内 容 简 介

自动检测与转换技术是自动化、机电等专业的一门专业基础课，是信息科学的一个重要分支。本书采用按用途分章的方法进行叙述，便于读者对传感器进行类比、选型。本书立足基本理论，面向应用技术，本着“必需、够用”的原则，对传感器的基本原理、结构、性能、用途及基本测量电路进行了介绍，给出了其物理概念、规律及必要的公式，并结合传感器的应用实例进行讲解，引导读者学习自动检测技术。

本书可作为电气工程与自动化、机械设计制造及生产过程自动化、电子信息工程等专业的教材，也可供其他专业学生和有关技术人员参考，或作为自学用书。

 

前  言
自动检测与转换技术是自动化、机电等专业的一门专业基础课，是信息科学的一个重要分支。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，传感器被用来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
传感器的应用极其广泛，且其种类繁多，涉及的学科也很多。为便于读者对传感器进行类比、选型，立足基本理论，面向应用技术，本书本着“必需、够用”的原则，对传感器的基本原理、结构、性能、用途及基本测量电路进行了介绍，给出了其物理概念、规律及必要的公式，并结合传感器的应用实例进行讲解，引导读者学习自动检测技术。本书在第1版的基础上进行了改进，针对核心知识点开发实训项目做出了改善。
本书共分11章：第1章是传感器技术的基础知识；第2～9章为一些常用物理量的检测，包括温度、压力、流量、物位、厚度、位移、速度、磁场、气体成分等的检测；第10章介绍抗干扰技术。第11章为实训内容。每章章后都附有一定量的思考题与练习题，同时，摘录了自动化相关论坛的部分资源，其中包含传感器新技术及其应用，也有部分传感器技术人员在使用中遇到的实际问题和网友的帮助解答，这部分内容仅供读者学习参考。
本书可作为电气工程与自动化、机械设计制造及生产过程自动化、电子信息工程等专业的教材，也可供其他专业学生和有关技术人员参考，或作为自学用书。
本书由沈洁、谢飞任主编，于玲、王欣、张益任副主编，王建明任主审，其中第2、6、10章由沈洁编写，第1、4、8章由谢飞编写，第3、7章由于玲编写，第5、9章由张益和李娜编写，王欣、姚策、于婷婷、侯俊芳编写了第11章。
在本书的编写过程中，参阅了多种同类教材和专著，在此向其编、著者致谢。同时感谢清华大学出版社有关同志的大力支持，在此表示感谢。本书涉及的学科众多，编者学识有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正。
编  者 

 

