傳感器原理與檢測技術（簡體書）

《傳感器原理與檢測技術/21世紀高等院校電氣信息類系列教材》從傳感器檢測應用技術的角度出發，詳細介紹了電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、集成溫度傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器、壓電式傳感器等常用傳感器的工作原理和典型應用，以及傳感器及檢測技術的一些基本概念、傳感器信號采集與處理技術和抗干擾技術，同時還介紹了傳感器創新應用方法，列舉了應用實例。
《傳感器原理與檢測技術/21世紀高等院校電氣信息類系列教材》可作為電氣工程、自動化、信息技術、測控技術等專業學生的專業基礎課教材，也可供有關專業師生、從事測試工程工作的技術人員參考。

傳感器及檢測技術是信息技術的核心之一。隨著人類探知領域和空間的拓展，人們需要獲得的信息種類日益增多，這就要求對各種信息的獲取技術（即傳感器及檢測技術）要不斷滿足信息化發展的需要。
本書從傳感器及檢測技術應用的角度出發，主要介紹了傳感器的原理、傳感器的測量電路、傳感器的應用、傳感器信號采集與處理技術、抗干擾技術、創新設計方法及案例等內容。全書共分16章，第1章是傳感器及檢測技術的基本概念，介紹傳感器的組成、定義和
分類；傳感器檢測裝置的基本性能以及靜態特性和動態特性。第2章是誤差分析基礎，介紹誤差的表示及特征；誤差的分類與判斷處理方法；誤差的合成與分配。第3～12章介紹了十種常用傳感器的原理、測量電路和應用。第13章是信號變換電路，介紹直流一交流一直流、電壓一電流一電壓、電壓一頻率一電壓、數一模一數等變換器的工作原理及應用。第14章是傳感器信號采集與處理技術，介紹傳感器數據采集裝置的功能和結構；多路模擬開關和采樣／保持器；數據采集裝置的技術性能；數據采集系統設計的基礎知識；傳感器信號數字濾波技術、標度變換技術、非線性補償技術。第15章是抗干擾技術，介紹干擾產生的危害和原因；不同類型的干擾及特點；干擾的耦合方式；抗干擾的屏蔽、隔離和接地技術。第16章是創新設計方法及案例，介紹檢測技術創新應用的思維方法和技巧；根據日常生活中發生的事件，提出利用檢測技術解決的方案。
本書從培育學生實際應用和創新能力出發，力求突出以下特點：
（1）每章在結構上按照本章要點、學習要求、本章內容、知識拓展（或創新、設計與應用）、問題與思考、本章小結、習題的形式編寫。
（2）本教材屬專業基礎教學用書，內容涉及面較寬，側重基本概念、基本原理和應用方法，避免繁瑣的理論推導和公式演算。
（3）傳感器作為檢測技術的關鍵，種類很多。本教材主要介紹了電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、集成溫度傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器、壓電式傳感器等常用傳感器，目的是借此介紹傳感器應用的基本方法。
（4）為了適應創新應用型人才的培養要求，本教材在章節內容中或習題中設計了一些創新思考的問題，并特別增加了“創新設計方法及案例”一章內容。
本書由中國礦業大學信息與電氣工程學院童敏明、唐守鋒、董海波共同編寫。
由于作者水平有限，書中難免有不妥之處，殷切希望各院校師生及廣大讀者提出寶貴意見。
編者

出版說明
前言

緒論
0.1 本教材的性質和內容
0.2 傳感器及檢測技術的廣泛應用及發展前景
0.3 本教材的目的問題與思考

第1章 傳感器及檢測技術的基本概念
1.1 傳感器的定義
1.2 傳感器的分類
1.3 測量方法及檢測裝置的基本性能
1.3.1 測量方法的分類
1.3.2 真值與平均值
1.3.3 檢測裝置的基本性能
1.4 傳感器的靜態特性
1.4.1 傳感器靜態特性的表示方法
1.4.2 傳感器的主要靜態性能指標
1.5 傳感器的動態特性
1.5.1 一階傳感器系統
1.5.2 二階傳感器系統
知識拓展
問題與思考
本章小結
習題

第2章 誤差分析基礎
2.1 測量與誤差
2.1.1 學習誤差的意義
2.1.2 誤差的表示方法
2.2 測量誤差的分類
2.2.1 按誤差出現的規律分類
2.2.2 按誤差來源分類
2.2.3 按照被測量隨時間變化的速度分類
2.2.4 按使用條件分類
2.3 誤差的判斷與處理方法
2.3.1 系統誤差
2.3.2 隨機誤差分析方法
2.3.3 疏失誤差或粗大誤差的處理
2.4 測量誤差的合成與分配
2.4.1 測量誤差的合成
2.4.2 測量誤差的分配
知識拓展
問題與思考
本章小結
習題

