本书针对应用型本科教育和新工科的特点，以信息的传感、转换、处理为核心，按检测技术基础（第1~2章）、传感器原理及应用（第3~8章）、自动检测系统（第9~11章）三大模块组织内容。传感器原理及应用模块以被测量为主线，分别介绍温度、力、声、磁、光、气体和湿度等各类传感器的原理、结构、性能及其应用电路，并针对不同类型的传感器给出多个应用实例。自动检测系统模块包含虚拟仪器、无线传感器网络与物联网和自动检测系统共三章内容，第9章介绍虚拟仪器概念、开发环境和数据采集；第10章介绍无线传感器网络与物联网的概念、技术架构、无线通信及其应用；第11章介绍自动检测系统的组成、设计方法和设计案例。
本书是 “十三五” 江苏省高等学校重点教材, 教材内容体系是编写团队教改研究和精品课程建设的成果。
传感器是实现对物理环境或人类社会信息获取的基本工具, 是检测系统的首要环节, 是信息技术和物联网的源头, 是智能检测技术与应用的基础, 在国民经济中具有 “ 倍增器”
作用。 工信部、 科技部、 财政部、 国家标准化管理委员会于 2013 年 3 月联合印发 《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》 , 实施期为 2013 ~ 2025 年。 “ 中国制造2025” 中明确把研制智能传感器、 高端仪表标准作为研究的重点项目。
教材在保证课程的基本理论、 基本方法和基本技能训练等传统内容的基础上, 在内容阐述上赋予新技术、 新方法和新应用, 注重最新科研成果在课程中的渗透, 结合专业和学科特点, 突出应用性, 具有一定学术价值。 本书的主要特色与创新体现在如下几个方面:(1) 精选教学内容, 融入新技术。 内容的选取根据我国当前工业生产及科研应用的实际, 以信息的传感、 转换、 处理为核心, 从基本概念入手, 分别介绍温度、 力学量、 声波、磁敏、 光电式、 气敏和湿敏等各类传感器的原理、 结构、 性能及其应用电路。 既介绍传统的传感器, 也介绍新型传感器、 集成传感器, 还介绍了虚拟仪器、 无线传感网与物联网等新技术。
(2) 以掌握概念、 强化应用为重点, 实现理论知识和实际应用的有机统一。 第 3 ~ 8 章介绍了传感器原理及应用, 各章均安排了典型应用部分, 针对不同类型的传感器给出应用实例; 第 9 ~ 11 章介绍了自动检测系统, 给出了编写团队近年来在自动检测技术、 虚拟仪器和物联网方面的多个研究成果案例, 供读者在进行相关自动检测系统设计时参考。
(3) 采用模块化结构, 思路清晰, 易于理解。 本书共分为三大模块。 第 1 ~ 2 章为检测技术基础模块, 介绍传感器与检测技术基础、 误差理论和数据处理; 第 3 ~ 8 章为传感器技术模块, 介绍各类传感器的原理及应用; 第 9 ~ 11 章为自动检测技术模块, 介绍虚拟仪器、无线传感器网络与物联网、 自动检测系统。 本书编写体系有一定的创新, 内容组织合理, 符合学习规律, 有利于教学。 本书重点突出, 难点得到分解, 便于初学者理解和掌握, 较好地处理了内容多、 学时少的矛盾。
(4) 传感器部分采用按被测量分章, 实用性强。 区别于传统教材按工作原理分章的方法, 本书采用按被测量 (输入量) 分章, 进行传感器原理及应用技术的讲解, 有利于学生及使用者对传感器进行比较、 选型, 突出了教材的实用性, 构建了全新的课程教材体系。
(5) 以学生为本, 建立立体化的教材体系。 本书适用于 “自动检测技术” “ 传感器技术” “传感器原理及应用” 等课程的理论教学。 本书编写组已制作完成本课程的 PPT、 课后Ⅳ习题参考答案和精品课程网络课堂, 为学生的学习提供形式多样的立体化教材体系, 尽量使学生的学习不受时间和空间的约束, 培养学生的自学能力以及分析问题和解决问题的能力。
本书可作普通高校应用型本科中的测控技术与仪器、 自动化类、 电子信息类、 电气类、物联网等专业的教材, 也可供相关专业技术人员参考。
本书由张青春、 纪剑祥主编, 李洪海、 李华、 白秋产、 段卫平、 付丽辉参与了本书的部分章节编写和校对工作。 江苏苏仪集团陈云副总经理、 南京聚擎测控技术有限公司朱云云工程师、 武汉创维特科技有限公司丁林副总经理分别对第 3 ~ 4 章、 第 9 章、 第 10 章提出了建议和意见, 本书参考文献中所列出的各位作者以及众多未能一一列出的作者为编著者提供了宝贵而丰富的参考资料, 在此表示诚挚的谢意。 同时, 对机械工业出版社的大力支持和帮助表示衷心的感谢!由于编者水平有限, 缺点和错误在所难免, 恳请各位专家和读者不吝赐教, 以利于不断完善。