目   录
第1章  传感器技术基础 1
1.1  认识身边的传感器 1
1.1.1  自动检测与传感器 1
1.1.2  传感器的组成 5
1.1.3  传感器的分类 5
1.2  掌握测量的基本方法 6
1.2.1  直接测量 6
1.2.2  间接测量 7
1.2.3  组合测量 7
1.3  分析测量误差的来源及分类 7
1.3.1  测量误差的表示方法 7
1.3.2  测量误差的来源 8
1.3.3  测量误差的分类 8
1.4  了解传感器的基本特性 8
1.4.1  静态特性 8
1.4.2  动态特性 10
思考题与习题 10
拓展知识 11
第2章  常用温度传感器 14
2.1  学习温标的概念并了解温度检测的测量方法 14
2.1.1  温度的概念 14
2.1.2  经验温标 14
2.1.3  热力学温标 15
2.1.4  国际实用温标 15
2.2  了解热膨胀式温度传感器的原理及应用 15
2.2.1  固体膨胀式温度计——双金属温度计 15
2.2.2  气体、固体膨胀式温度计——压力式温度计 19
2.3  掌握热电阻温度传感器的原理及应用 21
2.3.1  热电阻温度传感器的原理 21
2.3.2  热电阻温度传感器的应用 21
2.3.3  如何选用热电阻温度计 23
2.4  掌握热敏电阻传感器的原理及应用 28
2.4.1  热敏电阻传感器的原理 28
2.4.2  热敏电阻传感器的应用 28
2.4.3  如何选用热敏电阻温度计 30
2.5  掌握热电偶温度传感器的原理及应用 35
2.5.1  热电偶传感器的原理 35
2.5.2  热电偶传感器的应用 38
2.5.3  如何选用热电偶温度传感器 40
思考题与习题 43
拓展知识 44
第3章  压力及力检测 45
3.1  压力的概念及单位 45
3.1.1  什么是压力 45
3.1.2  压力的单位 45
3.1.3  压力表 47
3.1.4  压力表的分类 47
3.2  应变式传感器的原理及应用 48
3.2.1  应变式传感器的特点 48
3.2.2  应变片的工作原理 48
3.2.3  电阻应变片的分类 51
3.2.4  应变片的选用及型号命名规则 53
3.2.5  应变片的温度误差及补偿 55
3.2.6  测量转换电路 57
3.2.7  应变式压力传感器 60
3.2.8  应变式容器内液体重量传感器 63
3.3  压电压力传感器的原理及应用 65
3.3.1  压电压力传感器的应用 65
3.3.2  压电压力传感器的原理 66
3.3.3  压电元件 68
3.3.4  压电传感器中压电片的连接方式 69
3.3.5  压电式压力传感器 70
3.3.6  常规应用 70
3.3.7  新型压电材料的应用 72
3.4  压磁式传感器的原理及应用 73
3.4.1  压磁效应 73
3.4.2  压磁式传感器的工作原理 74
3.4.3  压磁元件 75
3.4.4  激励安匝数的选择 76
3.4.5  压磁式传感器的分类 76
3.5  电容式压力及力传感器 77
3.5.1  电容式传感器的工作原理 77
3.5.2  电容式传感器的优点和缺点 83
3.5.3  电容式传感器 84
3.5.4  引申小知识 87
3.6  霍尔式压力计 87
3.6.1  霍尔效应 88
3.6.2  霍尔元件及结构 88
3.6.3  霍尔元件的基本电路及主要参数 89
3.6.4  霍尔型传感器的应用 91
3.7  压力检测仪表的选择与校验 95
思考题与习题 96
拓展知识 97
第4章  流量检测 101
4.1  什么是流量测量 101
4.1.1  流量的表示方法 101
4.1.2  流量的主要测量方法 102
4.2  差压式流量计的原理与安装 103
4.2.1  节流装置的工作原理 103
4.2.2  取压方式 104
4.2.3  节流装置的安装要求 106
4.3  了解容积式流量计的工作原理 107
4.3.1  椭圆齿轮流量计 107
4.3.2  腰轮流量计 107
4.3.3  刮板式流量计 108
4.4  速度式流量计 109
4.4.1  叶轮流量计 109
4.4.2  涡轮流量计 109
4.5  振动式流量计 110
4.5.1  涡街流量计结构与工作原理 110
4.5.2  涡街流量计特点 110
4.6  电磁式流量计 111
4.6.1  电磁流量计结构及原理 111
4.6.2  电磁流量计的特点 111
4.6.3  电磁流量计误差产生的原因分析 112
4.7  质量流量计 113
4.7.1  间接式质量流量计 113
4.7.2  直接式质量流量计 114
4.8  流量计的选择与应用 114
4.8.1  各种流量计的优缺点比较 114
4.8.2  流量计的选型原则 115
思考题与习题 115
拓展知识 116
第5章  物位及厚度检测 117
5.1  了解浮力式物位检测的原理及应用 117
5.1.1  恒浮力式物位检测 117
5.1.2  变浮力式物位检测 118
5.2  了解静压式物位检测的原理及应用 119
5.2.1  压力式液位计 120
5.2.2  差压式液位计 121
5.2.3  量程迁移 121
5.3  掌握电容式物位检测的原理及其应用 124
5.3.1  电容式物位计的原理 124
5.3.2  电容式物位计分类 125
5.3.3  电容式物位计的应用 126