第3章 電阻應變式傳感器
3.1 電阻應變式傳感器的工作原理
3.1.1 電阻應變片（計）
3.1.2 電阻應變片的種類
3.1.3 電阻應變片的選用及粘貼
3.1.4 應變片的動態響應特性
3.1.5 電阻應變片的溫度誤差及其補償
3.2 電橋檢測原理及電阻應變片橋路
3.2.1 電橋概述
3.2.2 不平衡單臂電橋的工作特性
3.2.3 差動電橋的工作特性
3.2.4 雙差動電橋的工作特性
3.2.5 相對臂電橋的工作特性
3.2.6 提高不平衡電橋輸出線性度的方法
3.2.7 直流電橋的調零
3.2.8 交流電橋及其平衡
3.3 電阻應變式傳感器的典型應用
3.3.1 電阻應變式傳感器應用特點
3.3.2 電阻應變式傳感器的應用
問題與思考
本章小結
習題

第4章 電容式傳感器
4.1 電容式傳感器的定義與工作原理
4.1.1 電容式傳感器的定義
4.1.2 電容式傳感器的工作原理
4.2 電容式傳感器的工作特性
4.2.1 變極距型電容傳感器
4.2.2 變面積型電容傳感器
4.2.3 變介質型電容傳感器
4.2.4 電容式傳感器的其他特性
4.3 電容式傳感器的結構及抗干擾問題
4.3.1 溫度變化對結構穩定性的影響
4.3.2 溫度變化對介質介電常數的影響
4.3.3 絕緣問題
4.3.4 電容電場的邊緣效應
4.3.5 寄生電容
4.4 電容式傳感器的測量電路
4.4.1 調幅型測量電路
4.4.2 諧振測量電路
4.4.3 脈沖寬度調制電路
4.5 電容式傳感器的應用
知識拓展
問題與思考
本章小結
習題

第5章 電感式傳感器
5.1 自感式傳感器
5.1.1 閉磁路式自感傳感器
5.1.2 螺管型自感傳感器
5.1.3 差動自感傳感器
5.1.4 自感傳感器的測量電路
5.1.5 自感傳感器的主要誤差
5.2 互感式傳感器
5.2.1 螺管型互感傳感器
5.2.2 互感傳感器的主要性能
5.2.3 差動變壓器的測量電路
5.3 電渦流式傳感器
5.3.1 電渦流傳感器原理
5.3.2 電渦流傳感器特性分析
5.3.3 高頻反射電渦流傳感器
5.3.4 低頻透射電渦流傳感器
5.3.5 測量電路
5.4 電感式傳感器的應用
5.4.1 電（自）感式傳感器的應用
5.4.2 差動變壓器式傳感器的應用
5.4.3 電渦流傳感器的應用
問題與思考
本章小結
習題

第6章 熱電阻傳感器
6.1 金屬熱電阻
6.1.1 金屬熱電阻的工作原理和材料
6.1.2 常用金屬熱電阻
6.1.3 金屬熱電阻傳感器的結構
6.1.4 金屬熱電阻傳感器的測量電路
6.1.5 金屬熱電阻的應用
6.2 半導體熱敏電阻
6.2.1 熱敏電阻分類及結構
6.2.2 熱敏電阻的特性
6.2.3 新材料熱敏電阻
6.2.4 熱敏電阻的線性化
6.2.5 熱敏電阻的應用
問題與思考
本章小結
習題

第7章 熱電偶傳感器
7.1 熱電偶傳感器的工作原理
7.2 熱電偶應用定則
7.3 常用熱電偶
7.4 補償導線與冷端補償
7.4.1 補償導線
7.4.2 冷端補償
7.5 熱電偶實用測量電路
7.6 熱電偶應用實例
問題與思考
本章小結
習題

第8章 集成溫度傳感器
8.1 集成溫度傳感器的基本工作原理
8.2 集成溫度傳感器的信號輸出方式
8.3 常用集成溫度傳感器
8.4 集成溫度傳感器的應用
問題與思考
本章小結
習題

第9章 霍爾傳感器
9.1 霍爾效應和工作原理
9.2 霍爾元件連接方式和輸出電路
9.2.1 基本測量電路
9.2.2 霍爾元件的連接方式
9.2.3 霍爾電勢的輸出電路
9.3 霍爾元件的測量誤差和補償方法
9.3.1 零位誤差及補償方法
9.3.2 溫度誤差及其補償
9.4 霍爾傳感器的應用
問題與思考
本章小結
習題

