传感器技术已成为电子信息工程、自动控制工程、机械工程等领域中不可缺少的重要技术。本书系统地介绍了各类常用传感器的基本概念、基本原理和基本特性,并分析了相应的测量电路和应用实例。
全书共分12章,可分为两部分:第一部分重点介绍了传感器的定义、组成、分类及传感器的静、动态特性;第二部分具体介绍了电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、光电式、热电式、气敏、湿敏、磁敏以及智能传感器。
本书内容较广泛,在编写中兼顾传感器的原理和实用性,可作为高等院校电子信息工程、自动控制、电子工程、应用电子技术、机械工程及自动化等专业的教学用书,也可作为相关工程技术人员学习和参考用书。
前言
在社会信息化发展进程中,无论信息的转换和处理,还是数据的显示和控制,无一不建立在对原始的各种参数进行精确可靠测量的基础上。因此,若没有精确可靠的传感器,就不存在精确可靠的自动检测和控制系统。传感器技术是现代信息技术的重要基础技术之一。传感器的性能对自动化系统的功能起着决定作用,许多国家都把传感器技术列为尖端技术。随着现代检测、控制和自动化技术的发展,传感器技术越来越受到人们的重视。由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要,传感器在各个领域中的作用日益显著。在工业生产自动化、能源、交通、环境与安全监测以及军事等方面开发的各种传感器,不仅具有人的感官功能,并且在检测特殊状态参数方面具有明显优势。
本书以培养生产一线所需的技术应用型人才为目标,突出传感器理论知识的技术应用,以应用为目的,以掌握概念、强化应用为重点。本教材共分12章,第1章、第2章介绍了传感器的定义、组成、分类及一般特性;第3章至第12章分别介绍了电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、气敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器以及智能传感器的工作原理、特性、结构形式、测量电路、误差分析及补偿方法和应用实例。本书内容较广泛,对传感器理论与实用技术进行了探索。
本书内容全部按传感器的工作原理分章,力求详简得当、条理清晰、重点突出,每章末附有一定数量的思考题与习题,以便对书中的难点和重点进行学习掌握,以提高解决实际问题的能力。本教材可作为高等院校电子信息工程、自动控制、电子工程、应用电子技术、机械工程及自动化等专业的教学用书,也可作为相关工程技术人员的学习和参考用书。
本书由北京建筑工程学院孙建民和北京联合大学杨清梅编写。杨清梅编写第1章至第4章,由孙建民编写第5章至第12章。全书在编写过程中得到了北京理工大学王向周教授、北京建筑工程学院陈宝江副教授的热情指导和帮助。在此,对他们表示诚挚的谢意。同时,对本书参考文献的作者致以衷心的感谢。
由于编者水平有限,加之经验不足,书中难免出现错误和疏漏之处,恳请关心和阅读本书的同行与广大读者批评指正。
编者
21世纪高等学校电子信息类专业规划教材
传 感 器 技 术
孙建民杨清梅编著
目录
第1章绪论1
11传感器技术概述1
111传感器技术与信息技术1
112自动检测技术1
12传感器的定义、组成及分类2
121传感器的定义2
122传感器的组成2
123传感器的分类3
13传感器发展的新趋势5
思考题与习题16
第2章传感器的一般特性7
21传感器的静特性7
211测量范围和量程7
212线性度(非线性误差)8
213迟滞9
214重复性10
215灵敏度与灵敏度误差10
216分辨力与阈值11
217稳定性11
218漂移11
219精确度(精度)12
2110误差表达12
22传感器的动态特性13
221动态特性的一般模型13
222传感器对任意输入信号的时域响应与脉冲响应函数15
223传感器的频率响应特性17
224传感器典型环节的动态响应18
225传感器的无失真检测条件21
226传感器的动态性能指标22
23传感器的标定与校准23
231传感器的标定23
232传感器的静态标定24
233传感器的动态标定24
思考题与习题226
第3章电阻式传感器28
31应变式电阻传感器28
311电阻应变片的工作原理28
312电阻应变片的种类和材料30
313电阻应变片的主要特性36
314电阻应变片的测量电路40
315电阻应变片的温度误差及补偿46
316应变式传感器50
32压阻式传感器57
321压阻效应与压阻系数57
322结构与特性65
323测量电路67
324温度补偿69
325压阻式传感器及应用69
33电位器式传感器70
331线性电位器71
332非线性电位器73
333负载特性及负载误差76
思考题与习题379
第4章电感式传感器81
41自感式传感器81
411工作原理81
4.1.2结构形式及特性82
4.1.3转换电路85
4.1.4误差分析87
4.1.5自感式传感器的应用88
42差动变压器式传感器89
4.2.1工作原理89
4.2.2结构形式及特性91
4.2.3转换电路93
4.2.4误差分析94
