本书从理论及工程应用的角度, 系统地介绍了传感器原理､ 检测技术及其应用｡ 全书由 6 章组成｡ 第 1 章介绍了检测技术的基本概念､ 误差处理技术和检测系统设计方法等基础知识｡ 第 2 章介绍了传感器的基本原理､ 静动态特性, 常见的､ 应用广泛的以及新型的传感器, 如电阻式､ 电容式､ 电感式､ 压电式､ 压阻式､ 光纤传感器和化学､ 生物传感器等｡ 第3 章则重点阐述了获得测量信号后, 如何对其进行变换和处理, 以获得期望的工程数据｡ 第 4､ 6 章介绍了各种物理量的测量方法, 如温度､ 流量､物位､ 位移､ 压力､ 成分与含量等及检测技术工程应用实例｡ 第 5 章简要介绍了现代检测新技术, 以使读者了解当前检测技术的新发展｡
本书既可作为自动化､ 电气､ 电子专业的本科教材, 也可作为硕士研究生及相关工程技术人员的参考书｡
检测技术, 作为人类认识和改造客观世界的一种必不可少的重要手段, 近几年来其所涵盖的内容更加深刻和广泛, 而以此为基础的现代系统的设计水平也在快速提高｡ 本书将传感器原理､ 自动检测技术和测量技术工程应用等内容有机地整合在一起, 这样, 读者不仅可以了解各种传感器的工作原理, 而且可以知道检测系统设计的要点和传感器的工程应用, 以便做到有的放矢｡ 全书由 6 章组成｡ 第 1 章介绍了检测技术的基本概念､ 误差处理技术和检测系统设计方法等基础知识｡ 第 2 章介绍了传感器的基本原理､ 静动态特性, 常见的､ 应用广泛的以及新型的传感器, 如电阻式､ 电容式､ 电感式､ 压电式､ 压阻式､ 光纤传感器和化学､ 生物传感器等｡ 第 3 章则重点阐述了获得测量信号后, 如何对其进行变换和处理, 以获得期望的工程数据｡ 第 4､ 6 章介绍了各种物理量的测量方法, 如温度､ 流量､ 物位､ 位移､压力､ 成分与含量等及检测技术工程应用实例｡ 第 5 章简要介绍了现代检测新技术, 以使读者了解当前检测技术的新发展｡
本书由尚丽平教授主编｡ 第 1､ 5 章由郭玉英教授编写｡ 第 2 章中, 2. 1 ~ 2. 4 节由王建伟副教授编写, 2. 5 ~ 2. 7 节由武丽副教授和李俊国副教授编写｡ 第 3 章中, 3. 5 节由武丽副教授编写, 其余内容由朱玉玉副教授编写｡ 第 4 章中, 4. 1 ~ 4. 4 节由张春峰老师编写, 4. 5 节由武丽副教授编写, 4. 6 ~ 4. 8 节由李俊国副教授编写｡ 第 6 章 6. 1 节由武丽副教授编写, 6. 2 节由张春峰老师编写｡ 此外, 附录由武丽副教授编写｡ 郭玉英副教授负责全书统稿｡
本书可作为自动化､ 电气､ 电子专业的本科教材, 也可作为硕士研究生及相关工程技术人员的参考书｡
在本书的编写过程中, 周颖癑老师, 王向磊､ 刘栩粼､ 黄浩､ 赵桂及张子诚等同学为本书的撰写做了很多工作, 在此, 谨向他们表示最诚挚的谢意｡现代检测技术发展迅速, 应用广泛,
由于作者的水平和能力有限, 书中谬误和不足之处在所难免, 衷心希望得到广大读者的批评指正｡编 者
序 前
言
第 1 章 检测技术基础知识 1
1.1 检测技术 1
1.1.1 检测系统的基本结构和类型 1
1.1.1.1 检测系统的类型 4
1.1.1.2 检测系统的基本结构 5
1.1.2 检测系统的设计原则 6
1.1.3 检测系统的设计方法 7
1.1.4 检测技术的现状与发展 12
1.2 测量误差及其分析 13
1.2.1 测量误差的基本概念 14
1.2.2 测量误差的分类 17
1.2.2.1 测量误差的分类方法 17
1.2.2.2 精密度､ 正确度和准确度与
误差的关系 18
1.2.3 检测结果的数据分析及其处理 19
1.2.3.1 随机误差的处理 19
1.2.3.2 系统误差的处理 23
1.2.3.3 粗大误差的处理 24
第 2 章 传感器原理 27
2.1 传感器基础知识 27
2.1.1 传感器的定义 27
2.1.2 传感器的组成 28
2.1.3 传感器的分类 28
2.1.4 传感器的基本特性 29
2.1.4.1 静态特性 29
