场合目前，已实用化的光纤传感器，大都是非功能型的〖实训〗1.认识电感式高精度位移传感器2.高精度激光位移传感器检测物体高度差〖思考与练习〗1.请设想一下如果将位移传感器作为检测物体表面粗糙度的仪器，使用电感式位移传感器检测物体表面，对于检测头需要什么要求，可根据表面粗糙度的国家标准进行检测设计2.高精度激光位移传感器的检测是非接触的，请思考能否使用激光位移。