《傳感器原理、檢測及應用》從實用的角度結合豐富的應用實例,介紹各類傳感器的工作原理、基本結構、相應的測量適配電路等內容。全書共分13章,第1章簡介傳感器的概念和相關基礎知識;第2~4章介紹電阻、電容和電感式傳感器;第5~10章詳細介紹壓電式、熱電式、光電效應式、光導(纖)式、光柵式、諧振式、輻射式和磁敏式及多種半導體傳感器的原理及應用;第11章介紹智能網絡化傳感器技術及應用;第12章介紹現代生物傳感器和各種新興傳感器的原理、組成、應用以及今后發展的技術趨勢;第13章介紹傳感器的選用和抗干擾方法。本書涉及到的學科門類多,內容廣泛,結構緊湊,突出傳感器的工作原理和實用性。
《傳感器原理檢測及應用》理論結合實踐,可作為電子工程、電子信息技術、自動控制、計算機應用技術、機械電子、電氣、儀器儀表和醫學影像、分子生物學等專業的教學用書,也可作為相關工程技術人員的技術參考書。
《傳感器原理、檢測及應用》特色:內容廣泛,結構緊湊,應用實例豐富,傳統的電阻式、電容式、電感式、壓電式、熱電式、光電效廒式、光導(纖)式、光柵式、諧振式、輻射式和磁敏式及多種半導體傳感器的原理及應用智能網絡化傳感器、現代生物傳感器等各種新興傳感器的原理、組成、應用以及今后的技術發展趨勢傳感器的選用和抗干擾方法。 本書適用范圍:可作為電子工程、電子信息技術、自動控制、計算機應用技術、機械電子、電氣、儀器儀表和醫學影像、分子生物學等專業的教學用書,也可作為相關工程技術人員的技術參考書。 內容廣泛,應用實例豐富,涵蓋最新的無線傳感器,生物傳感器以及多種新興傳感器的工作原理與實用技術。
傳感器是構成信息系統的基礎部件,在某種程度上是決定系統特性和性能指標的關鍵部件。在客觀對象的測量、測試、檢測、監測、分析、定位、跟蹤、導航、制導、控制及健康管理等系統中,傳感器是不可缺少的且在一定程度上決定系統性能的重要部件。因此,無論是材料、元器件和部件,還是系統研發者,對傳感器技術的進展都高度關注。傳感器是科學和工程結合的產物,既依賴于科學的理論和規律,又依賴于現有技術和工藝。
傳感器技術包括傳感器的研究、設計、試制、生產、檢測與應用。它已逐漸成為了一門相對獨立的專門學科。與其他學科相比,它具有如下技術特點:(1)內容范圍廣并且離散;(2)知識密集程度甚高、邊緣交叉學科色彩極濃;(3)技術復雜、工藝新、要求高;(4)品種繁多、應用廣泛;(5)發展快、更新快。由于學科特點,傳感器設計型人才培養主要是從事各專門學科的或者多學科人員交叉合作的結果。因此,傳感器教學首先應當明確是培養傳感器的應用型人才還是設計型人才。其次教材既不能成為傳感器技術手冊,也不可能完全深入各個學科講各種傳感器設計、制造和工藝;應當立足應用,立足培養學生在今后的實際工作中,具有分析選用和使用好最適合的傳感器的能力,并且具有能夠獨立用傳感器及其他部件組成自己需要系統的能力。再者教材要把握如下幾個平衡點:以傳統傳感器為主,兼顧現代傳感器進展;教學要和當前大學傳感器實驗設備相配合,達到相應平衡和擴展;傳感器、檢測和應用三者比重處理要適當,并且要求學生對傳統和現代典型傳感器制造工藝應有一定的了解。總之,我們的目標是培養出能掌握傳統傳感器原理和相關最基本的理論,能獨立設計傳感器及測量相關的應用系統,并具有研發現代傳感器能力的應用型人才。
