傳感器與檢測技術(shù)

前言

　　先進的信息技術(shù)和自動化系統(tǒng)已成為引領(lǐng)和衡量各個國家邁向高度現(xiàn)代化的支撐性技術(shù)之一。目前，世界上許多國家(特別是西方發(fā)達國家)已將目光轉(zhuǎn)向信息技術(shù)的前端——信息獲取與處理的研究和發(fā)展上，提出下一代因特網(wǎng)和智能環(huán)境的建設(shè)，以強化信息獲取和智能信息處理，建立人與物理環(huán)境更緊密的信息聯(lián)系。我國政府也高度重視我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，根據(jù)國家相關(guān)部門的發(fā)展規(guī)劃，到2010年，我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)將有一系列戰(zhàn)略目標得以實現(xiàn)。當前，我國儀器科學技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)都取得了重大進展，在儀器儀表產(chǎn)品微型化、集成化、智能化、總線化等方向上緊跟國際發(fā)展步伐，并加大具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進儀器儀表的研制力度。技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用的研發(fā)、儀器的使用與維護都需要大批專門人才作為支撐；與此同時，它們也對人才培養(yǎng)的內(nèi)容和目標提出了與時俱進的新要求。　　本書的內(nèi)容體系優(yōu)化，基于長期的教學實踐和精品課程建設(shè)的經(jīng)驗積累，并得益于《傳感技術(shù)》(重慶大學出版社)、《智能檢測技術(shù)與系統(tǒng)》(高等教育出版社)等教材的實踐應(yīng)用和相關(guān)教改研究成果的指導?！　”緯娼榻B了傳感器與檢測技術(shù)的基本概念、基本原理和典型應(yīng)用。按照傳感器、檢測技術(shù)與檢測系統(tǒng)三大模塊組織內(nèi)容，依次為概述、傳感器基本特性、電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁敏式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、輻射與波式傳感器、化學傳感器、生物傳感器、新型傳感器；參數(shù)檢測、微弱信號檢測、軟測量、多傳感器數(shù)據(jù)融合、測量不確定度與回歸分析；虛擬儀器、自動檢測系統(tǒng)。本書系統(tǒng)性強，內(nèi)容上注重經(jīng)典與現(xiàn)代的結(jié)合，目標上強調(diào)工程實踐應(yīng)用與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，具有良好的教學適宜性和可讀性?！　”緯勺鳛楦叩仍盒y控技術(shù)與儀器、自動化、電氣工程與自動化、機械設(shè)計制造及其自動化、通信工程、計算機應(yīng)用等專業(yè)的本科生教材，也可供從事傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用和設(shè)計開發(fā)的研究人員、工程技術(shù)人員參考。　　本書由重慶郵電大學胡向東教授、重慶大學劉京誠教授和重慶工學院余成波教授組織編寫；第7章由蔡軍、胡向東編寫，第9、11章由劉京誠、彭向華、胡向東編寫，第12章由呂霞付、胡向東編寫，第13、19章由余成波編寫，其余章節(jié)由胡向東、崔屏、李銳編寫。蔡東強、劉光財、朱運波、羅蔚、張杰等參與了部分書稿的資料整理、圖表繪制等工作。胡向東負責全書統(tǒng)稿?！　≡谶@里要特別感謝參考文獻中所列各位作者，包括眾多未能在參考文獻中一一列出的作者，正是因為他們在各自領(lǐng)域的獨到見解和特別的貢獻為作者提供了寶貴的參考資料，使作者能夠在總結(jié)現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，汲取各家之長，形成一套具有自身特色的傳感器與檢測技術(shù)精品教材。