2.1.4.2 动态特性 34
2.2 阻抗型传感器 40
2.2.1 电阻式传感器 40
2.2.1.1 电位器式传感器 40
2.2.1.2 应变式传感器 42
2.2.1.3 热电阻和热敏电阻温度
传感器 45
2.2.2 电容式传感器 46
2.2.2.1 电容式传感器的工作原理及
结构 47
2.2.2.2 电容式传感器的等效电路 50
2.2.3 电感式传感器 51
2.2.3.1 自感式传感器 51
2.2.3.2 互感式电感传感器 54
2.2.3.3 电涡流式传感器 57
2.3 电压型传感器 59
2.3.1 磁电式传感器 59
2.3.1.1 工作原理和结构形式 59
2.3.1.2 基本特性 61
2.3.2 压电式传感器 61
2.3.2.1 压电效应及压电材料 62
2.3.2.2 压电式传感器的等效电路 64
2.3.3 热电偶温度传感器 66
2.3.3.1 热电效应 66
2.3.3.2 热电偶基本定律 68
2.3.3.3 热电偶结构和类型 69
2.3.3.4 热电偶的测温电路及冷
端补偿 70
2.3.4 光电式传感器 73
2.3.4.1 光电效应 73
2.3.4.2 光电器件 75
2.3.4.3 光电器件特性 77
2.3.4.4 光电式传感器的基本组成 80
2.3.5 霍尔式传感器 81
2.3.5.1 霍尔效应和霍尔元件 81
2.3.5.2 霍尔式传感器的基本测量电路及
连接方式 83
2.3.5.3 霍尔式传感器的误差分析与
补偿 83
2.4 新型传感器 85
2.4.1 光纤传感器 85
2.4.1.1 光纤的基本知识 85
2.4.1.2 光纤传感器的工作原理､
构成及分类 85
2.4.2 MEMS 传感器 86
2.5 图像传感器 87
2.5.1 CCD 图像传感器 87
2.5.1.1 CCD 的 MOS 结构及存储
电荷原理 87
2.5.1.2 CCD 的电荷的转移与传输 88
2.5.1.3 CCD 的电荷读出 89
2.5.1.4 CCD 摄像原理 90
2.5.2 CMOS 图像传感器 90
2.5.2.1 无源像素被动式传感器 91
2.5.2.2 有源像素主动式传感器 92
2.5.2.3 CMOS 图像传感器与 CCD 图像
传感器比较 92
2.5.2.4 固态图像传感器的
应用设计 93
2.6 半导体集成传感器 94
2.6.1 半导体集成数字温度传感器
DSB1820 的原理及应用 95
2.6.1.1 DSB1820 引脚结构及
性能特点 95
2.6.1.2 DSB1820 的工作原理 95
2.6.1.3 DSB1820 存储器 96
2.6.1.4 DSB1820 的 ROM 指令 97
2.6.1.5 DSB1820 与单片机的接口
电路 98
2.6.1.6 基于 AT89S51 单片机与
DSB1820 的测温实例 98
2.6.2 数字温度传感器 AD590 98
2.6.2.1 AD590 的主要功能特性 99
2.6.2.2 AD590 的工作原理 100
2.6.2.3 AD590 的应用电路 100
2.6.2.4 AD590 测量温度电路实例 102
2.7 化学､ 生物传感器 104
2.7.1 化学传感器 104
2.7.1.1 离子电极 104
2.7.1.2 极谱法 107
2.7.2 生物传感器 107
2.7.2.1 生物学反应 107
2.7.2.2 生物传感器 108
2.7.2.3 组成结构及功能 109
第 3 章 信号调理及数据处理 111
3.1 电桥电路 112
3.1.1 直流电桥 112
3.1.2 交流电桥 117
3.2 放大电路 119
3.2.1 对放大电路的要求 119
3.2.2 桥式放大电路 126
3.2.3 高输入阻抗放大器 128
3.2.4 隔离放大器 139
3.2.5 可编程序增益放大器 144
3.2.6 电荷放大器 147
3.2.7 零漂移放大器 149
3.3 滤波电路 151
3.3.1 滤波器概述 152