5.4  掌握超声波物位检测的原理及应用 128
5.4.1  超声波检测的原理 128
5.4.2  超声波传感器 130
5.4.3  超声波传感器的应用 132
5.5  掌握电涡流厚度检测的原理及应用 137
5.5.1  电涡流传感器的原理 137
5.5.2  电涡流传感器测量电路 139
5.5.3  电涡流传感器厚度检测的应用 142
思考题与习题 142
第6章  位移传感器 143
6.1  学习电感式传感器的原理及应用 143
6.1.1  电感传感器的工作原理及分类 143
6.1.2  电感式传感器的应用 146
6.1.3  如何选用电感传感器 149
6.2  学习电位器式传感器的原理及应用 149
6.2.1  电位器式传感器的工作原理及结构 149
6.2.2  电位器式传感器的应用 151
6.2.3  如何选用电位器式位移传感器 152
6.3  学习感应同步器的原理及应用 153
6.3.1  感应同步器的工作原理及结构 154
6.3.2  感应同步器的应用 156
6.3.3  如何选用感应同步器 157
6.4  学习光栅位移测试原理及应用 158
6.4.1  光栅位移传感器的工作原理及结构 158
6.4.2  光栅位移传感器的应用 161
6.4.3  如何选用光栅位移传感器 162
6.5  学习码盘式传感器的原理及应用 162
6.5.1  光电码盘式传感器的工作原理及结构 162
6.5.2  光电码盘式传感器的应用 163
6.5.3  如何选用光电码盘式传感器 164
思考题与习题 166
拓展知识 166
第7章  速度及加速度检测 169
7.1  磁电感应式速度传感器 169
7.1.1  磁电式传感器的变换原理 169
7.1.2  磁电式传感器的分类 170
7.1.3  磁电式传感器的结构 171
7.2  光电式转速计 172
7.2.1  直射式光电转速传感器 172
7.2.2  反射型光电转速计 173
7.3  测速发电机 174
7.3.1  直流测速发电机 174
7.3.2  交流测速发电机 176
7.4  光束切断法 177
7.5  多普勒测速 178
7.6  电磁脉冲式转速计 178
7.7  加速度传感器 179
7.7.1  压电式加速度传感器 179
7.7.2  电阻应变式加速度传感器 180
7.7.3  电容式加速度传感器 180
思考题与习题 183
拓展知识 183
第8章  光电检测 187
8.1  光电效应及光电器件 187
8.1.1  外光电效应及器件 187
8.1.2  内光电效应及器件 190
8.2  光电耦合器件 197
8.2.1  光电耦合器件的结构和原理 197
8.2.2  光电耦合器的组合形式 198
8.3  光电开关 198
8.4  CCD与数码照相机 200
8.4.1  CCD技术 200
8.4.2  互补性氧化金属半导体 201
8.4.3  数码照相机的特点与组成 202
思考题与习题 204
拓展知识 204
第9章  磁场及气体成分参数检测 207
9.1  学习磁场检测方法 207
9.1.1  磁敏电阻传感器原理 207
9.1.2  电磁感应法测量磁场 209
9.1.3  磁通门磁强计测量磁场 213
9.1.4  霍尔效应测量磁场 214
9.1.5  核磁共振法测量磁场 214
9.2  了解气体成分检测传感器的原理及应用 214
9.2.1  气敏传感器的分类 214
9.2.2  电阻式半导体气敏传感器 215
9.2.3  非电阻式半导体气敏传感器 217
9.2.4  气敏传感器的应用 218
9.3  了解湿度检测传感器的原理及应用 220
9.3.1  湿度的定义 220
9.3.2  电阻式湿度传感器 221
9.3.3  湿敏传感器的应用 224
思考题与习题 226
拓展知识 226
第10章  抗干扰技术 228
10.1  干扰的类型及产生 228
10.1.1  电磁干扰 228
10.1.2  机械干扰 229
10.1.3  干扰的产生 230
10.2  常用的抗干扰技术 230
10.2.1  屏蔽技术 230
10.2.2  接地技术 231
10.2.3  浮置 232
10.3  其他抑制干扰措施 233
10.3.1  隔离 233
10.3.2  滤波 234
10.3.3  平衡电路 235
10.3.4  软件抗干扰设计 235
思考题与习题 236
拓展知识 236
第11章  传感器小制作 238
11.1  温度传感器实训——恒温控制器 238
11.1.1  电路分析 238
11.1.2  技能训练 241
11.2  压阻式压力传感器实训——数字电子秤 243
11.2.1  电路分析 243
11.2.2  技能训练 244
11.3  霍尔测速传感器实验 245
11.3.1  电路分析 245
11.3.2  元件介绍 246
11.3.3  基本工作原理 251
11.3.4  技能训练 251
11.4  光电传感器实训——声光控延迟节能灯 252
11.4.1  电路分析 252
11.4.2  技能训练 255
11.5  简易超声距离传感器的制作 257
11.5.1  基本原理 257
11.5.2  单片机超声波测距系统硬件组成 258
11.5.3  单片机超声波测距系统程序流程 260
11.5.4  元件清单 261
参考文献 262