內(nèi)容概要

　　本書全面介紹了傳感器與檢測技術(shù)的基本概念、基本原理和典型應(yīng)用。按照傳感器、檢測技術(shù)與檢測系統(tǒng)三大模塊組織內(nèi)容，依次為概述、傳感器基本特性、電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁敏式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、輻射與波式傳感器、化學傳感器、生物傳感器、新型傳感器；參數(shù)檢測、微弱信號檢測、軟測量、多傳感器數(shù)據(jù)融合、測量不確定度與回歸分析；虛擬儀器、自動檢測系統(tǒng)?！秱鞲衅髋c檢測技術(shù)》系統(tǒng)性強，內(nèi)容上注重經(jīng)典與現(xiàn)代的結(jié)合，目標上強調(diào)工程實踐應(yīng)用與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，具有良好的教學適宜性和可讀性?！　　秱鞲衅髋c檢測技術(shù)》可作為高等院校測控技術(shù)與儀器、自動化、電氣工程與自動化、機械設(shè)計制造及其自動化、通信工程、計算機應(yīng)用等專業(yè)的本科生教材，也可供從事傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用和設(shè)計開發(fā)的研究人員、工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言上篇 傳感器第1章 概述1.1 課程簡介1.1.1 本課程的地位和作用1.1.2 本課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)1.1.3 本課程的任務(wù)及要求1.2 傳感器的定義與組成1.3 傳感器的分類1.4 傳感器技術(shù)的發(fā)展1.4.1 傳感器性能的改善1.4.2 開展基礎(chǔ)理論研究1.4.3 傳感器的集成化1.4.4 傳感器的智能化1.4.5 傳感器的網(wǎng)絡(luò)化1.4.6 傳感器的微型化能力拓展：生活中的傳感器思考題和習題第2章 傳感器的基本特性2.1 傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 線性度2.1.2 靈敏度2.1.3 分辨率2.1.4 遲滯2.1.5 重復性2.1.6 漂移2.2 傳感器的動態(tài)特性2.2.1 傳感器的數(shù)學模型2.2.2 傳遞函數(shù)2.2.3 頻率響應(yīng)函數(shù)2.2.4 傳感器的動態(tài)特性分析2.3 傳感器的標定與校準2.3.1 靜態(tài)標定2.3.2 動態(tài)標定能力拓展：實現(xiàn)不失真測量的條件思考題和習題第3章 電阻式傳感器3.1 工作原理3.1.1 應(yīng)變效應(yīng)3.1.2 應(yīng)變片種類3.1.3 電阻應(yīng)變片溫度誤差及其補償3.2 測量電路3.2.1 直流電橋3.2.2 交流電橋3.3 典型應(yīng)用3.3.1 電阻式力傳感器3.3.2 電阻式壓力傳感器3.3.3 電阻式液體重量傳感器能力拓展一：電阻式加速度傳感器的原理分析能力拓展二：數(shù)字血壓計的設(shè)計思考題和習題第4章 電感式傳感器4.1 變磁阻式傳感器4.1.1 工作原理4.1.2 輸出特性4.1.3 測量電路4.1.4 變磁阻式傳感器的應(yīng)用4.2 差動變壓器式傳感器4.2.1 變隙式差動變壓器4.2.2 螺線管式差動變壓器4.2.3 差動變壓器式傳感器的應(yīng)用4.3 電渦流式傳感器4.3.1 工作原理4.3.2 等效電路4.3.3 測量電路4.3.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用能力拓展一：電感式傳感器在滾珠直徑分選中的應(yīng)用能力拓展二：電渦流式安全門的應(yīng)用調(diào)查與原理分析思考題和習題第5章 電容式傳感器5.1 工作原理5.1.1 變面積型5.1.2 變介質(zhì)型5.1.3 變極距型5.2 測量電路5.2.1 調(diào)頻電路5.2.2 變壓器式交流電橋5.2.3 運算放大器5.2.4 二極管雙T型交流電橋5.2.5 脈沖寬度調(diào)制電路5.3 典型應(yīng)用5.3.1 電容式壓力傳感器5.3.2 電容式位移傳感器5.3.3 電容式加速度傳感器5.3.4 電容式厚度傳感器能力拓展：工業(yè)生產(chǎn)料位測量方案的設(shè)計思考題和習題第6章 壓電式傳感器6.1 工作原理6.1.1 壓電效應(yīng)6.1.2 壓電材料6.2 測量電路6.2.1 等效電路6.2.2 測量電路6.2.3 壓電元件的連接與變形6.3 典型應(yīng)用6.3.1 壓電式力傳感器6.3.2 壓電式加速度傳感器能力拓展：壓電式傳感器在汽車中的應(yīng)用思考題和習題第7章 磁敏式傳感器7.1 磁電感應(yīng)式傳感器7.1.1 工作原理7.1.2 測量電路7.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用7.2 霍爾式傳感器7.2.1 工作原理7.2.2 測量電路7.2.3 霍爾式傳感器的應(yīng)用能力拓展：基于霍爾元件的油氣管道無損探傷系統(tǒng)的設(shè)計思考題和習題第8章 熱電式傳感器8.1 熱電偶8.1.1 熱電偶測溫原理8.1.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類8.1.3 熱電偶的冷端溫度補償8.1.4 熱電偶的實用測溫電路8.1.5 熱電偶的選用與安裝8.1.6 熱電偶的應(yīng)用8.2 熱電阻8.2.1 鉑熱電阻8.2.2 銅熱電阻8.2.3 熱電阻的測量電路8.2.4 熱電阻的應(yīng)用8.3 熱敏電阻8.3.1 熱敏電阻的特性8.3.2 熱敏電阻的應(yīng)用能力拓展：火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的設(shè)計思考題和習題第9章 光電式傳感器9.1 概述9.1.1 光電式傳感器的類別9.1.2 光電式傳感器的基本形式9.2 光電效應(yīng)與.光電器件9.2.1 外光電效應(yīng)型光電器件9.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件9.3 CCD固體圖像傳感器9.3.1 CCD的工作原理9.3.2 CCD固體圖像傳感器的分類9.3.3 CCD固體圖像傳感器的特性參數(shù)9.3.4 CCD固體圖像傳感器的應(yīng)用9.4 光纖傳感器9.4.1 光纖9.4.2 光纖傳感器9.4.3 光纖傳感器的應(yīng)用9.5 光電式編碼器9.5.1 碼盤式編碼器9.5.2 脈沖盤式編碼器9.5.3 光電式編碼器的應(yīng)用9.6 計量光柵9.6.1 光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理9.6.2 計量光柵的組成9.6.3 計量光柵的應(yīng)用能力拓展一：光電式傳感器應(yīng)用調(diào)查能力拓展二：手機生產(chǎn)線表面安裝元件定位檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計思考題和習題第10章 輻射與波式傳感器10.1 紅外傳感器10.1.1 工作原理10.1.2 