中國科學技術大學嵌入式系統與控制網絡實驗室從事嵌入式系統和傳感器原理教學與科研已經有30 多年的歷史,從事現場總線控制系統也有10 年歷史。該實驗室老師、工程師和研究生在已有的教材基礎上為便于教學對原教材的內容、結構做了適當的調整、增刪,重新編寫了本書。此外,在多年的教學工作中,筆者發現提高學生對本課程的興趣是十分重要的。因此,在講清楚理論的基礎上多用教材課件、多用圖表,盡可能地把各種實際應用中的傳感器技術講活。同時要很好地與實驗相融合,這對于缺少實踐經驗的本科生更是十分必要的。因此,從事這門課程教學的老師不僅應具有較扎實的理論知識,豐富的實踐科研經驗也是講好本門課的必要條件。
使用本教材時應注意:(1)側重講清楚各類傳感器的原理;(2)結合本書的應用實例,培養學生使用各類傳感器的技巧,指導學生學會對傳感器各種相應電路進行設計;(3)結合本教材的內容可選擇相應的實驗;(4)根據各專業教學計劃,可選擇40 學時或60 學時的相應教學內容。本教材的主要授體為電子工程、信息工程、自動控制、計算機應用、機械電子、電氣、儀器儀表和醫學影像、分子生物學等專業的高校學生和相關專業的工程技術人員。教學時仍然堅持詳細講授電阻式、電容式、電感式、熱電式、壓電式、光電式、光柵式、光導(纖)式、輻射式等傳統或目前已實用傳感器的機理(原理)、結構和應用的內容,注重對學生實際應用和設計能力的培養和訓練。既要將上述內容列為第一重要內容講授,同時,也要給予智能網絡化傳感器和生物傳感器等現代傳感器的講授內容安排適當的課時數,可視專業情況和培養目標而定。
本書是教學科研的總結,由張培仁教授統編審定,各章節執筆人員如下:第1、3、4、5、6、7、8、10、11、12、13 章由張培仁執筆,第2 章由張恩亮、蔣潤、蔣海峰、趙松、潘可、王康正、段雄、張培仁共同執筆,第9 章由杜洪亮、許波、王亮、顏進軍、凌來根、崔軍輝、黃捷、張培仁等共同執筆。由于時間緊,作者水平有限,書中難免存在疏漏和錯誤之處,敬請廣大讀者、同行批評指正。
張培仁
2012年1月于合肥
第1章 傳感器相關基礎知識
1.1 傳感器概述
1.1.1 傳感器定義
1.1.2 傳感器工作原理及應遵循的法則和定律
1.1.3 傳感器的技術特點
1.1.4 傳感器分類
1.1.5 傳感器的重要意義
1.2 傳感器的數學模型概述
1.2.1 靜態模型
1.2.2 動態模型
1.2.3 傳感器靜態特性
1.2.4 傳感器的動態特性
1.3 測量基礎知識
1.3.1 測量與誤差
1.3.2 隨機誤差處理
1.3.3 系統誤差分析
1.3.4 誤差的合成、間接測量誤差的傳遞與分配
1.4 習題
第2章 電阻應變式傳感器
2.1 電阻應變式傳感器基本原理
2.1.1 電阻應變式傳感器的構造與原理
2.1.2 彈性元件結構的設計原則
2.2 電阻應變片的結構、種類和材料
2.2.1 彈性元件材料的選擇
2.2.2 應變計的選擇與粘貼
2.2.3 應變片的動態參數及其他參數選擇
2.3 測量電橋電路及其補償方法
2.3.1 電橋的原理
2.3.2 電阻應變片的標定及其補償
2.4 壓阻傳感器測量電路和應用
2.4.1 測量原理和分類
2.4.2 壓阻傳感器應用
2.5 靜態電阻應變儀和動態電阻應變儀的原理和應用
2.5.1 工作原理
2.5.2 交流電橋式應變儀原理和時域波形
2.5.3 相關儀理論原理
2.6 習題
第3章 電容式傳感器
3.1 電容式傳感器的工作原理和結構
3.1.1 基本工作原理
