傳感器與檢測技術（簡體書）

《傳感器與檢測技術》從實用角度出發，主要介紹常用傳感器的工作原理、外特性及基本應用電路，并介紹了選擇和應用傳感器的基本技能。全書共10章，主要內容包括：檢測技術基礎、力學量傳感器及應用、幾何量傳感器及應用、溫度量傳感器及應用、環境量傳感器及應用、光學量傳感器及應用、磁學量傳感器及應用、數字量傳感器及應用、傳感器選用與標定和抗干擾技術及微機接口技術。
傳感器與檢測技術是整個自動化技術中的重要基礎，是一門理論與實踐結合十分密切的技術基礎課程，在整個機電一體化學科體系中占有非常重要的地位。
《傳感器與檢測技術》可作為高等職業教育機電一體化技術類、電子信息類等專業的教材，也可作為成人教育、職業培訓的教材，還可作為生產技術管理人員及其他工程技術人員參考和自學用書。

《傳感器與檢測技術》為工業和信息化高職高專“十二五”規劃教材立項項目·21世紀高職高專機電工程類規劃教材之一。

第1章 檢測技術基礎知識 1
1.1 檢測技術的應用 1
1.2 測量與測量誤差 4
1.2.1 測量的概念 4
1.2.2 測量方法 4
1.2.3 測量誤差及表達方式 6
1.2.4 測量誤差的分類 8
1.2.5 測量誤差的分析與處理 8
1.3 傳感器的基本知識 13
1.3.1 傳感器的定義、組成和分類 13
1.3.2 傳感器的基本特性 16
1.4 檢測系統 18
1.4.1 檢測的基本概念 18
1.4.2 自動檢測系統 18
1.5 傳感器與檢測技術發展趨勢 20
1.5.1 傳感器的發展方向 20
1.5.2 檢測技術的發展趨勢 22
本章小結 24
思考與練習 25

第2章 力學量傳感器及應用 27
2.1 壓力檢測基礎 28
2.1.1 壓力的定義 28
2.1.2 壓力的表示方法 28
2.1.3 壓力的計量單位 28
2.1.4 壓力測量儀表的分類 28
2.2 彈性敏感元件 29
2.2.1 彈性敏感材料的彈性特性 29
2.2.2 彈性敏感元件的材料及基本要求 31
2.2.3 變換力的彈性敏感元件 31
2.2.4 變換壓力的彈性敏感元件 33
2.3 電阻應變式傳感器 35
2.3.1 應變效應與應變片 35
2.3.2 測量轉換電路 39
2.3.3 應變式傳感器應用實例 42
2.4 固態壓阻式傳感器 44
2.4.1 半導體壓阻效應 45
2.4.2 擴散型壓阻式傳感器 45
2.5 壓電式力學傳感器 46
2.5.1 壓電效應 46
2.5.2 壓電材料 48
2.5.3 壓電式傳感器測量電路 50
2.5.4 壓電式傳感器的應用 52
本章小結 55
思考與練習 55
實訓題目1 電阻應變式傳感器 57
實訓項目2 壓電傳感器的動態響應實訓 59

第3章 幾何量傳感器及應用 61
3.1 電位器式位移傳感器 62
3.1.1 電位器位移傳感器原理和基本結構 62
3.1.2 電位器傳感器負載特性 63
3.1.3 電位器傳感器的應用實例 64
3.2 電容式幾何量傳感器 65
3.2.1 電容式傳感器工作原理及類型 65
3.2.2 電容式傳感器的轉換電路 69
3.2.3 電容式傳感器的應用 73
3.3 電感式幾何量傳感器 75
3.3.1 自感式傳感器 75
3.3.2 差動變壓器式傳感器 81
3.4 電渦流傳感器 86
3.4.1 渦流效應 87
3.4.2 電渦流傳感器的工作原理 87
3.4.3 電渦流傳感器基本結構和類型 88
3.4.4 測量電路 90
3.4.5 電渦流傳感器的應用 91
3.5 超聲波傳感器 93
3.5.1 超聲波及其物理性質 94
3.5.2 超聲波探頭及耦合技術 96
3.5.3 超聲波傳感器的應用 99
本章小結 103
思考與練習 104
實訓題目3 電容式傳感器 107
實訓題目4 差動變壓器的標定(靜態位移性能) 108
實訓題目5 電渦流式傳感器的應用——振幅測量 109