第10章 光電傳感器
10.1 光電效應及光電器件
10.1.1 光電效應
10.1.2 光電管、光電倍增管
10.1.3 光敏電阻
10.1.4 光敏晶體管
10.1.5 光電池
10.2 光電傳感器的光源及測量電路
10.2.1 光電傳感器的光源
10.2.2 光電傳感器的測量電路
10.3 一般形式的光電傳感器及其應用
10.3.1 一般形式的光電傳感器
10.3.2 光電傳感器的應用
問題與思考
本章小結
習題

第11章 超聲波傳感器
11.1 超聲波及其物理性質
11.1.1 超聲波的波形及其傳播速度
11.1.2 超聲波的反射和折射
11.2 超聲波傳感器的分類
11.2.1 超聲探頭的分類
11.2.2 超聲換能器
11.3 超聲波傳感器應用
知識拓展
問題與思考
本章小結
習題

第12章 壓電式傳感器
12.1 壓電式傳感器的工作原理
12.1.1 壓電效應
12.1.2 壓電效應表達式
12.1.3 石英晶體的壓電效應機理
12.1.4 壓電陶瓷的壓電效應機理
12.1.5 壓電式傳感器的預載與技巧
12.1.6 壓電式傳感器的特性
12.2 壓電式傳感器的測量電路
12.2.1 壓電式傳感器的等效電路
12.2.2 壓電式傳感器的測量電路
12.3 壓電式傳感器的應用
問題與思考
本章小結
習題

第13章 信號變換電路
13.1 直流-交流-直流變換
13.1.1 微弱信號的直流-交流變換工作原理
13.1.2 交流-直流變換工作原理
13.1.3 集成調制式直流放大器
13.2 電壓-電流變換
13.2.1 浮動負載的電壓-電流變換器
13.2.2 負載接地的電壓-電流變換器
13.2.3 實用電壓-電流變換器
13.2.4 集成V-I變換器
13.3 電流-電壓變換
13.4 電壓-頻率和頻率-電壓變換
13.4.1 電壓-頻率變換器
13.4.2 頻率-電壓變換器
13.5 數/模變換與模/數變換
13.5.1 數/模（D-A）轉換器
13.5.2 模/數（A-D）轉換器
知識拓展
問題與思考
本章小結
習題

第14章 傳感器信號采集與處理
技術
14.1 傳感器數據采集裝置的功能
14.2 數據采集裝置的結構配置
14.2.1 多路掃描數據采集結構
14.2.2 多路數據并行采集結構
14.3 多路模擬開關和采樣/保持器
14.3.1 多路模擬開關
14.3.2 采樣/保持器
14.4 數據采集裝置的技術性能
14.4.1 分辨率與精度
14.4.2 采樣速度
14.5 數據采集系統設計
14.5.1 數據采集系統設計的基本原則
14.5.2 系統設計的一般步驟
14.6 數字濾波技術
14.6.1 算術平均值法
14.6.2 移動平均濾波
14.6.3 加權平均濾波
14.6.4 中值法
14.6.5 一階慣性濾波法
14.6.6 抑制脈沖算術平均法
14.7 標度變換
14.7.1 標度變換原理
14.7.2 非線性檢測信號的標度變換
14.8 非線性補償技術
14.8.1 線性插值法
14.8.2 二次拋物線插值法
14.8.3 查表法
知識拓展
問題與思考
本章小結
習題

第15章 抗干擾技術
15.1 電磁干擾及其危害
15.1.1 電磁干擾及三要素
15.1.2 被干擾裝置的敏感度
15.1.3 電磁干擾的危害
15.2 干擾的分類
15.2.1 電磁干擾源的分類
15.2.2 按噪聲產生的原因分類
15.2.3 按噪聲傳導模式分類
15.2.4 按噪聲波形及性質分類
15.3 干擾的耦合方式
15.3.1 電導性耦合方式
15.3.2 公共阻抗耦合方式
15.3.3 電容耦合方式
15.3.4 電磁感應耦合方式
15.3.5 輻射耦合干擾
15.3.6 漏電耦合方式
15.4 屏蔽技術
15.4.1 屏蔽的一般原理
15.4.2 電場屏蔽
15.4.3 電磁場屏蔽
15.4.4 磁場屏蔽
15.5 隔離技術
15.5.1 光電隔離
15.5.2 繼電器隔離
15.6 接地技術
15.6.1 接地概述
15.6.2 工作接地
15.6.3 屏蔽接地
15.7 抗干擾設計舉例
15.7.1 傳輸線抗干擾設計
15.7.2 印制電路板的抗干擾設計
15.7.3 傳感器電路的屏蔽與接地設計
15.7.4 電源所致干擾的抑制知識拓展
問題與思考
本章小結
習題