4.2.5差动变压器的应用94
43电涡流式传感器97
431工作原理及等效电路97
432结构特点99
433转换电路100
4.3.4电涡流式传感器的应用102
44自感式和差动变压器式传感器设计104
441设计步骤105
442设计举例107
思考题与习题4109
第5章电容式传感器111
51工作原理、类型及性能111
511工作原理111
512基本类型111
513主要性能116
52转换电路118
5.2.1电容式传感器的等效电路118
5.2.2电桥电路119
5.2.3运算放大器式电路121
53误差分析121
54电容式传感器的特点及应用124
541电容式传感器的特点124
542电容式传感器的应用126
思考题与习题5128
第6章磁电式传感器130
61磁电式传感器理论基础130
62磁电式传感器131
621恒定磁通磁电式传感器131
622变磁阻磁电式传感器132
63磁电式传感器设计基础133
631磁路设计133
632线圈参数计算与设计138
633传感器固有频率的确定及弹簧刚度的计算139
634阻尼器设计及阻尼系数的计算142
64磁电式传感器的误差143
641电流和电压灵敏度的误差143
642温度误差144
643永久磁铁不稳定误差145
644非线性误差145
65磁电式传感器的应用146
651振动测量146
652扭矩测量148
653流量测量148
思考题与习题6149
第7章压电式传感器150
71压电效应与压电材料150
711压电效应150
712压电材料154
72压电式传感器测量电路157
721压电式传感器等效电路157
722电压放大器158
723电荷放大器160
73压电式传感器的误差161
731环境温度的影响161
732环境湿度的影响162
733横向灵敏度163
734基座应变的影响163
735电缆噪声163
736接地回路噪声164
74压电式传感器的应用164
741压电式加速度传感器164
742压电式力传感器170
743压电式压力传感器171
744压电式超声波传感器173
745压电式微位移传感器175
思考题与习题7175
第8章光电式传感器177
8.1光电效应及光电器件177
8.1.1光电效应177
812外光电型光电器件179
813光电导型光电器件180
814光伏型光电器件184
8.1.5光电传感器的应用189
8.2光纤传感器191
8.2.1光纤的结构和传光原理191
8.2.2光纤的性能192
823光纤传感器及应用193
83电荷耦合器件204
831CCD的基本结构和工作原理205
8.3.2电荷的注入和输出206
833CCD图像传感器207
834CCD的主要参数209
835CCD传感器的应用211
思考题与习题8213
第9章热电式传感器214
91热电偶传感器214
911热电偶测温原理214
912热电偶的基本定律216
913热电偶传感器218
914热电偶的误差及补偿措施222
915热电偶的标定228
92热电阻传感器230
921热电阻测温原理230
922金属热电阻230
923半导体热敏电阻232
93其他测温传感器236
931晶体管PN结温度传感器236
932晶体三极管温度传感器237
933集成温度传感器238
934薄膜热敏传感器238
思考题与习题9239
第10章气、湿敏传感器240
101气敏传感器240
1011半导体气敏传感器240
1012固体电解质气敏传感器243
102湿敏传感器244
1021烧结型半导体陶瓷湿敏传感器244
1022多孔氧化物湿敏传感器247
1023结型和MOS型湿敏传感器250
1024其它湿敏传感器251
103气、湿敏传感器的应用253
1031自动吸排油烟机254
1032便携式缺氧监视器255
1033SMC2型湿度传感器的应用256
1034自动去湿器257
1035自动烹调湿度检测系统257
思考题与习题10258
第11章磁敏传感器259
111霍尔传感器259
1111霍尔效应259
1112霍尔元件260
1113霍尔传感器的应用268
112磁阻传感器271
1121磁阻效应271
1122磁阻元件271
1123磁阻传感器的应用272
113磁敏二极管和磁敏三极管274
1131磁敏二级管275
1132磁敏三极管278
1133磁敏二极管和磁敏三极管的应用281
思考题与习题11283
第12章智能传感器284
12.1概述284
12.1.1智能传感器的概念284
12.1.2智能传感器的特点及结构284
12.2智能传感器的数据采集285
12.2.1信号的预处理285
12.2.2数据采集285
12.3智能传感器的数据处理技术287
12.3.1标度变换技术288
1232非线性补偿技术289
12.3.3温度误差补偿技术291
12.3.4数字滤波技术293
12.4智能传感器设计294
12.4.1结构设计295
12.4.2敏感元件设计295
12.4.3传感器工艺设计295
1244软件设计296
思考题与习题12297
参考文献298