紅外傳感器的應(yīng)用10.2 微波傳感器10.2.1 微波傳感器的原理、組成及特點10.2.2 微波傳感器的應(yīng)用10.3 超聲波傳感器10.3.1 工作原理10.3.2 超聲波傳感器的應(yīng)用能力拓展：入侵探測報警系統(tǒng)的設(shè)計思考題和習題第11章 化學傳感器11.1 氣敏傳感器11.1.1 氣敏傳感器概述11.1.2 半導體式氣敏傳感器的工作原理11.1.3 氣敏傳感器的應(yīng)用11.2 濕敏傳感器11.2.1 濕敏傳感器概述11.2.2 常用濕敏傳感器的基本原理11.2.3 濕敏傳感器測量電路11.2.4 濕敏傳感器的應(yīng)用能力拓展：防止酒后開車控制器的設(shè)計思考題和習題第12章 生物傳感器12.1 概述12.1.1 生物傳感器的概念12.1.2 生物傳感器的特點12.1.3 生物傳感器的分類12.1.4 生物傳感器的應(yīng)用12.2 工作原理12.2.1 生物分子特異性識別12.2.2 生物放大12.2.3 信號轉(zhuǎn)換與處理12.2.4 幾種主要的生物傳感器12.3 生物芯片12.4 生物傳感器的發(fā)展能力拓展：生物傳感器的應(yīng)用狀況調(diào)查思考題和習題第13章 新型傳感器13.1 智能傳感器13.1.1 智能傳感器的特點13.1.2 智能傳感器的作用13.1.3 智能傳感器的設(shè)計13.1.4 智能傳感器的實現(xiàn)13.1.5 智能傳感器的應(yīng)用實例13.2 模糊傳感器13.2.1 模糊傳感器概述13.2.2 模糊傳感器的結(jié)構(gòu)13.2.3 典型模糊傳感器舉例13.3 微傳感器13.3.1 MEMS與微加工13.3.2 微傳感器概述13.3.3 壓阻式微傳感器13.3.4 電容式微傳感器13.3.5 電感式微傳感器13.3.6 熱敏電阻式微傳感器13.4 網(wǎng)絡(luò)傳感器13.4.1 網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念13.4.2 網(wǎng)絡(luò)傳感器的類型13.4.3 基于IEEE1451標準的網(wǎng)絡(luò)傳感器13.4.4 網(wǎng)絡(luò)傳感器測控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)13.4.5 網(wǎng)絡(luò)傳感器的應(yīng)用前景能力拓展：新型傳感器發(fā)展前景預測思考題和習題中篇 檢測技術(shù)第14章 參數(shù)檢測14.1 概述14.1.1 檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟中的地位和作用14.1.2 參數(shù)檢測的基本概念14.1.3 工業(yè)檢測的主要內(nèi)容14.2 參數(shù)檢測的一般方法14.2.1 過程參數(shù)檢測14.2.2 機械量參數(shù)檢測14.2.3 其他參數(shù)檢測14.3 檢測技術(shù)的發(fā)展能力拓展：同一被測量的不同檢測方法比較思考題和習題第15章 微弱信號檢測15.1 概述15.2 噪聲15.3 微弱信號檢測方法15.3.1 相關(guān)檢測法15.3.2 同步積累法思考題和習題第16章 軟測量16.1 概述16.2 軟測量的方法16.2.1 選擇輔助變量16.2.2 輸人數(shù)據(jù)的處理16.2.3 建立軟測量模型16.2.4 軟測量模型的在線校正16.3 軟測量的意義及其適用條件思考題和習題第17章 多傳感器數(shù)據(jù)融合17.1 概述17.1.1 數(shù)據(jù)融合的起源17.1.2 數(shù)據(jù)融合的目的17.1.3 數(shù)據(jù)融合的定義17.1.4 數(shù)據(jù)融合的特性17.1.5 數(shù)據(jù)融合的優(yōu)點17.2 數(shù)據(jù)融合的基本原理17.2.1 數(shù)據(jù)融合的層次17.2.2 數(shù)據(jù)融合的處理形態(tài)17.2.3 數(shù)據(jù)融合模型17.2.4 數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)17.3 數(shù)據(jù)融合的方法17.3.1 隨機類方法17.3.2 人工智能類方法17.4 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的應(yīng)用思考題和習題第18章 測量不確定度與回歸分析18.1 測量誤差概述18.2 測量誤差的處理18.2.1 粗大誤差的處理18.2.2 隨機誤差的處理18.2.3 系統(tǒng)誤差的處理18.2.4 間接測量誤差的傳遞18.2.5 測量誤差的合成18.2.6 測量誤差的分配18.3 測量不確定度18.3.1 概述18.3.2 測量不確定度的評定方法18.4 最小二乘法與回歸分析18.4.1 最小二乘法18.4.2 一元線性擬合18.4.3 多元線性擬合18.4.4 曲線擬合思考題和習題下篇 檢測系統(tǒng)第19章 虛擬儀器19.1 概述19.1.1 虛擬儀器的基本概念19.1.2 虛擬儀器的構(gòu)成與特點19.1.3 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用19.1.4 虛擬儀器的整體設(shè)計19.2 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境19.2.1 LabWindows／CVI19.2.2 LabVlEW19.3 虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集19.3.1 基于IatbWindows／CVI的數(shù)據(jù)采集19.3.2 基于IabVIEW的數(shù)據(jù)采集19.4 基于虛擬儀器的綜合工程實例19.4.1 概述19.4.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)19.4.3 系統(tǒng)功能及運行結(jié)果能力拓展：虛擬儀器設(shè)計實踐思考題與習題第20章 自動檢測系統(tǒng)20.1 自動檢測系統(tǒng)的組成20.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)20.1.2 輸入輸出通道20.1.3 自動檢測系統(tǒng)的軟件20.2 自動檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計方法20.2.1 系統(tǒng)需求分析20.2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計20.2.3 采樣速率的確定20.2.4 標度變換20.2.5 硬件設(shè)計20.2.6 軟件設(shè)計20.2.7 系統(tǒng)的集成與維護20.3 典型自動檢測系統(tǒng)舉例20.3.1 自動溫度測量系統(tǒng)20.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)20.4 自動檢測系統(tǒng)的發(fā)展能力拓展一：液體點滴速度監(jiān)控裝置的設(shè)計能力拓展二：無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計能力拓展三：智能環(huán)境的設(shè)想思考題和習題附錄參考文獻