第16章 創新設計方法及案例
16.1 檢測技術創新設計方法
16.1.1 檢測技術創新設計的一般步驟
16.1.2 檢測技術創新設計的基本方法
16.2 檢測技術創新設計案例
16.2.1 設計案例一——司機瞌睡監測提醒裝置
16.2.2 設計案例二——跳遠犯規檢測器
16.2.3 設計案例三——安全輸液報警器
16.2.4 設計案例四——雨天自動收衣裝置
16.2.5 設計案例五——玻璃破碎監測系統
16.2.6 設計案例六——熱電阻真空度測量裝置
16.2.7 設計案例七——臺燈照度檢測及自動調光裝置
16.2.8 設計案例八——防止酒后駕車裝置
16.2.9 設計案例九——燃氣灶防干燒裝置
16.2.10 設計案例十——公交投幣箱假硬幣檢測儀
知識拓展
創新設計
參考文獻

 

 

2．穩定性
檢測裝置的穩定性是指測量值隨時間的變化程度。穩定性表示傳感器檢測裝置在一個較長時間內保持其性能參數的能力。理想的情況是，無論何時傳感器的靈敏度等特性參數都不隨時間變化。但實際上，隨著時間的推移，大多數傳感器的特性會改變。這是因為傳感元件或構成傳感器部件的特性隨時間發生變化，產生一種經時變化的現象。即使長期放置不用的傳感器也會產生經時變化的現象。變化與使用次數有關的傳感器，受到這種經時變化的影響更大。因此，傳感器必須定期進行校準，特別是作標準用的傳感器更是這樣。
影響檢測裝置穩定性的因素主要包括：
?零點漂移：在一定條件下，保持輸入信號不變，輸出信號隨時間而變化。產生零點漂移的原因很多，如環境溫度、濕度的影響，檢測電路元器件的影響等。零點漂移會增加檢測結果的誤差。對一些非連續進行檢測的儀器，往往需要接通電源后，先調整零點再進行測量；對一些長期安裝在工作環境中的監測儀器，則需要定期進行零點的調整，以保證檢測的可靠性。也可以采用一些零點自動調整技術，避免零點漂移對檢測精度的影響。
?標定測值的變化：任何檢測儀器在出廠前都必須進行標定，即在標準被測量的條件下調整測量顯示值，使儀器能夠真正反映被測量。但是隨著儀器使用時間的延長，由于傳感器靈敏度的衰減或其他原因，儀器的標定值要發生變化，它直接影響檢測的精度。在許多情況下，儀器標定值的穩定性與傳感器的使用壽命有關，傳感器的使用壽命越短，其靈敏度衰減越快，標定值變化得越大，要保證測量的準確性，需要定期對儀器進行標定。
1．4 傳感器的靜態特性
1．4．1 傳感器靜態特性的表示方法
傳感器作為感受被測量信息的器件，總是希望它能按照一定的規律輸出有用信號，因此需要研究其輸出一輸入的關系及特性，以便用理論指導其設計、．制造、校準與使用。理論和技術上表征輸出一輸入之間的關系通常是以建立數學模型來體現的，這也是研究科學問題的基本出發點。由于傳感器可能用來檢測靜態量（即輸入量是不隨時間變化的常量）、準靜態量或動態量（即輸入量是隨時間而變化的量），理論上應該用帶隨機變量的非線性微分方程作為數學模型，但這將在數學上造成困難。由于輸入信號的狀態不同，傳感器所表現出來的輸出特性也不同，所以實際上，傳感器的靜、動態特性可以分開來研究。因此，對應于不同性質的輸入信號，傳感器的數學模型常有動態與靜態之分。由于不同性質的傳感器有不同的內在參數關系（即有不同的數學模型），它們的靜、動態特性也表現出不同的特點。為了研究各種傳感器的共性，本節根據數學理論提出傳感器的靜、動態兩個數學模型的一般式，然后根據各種傳感器的不同特性，再作以具體條件的簡化后給予分別討論。應該指出的是，一個高性能的傳感器必須具備良好的靜態和動態特性，這樣才能完成無失真的轉換。
……