第4章 溫度量傳感器及應用 111
4.1 溫度測量基本知識 112
4.1.1 溫度的基本概念 112
4.1.2 溫標 112
4.1.3 溫度傳感器的分類及發展方向 113
4.2 電阻式溫度傳感器 113
4.2.1 熱電阻傳感器 113
4.2.2 熱敏電阻和集成溫度傳感器 117
4.3 熱電式溫度傳感器 121
4.3.1 熱電偶工作原理 121
4.3.2 熱電偶的結構形式及材料 125
4.3.3 熱電偶冷端延長 128
4.3.4 熱電偶實用測溫線路和溫度補償 129
4.3.5 熱電偶傳感器應用實例 132
本章小結 134
思考與練習 134
實訓項目6 熱電偶原理及現象 136

第5章 環境量傳感器及應用 138
5.1 氣敏電阻傳感器 139
5.1.1 氣敏傳感器的材料及工作原理 139
5.1.2 氣敏元件的基本測量電路 139
5.1.3 氣敏電阻元件的種類 140
5.1.4 氣敏傳感器的應用 141
5.2 濕敏電阻傳感器 143
5.2.1 濕度的概念和表示方法 143
5.2.2 比較成熟的幾類濕敏傳感器 143
5.2.3 濕敏傳感器的應用實例——ZHG型濕敏電阻及其應用 145
本章小結 146
思考與練習 146
實訓題目7 濕敏電阻(RH)傳感器 147

第6章 光學量傳感器及應用 148
6.1 光電效應及光電元器件 149
6.1.1 光電效應及分類 149
6.1.2 光電管及基本測量電路 150
6.1.3 光電倍增管及基本測量電路 151
6.1.4 光敏電阻及基本測量電路 153
6.1.5 光敏晶體管及基本測量電路 155
6.1.6 光電池及基本測量電路 158
6.1.7 光電耦合器件及基本測量電路 160
6.2 光電式傳感器的應用 162
6.2.1 光電式傳感器應用類型 162
6.2.2 光電式傳感器應用實例 163
6.3 光纖傳感器 165
6.3.1 光纖傳感器概述 165
6.3.2 光纖的結構和傳輸原理 165
6.3.3 光纖傳感器 167
6.3.4 光纖傳感器的應用 168
6.4 紅外傳感器 169
6.4.1 紅外輻射基礎 170
6.4.2 紅外探測器 170
6.4.3 紅外傳感器的應用 171
本章小結 173
思考與練習 174
實訓項目8 光電傳感器(反射型)測轉速實訓 175
實訓題目9 光纖位移測量 176

第7章 磁學量傳感器及應用 178
7.1 霍爾式磁學量傳感器 179
7.1.1 霍爾效應 179
7.1.2 霍爾元件和測量電路 180
7.1.3 霍爾元件主要特性參數 181
7.1.4 霍爾元件的誤差補償 182
7.1.5 集成霍爾傳感器 184
7.1.6 霍爾傳感器的應用 185
7.2 其他磁敏傳感器及應用 188
7.2.1 磁敏電阻器 188
7.2.2 磁敏二極管 189
7.2.3 磁敏三極管 191
7.2.4 磁敏二極管和磁敏三極管的應用 193
本章小結 193
思考與練習 194
實訓題目10 霍爾傳感器直流激勵特性 195