章節(jié)摘錄

　　上篇　傳感器　　第1章　概述　　1.2　傳感器的定義與組成　　根據(jù)我國國家標準（GB／T7665—2005），傳感器（Transducer／sensor）定義為能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受和響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件的感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信號部分。傳感器的共性就是利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學、生物特性，將非電量（如位移、速度、加速度、力等）輸入轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、電容、電阻等）輸出。　　根據(jù)傳感器的定義，傳感器的基本組成分為敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，分別完成檢測和轉(zhuǎn)換兩個基本功能。值得指出的是，一方面，并不是所有傳感器都能明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件這兩個部分，如半導體氣敏或濕度傳感器、熱電偶、壓電晶體、光電器件等，它們一般是將感受到的被測量直接轉(zhuǎn)換為電信號輸出，即將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩者的功能合二為一了；另一方面，只由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的傳感器通常輸出信號較弱，還需要信號調(diào)理電路將輸出信號進行放大并轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。信號調(diào)理電　　路的作用：一是把來自傳感器的信號進行轉(zhuǎn)移和放大，使其更適合于作進一步處理和傳輸，多數(shù)情況下是將各種電信號轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等少數(shù)幾種便于測量的電信號；二是進行信號處理，即對經(jīng)過調(diào)理的信號，進行濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減、運算、數(shù)字化處理等。常見的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等。另外，傳感器的基本部分和信號調(diào)理電路還需要輔助電源提供工作能量。

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