3.1.2 變極距型電容式傳感器
3.1.3 變極板面積型電容式傳感器
3.1.4 變介質型電容式傳感器
3.1.5 電容式位移傳感器的結構形式
3.1.6 電容式傳感器的輸出特性
3.2 電容式傳感器的等效電路
3.3 電容式傳感器的測量電路
3.3.1 調頻電路
3.3.2 諧振電路
3.3.3 運算放大器式電路
3.3.4 二極管雙T形交流電橋
3.3.5 脈沖寬度調制電路
3.3.6 電橋測量電路
3.4 電容式傳感器應用舉例
3.4.1 電容傳感器在板材軋制裝置中的應用--電容式測厚儀
3.4.2 電容傳感器在真空注油機溢油自動控制中的應用
3.4.3.電容式壓力傳感器
3.4.4 高分子電容式濕度變送器
3.4.5 石英撓性伺服加速度計
3.4.6 微型電容式傳感器應用
3.4.7 實驗中變面積式電容傳感器的性能和應用
3.5 習題
第4章 電感式傳感器
4.1 變磁阻式傳感器
4.1.1 結構和工作原理
4.1.2 等效電路
……
第5章 光電傳感器
5.1 光電效應與光電器件
5.2 固態圖像傳感器
5.3 光電傳感器的應用
5.4 光導式(光纖)傳感器
5.5 光柵傳感器
5.6 光纖光柵傳感器
5.7 習題
第6章 壓電式傳感器
6.1 壓電式傳感器分類和原理
6.2 壓電方程及壓電常數矩陣
6.3 等效電路和測量電路
6.4 壓電傳感器的應用實例
6.5 習題
第7章 熱電式傳感器
7.1 熱電偶溫度傳感器的工作原理
7.2 熱電偶三個定律
7.3 熱電偶的種類
7.4 熱電偶延長接法
7.5 熱電偶冷端補償
7.6 熱電偶型傳感器測溫和控制電路設計
7.7 注塑機熱電偶溫度測量控制實例
7.8 熱電阻和集成電路的溫度傳感器原理和應用
7.9 熱敏電阻
7.10 溫度傳感器選用原則
7.11 習題
第8章 半導體傳感器
8.1 霍爾傳感器的工作原理、分類及其簡單應用
8.2 氣敏傳感器
8.3 濕敏傳感器
8.4 幾種典型的微型半導體傳感器
8.5 習題
第9章 諧振式傳感器
9.1 諧振式傳感器簡介
9.2 水利滲壓計振弦諧振式頻率式傳感器結構和工作原理
9.3 振弦式傳感器的數學模型及特點
9.4 振弦式壓力傳感器測量硬件設計
9.5 振弦式傳感器測量模塊系統的軟件設計
9.6 本系統的誤差分析和解決干擾的方法
9.7 習題
第10章 輻射式傳感器
10.1 超聲波
10.2 超聲波傳感器
10.3 超聲波傳感器應用
10.4 紅外輻射傳感器
10.5 輻射式傳感器應用
10.6 習題
第11章 智能網絡化傳感器系統
11.1 智能網絡化傳感器
11.2 符合ieee1451標準網絡傳感器系統結構和應用
11.3 無線傳感器網絡概述
11.4 無線傳感網絡的體系結構
11.5 無線測控系統的硬件平臺設計
11.6 無線傳感器網絡的體系結構和協議
11.7 無線智能傳感器網絡發展趨勢
11.8 習題
第12章 現代傳感器發展簡介
12.1 厚膜傳感器
12.2 mems傳感器
12.3 生物傳感器
12.4 模糊傳感器
12.5 智能傳感器
12.6 多功能傳感器
12.7 模型傳感器
12.8 習題
第13章 傳感器選用原則和系統抗干擾
13.1 傳感器的正確選用原則
13.2 抗干擾技術
13.3 習 題
附錄A 傳感器技術實驗設備和測量電路模塊
附錄B 傳感器技術與實踐實驗
附錄C 典型激勵的系統響應