第8章 數字量傳感器及應用 197
8.1 柵式數字傳感器 198
8.1.1 光柵的類型和結構 198
8.1.2 光柵的工作原理 200
8.1.3 光柵式傳感器的測量電路 201
8.2 數字編碼器 204
8.2.1 接觸式碼盤編碼器 204
8.2.2 光電式編碼器 205
8.2.3 電磁式編碼器 206
8.2.4 脈沖盤式數字傳感器 206
8.3 感應同步器 208
8.3.1 直線式感應同步器的結構和工作原理 208
8.3.2 旋轉式感應同步器(圓感應同步器) 211
8.3.3 感應同步器位移測量系統 212
8.4 頻率式數字傳感器 212
8.4.1 改變力學系統固有頻率的頻率傳感器 213
8.4.2 RC振蕩器式頻率傳感器 214
8.4.3 壓控振蕩器式頻率傳感器 214
8.4.4 頻率式傳感器的基本測量電路 214
本章小結 215
思考與練習 216

第9章 傳感器選用與標定 217
9.1 傳感器選用原則 217
9.1.1 測量方式選擇 218
9.1.2 傳感器性能指標選擇 218
9.2 傳感器的標定與校準 220
9.2.1 標定與校準的概念 220
9.2.2 傳感器標定方法 220
9.2.3 傳感器的靜態標定 220
9.2.4 傳感器的動態標定 221
本章小結 223
思考與練習 223

第10章 抗干擾技術及微機接口技術 224
10.1 傳感器抗干擾技術 225
10.1.1 干擾的來源及形式 225
10.1.2 抑制干擾的途徑 227
10.1.3 屏蔽技術 228
10.1.4 接地技術 229
10.1.5 浮置技術 230
10.1.6 其他抑制干擾的措施 231
10.2 傳感器與微機接口技術 231
10.2.1 信號預處理 231
10.2.2 數據采集 233
10.2.3 ADC接口技術 235
10.3 自動檢測技術綜合應用實例——基于AT89C2051和DS18B20的溫度測量系統 238
10.3.1 數字溫度傳感器DS18B20 238
10.3.2 AT89C2051單片機 240
10.3.3 AT89C2051與DS18B20組成的測溫系統 241
10.3.4 軟件設計 242
本章小結 244
思考與練習 244

參考文獻 246

溫度是表征物體或系統的冷熱程度的物理量，它是國際單位制中七個基本單位之一。從能量角度看，溫度是描述系統不同自由度間能量分配狀況的物理量；從熱平衡觀點看，溫度是描述熱平衡系統冷熱程度的物理量；從分子物理學角度看，溫度反映了物體內部分子無規則運動的劇烈程度。國際上規定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。
熱電阻傳感器是利用電阻隨溫度變化的特性而制成的，它在工業上被廣泛用來對溫度和溫度有關參數的檢測。按熱電阻性質的不同，熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類。當被測溫度變化時，導體的電阻隨溫度變化而變化，通過測量電阻值變化的大小而得出溫度變化的情況及數值大小。熱敏電阻按溫度系數不同可分為正溫度系數（PTC）和負溫度系數（NTC）兩種。
熱電偶傳感器工作原理是基于熱電效應。熱電勢由兩部分組成，一部分是接觸電勢，另一部分是溫差電勢，熱電偶回路中接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，所以熱電勢大小主要由接觸電勢決定。熱電偶有四個重要的基本定律，即均質導體定律、中間導體定律、標準電極定律和中間溫度定律，它們有著重要的實際應用價值。熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熟電偶和薄膜熱電偶等。熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置等部分組成。根據工業標準化的情況，熱電偶可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩種類型。補償導線的作用是將熱電偶的冷端延長到溫度相對穩定的地方。它是由兩種不同材料的、相對比較便宜的金屬導體組成。它們的自由電子密度比和所配接型號的熱電偶的自由電子密度比相等。各種補償導線必須在規定的溫度范圍內使用，且只能與相應型號的熱電偶配用。熱電偶的溫度補償有冷端恒溫法、計算修正法、電橋補償法、儀表機械零點調整法和軟件處理法等。