3.3.2 典型有源滤波器 154
3.4 信号转换电路 159
3.4.1 C /F 转换和 R /F 转换电路 159
3.4.2 V /F 和 F /V 转换电路 160
3.4.3 V /I 转换电路 163
3.5 计算机软件处理 ( 误差修正
技术) 165
3.5.1 数字滤波技术 165
3.5.1.1 程序判断滤波 166
3.5.1.2 中位值滤波 167
3.5.1.3 算术平均算法滤波 168
3.5.1.4 递推平均滤波法 168
3.5.1.5 加权平均滤波法 169
3.5.1.6 低通滤波 170
3.5.1.7 高通滤波 171
3.5.1.8 复合滤波 171
3.5.2 非线性校正 172
3.5.2.1 非线性特性分类 173
3.5.2.2 改善非线性特性的方法 173
3.5.3 零点漂移的处理 176
3.5.3.1 方差､ 平均值法 177
3.5.3.2 零点漂移的处理方法 177
3.5.3.3 软件算法设计 178
第 4 章 非电量测量 180
4.1 温度测量 180
4.1.1 测温方法 180
4.1.2 接触式测温法 181
4.1.3 非接触式测温法 183
4.1.4 温度变送器 185
4.2 物位测量 187
4.2.1 测量方法 188
4.2.2 静压式物位测量 189
4.2.3 浮力式物位测量 192
4.2.4 电容式物位测量 193
4.2.5 超声波物位测量 194
4.3 流量测量 196
4.3.1 概述 196
4.3.2 容积式流量计 198
4.3.3 差压式流量计 199
4.3.4 转子流量计 204
4.3.5 涡轮流量计 206
4.3.6 电磁流量计 206
4.3.7 涡街流量计 209
4.3.8 超声波流量计 210
4.4 压力测量 211
4.4.1 概述 211
4.4.2 弹性元件式压力表 213
4.4.3 活塞式压力计 216
4.4.4 压力传感器 217
4.4.5 压力计的校验和使用 221
4.5 位移测量 222
4.5.1 欧姆龙 E6A2 旋转式编码器在
角位移测量系统中的应用 222
4.5.1.1 欧姆龙 E6A2 旋转式编码器的
性能特点 223
4.5.1.2 关于欧姆龙 E6A2 旋转式编码
器测量角位移的应用 224
4.5.1.3 欧姆龙编码器测量旋转角位移
的应用电路及相关程序 224
4.5.2 电涡流式位移传感器在线位移测量
中的应用 228
4.6 力与荷重的测量 234
4.6.1 力与荷重测量的主要误差 234
4.6.2 力与荷重传感器的选用原则 235
4.7 速度､ 转速､ 加速度的测量 236
4.8 成分与含量的测量 238
4.8.1 湿度测量 238
4.8.2 气体成分测量 239
4.8.3 液体成分 ( 离子､ 生物大分子､
非溶性成分) 的测量 240
4.8.4 固体成分测量 241
第 5 章 现代检测新技术 243
5.1 虚拟仪器 243
5.2 网络化仪器和网络化传感器 245
5.3 多传感器数据融合 245
第 6 章 检测技术的应用实例 248
6.1 飞思卡尔智能车系统中的传感器的
选择及应用 248
6.1.1 路径检测传感器 248
6.1.1.1 光电式传感器 248
6.1.1.2 图像传感器 252
6.1.1.3 电磁式传感器 254
6.1.2 测速传感器 258
6.1.2.1 霍尔式传感器检测 258
6.1.2.2 光电编码器 258
6.2 温室环境检测系统中的传感器
选择及应用 261
6.2.1 温度检测 261
6.2.2 湿度检测 264
6.2.3 光照检测 267
6.2.4 CO2检测 267
附录 269
附录 A 铂铑 10 - 铂热电偶 ( S 型)
E( t) 分度表 269
附录 B 镍铬—镍硅热电偶 ( K 型)
E( t) 分度表 270
附录 C Pt100 热电阻分度表 272
附录 D Cu50 热电阻分度表 275
参考文献 276
书单推荐