编者邮箱: 1524668968@ qq. com。
编 者
前言
第 1 章 传感器与检测技术基础 1
1. 1 检测技术概论 1
1. 1. 1 检测技术 1
1. 1. 2 传感器与检测技术的作用与地位 1
1. 2 传感器的定义及其分类 2
1. 2. 1 传感器的定义与组成 2
1. 2. 2 传感器的分类 2
1. 3 传感器的基本特性 3
1. 3. 1 传感器的静态特性 3
1. 3. 2 传感器的动态特性 6
1. 4 传感器技术的发展 9
思考题与习题 10
第 2 章 测量误差与数据处理 11
2. 1 测量误差的基本概念 11
2. 1. 1 量值 11
2. 1. 2 误差的表达方法 11
2. 2 误差的分类及其来源 13
2. 2. 1 系统误差 13
2. 2. 2 随机误差 13
2. 2. 3 粗大误差 13
2. 3 测量误差的处理 14
2. 3. 1 随机误差的处理 14
2. 3. 2 系统误差的处理 16
2. 3. 3 粗大误差的处理 17
思考题与习题 18
第 3 章 温度传感器 19
3. 1 热电偶 19
3. 1. 1 热电偶传感器测温原理 19
3. 1. 2 热电偶的基本定律 22
3. 1. 3 热电偶的结构与种类 23
3. 1. 4 热电偶的冷端温度补偿 25
3. 1. 5 热电偶的实用测温电路 26
3. 2 热电阻 27
3. 2. 1 铂热电阻 27
3. 2. 2 铜热电阻 28
3. 2. 3 热电阻的测量电路 28
3. 3 热敏电阻 29
3. 3. 1 热敏电阻的结构与特点 29
3. 3. 2 热敏电阻的类型及其温度特性 30
3. 4 辐射式温度传感器 30
3. 4. 1 辐射测温的物理基础 30
3. 4. 2 辐射式测温方法 31
3. 5 集成温度传感器 32
3. 5. 1 集成温度传感器的工作原理及
分类 32
3. 5. 2 电压型集成温度传感器
μPC616A / C 32
3. 5. 3 电流型集成温度传感器 AD590 33
3. 5. 4 数字型温度传感器 DS18B20 34
3. 6 温度传感器的应用 34
3. 6. 1 NTC 热敏电阻温度控制 34
3. 6. 2 PTC 热敏电阻自动延时电路 34
3. 6. 3 管道流量测量 35
3. 6. 4 集成温度传感器温差测量 35
思考题与习题 35
第 4 章 力学量传感器 37
4. 1 应变式压力传感器 37
4. 1. 1 电阻应变效应 37
4. 1. 2 电阻应变片的种类和结构 38
4. 1. 3 电阻应变式传感器的测量电路 39
4. 1. 4 电阻应变片温度误差及其补偿 42
4. 2 压电式传感器 44
4. 2. 1 压电效应 44
4. 2. 2 压电材料 46Ⅵ
4. 2. 3 测量电路 47
4. 3 电容式传感器 51
4. 3. 1 电容式传感器的工作原理 51
4. 3. 2 电容式传感器的测量电路 55
4. 3. 3 电容式压力传感器 57
4. 4 电感式压力传感器 57
4. 4. 1 自感式压力传感器 58
4. 4. 2 互感式压力传感器 62
4. 5 力学量传感器的应用 64
4. 5. 1 电阻式传感器测量力、 重量和
加速度 64
4. 5. 2 压电式传感器测量力和加速度 68
4. 5. 3 电容式传感器测量位移、 加速度、
厚度和液位 68
4. 5. 4 电感式传感器测量压力和加
速度 70
思考题与习题 72
第 5 章 声波传感器 74
5. 1 声波概述 74
5. 1. 1 声波 74
5. 1. 2 声波的物理特性 74
5. 2 微波传感器 76
5. 2. 1 微波传感器的工作原理 77
5. 2. 2 微波传感器的组成 77
5. 2. 3 微波传感器的特点 78
5. 3 超声波传感器 78
5. 3. 1 超声波及其特性 78
5. 3. 2 超声波传感器的分类 78
5. 4 次声波传感器 80
5. 4. 1 次声波及其特性 80
5. 4. 2 次声波传感器的分类 80
5. 5 声波传感器的应用 81
5. 5. 1 微波液位和湿度检测 81
5. 5. 2 超声波物位、 流量测量和无损
探伤 82
5. 5. 3 次声波管道泄漏定位和灾害
预测 85
思考题与习题 86
第 6 章 磁敏传感器 87
6. 1 磁电感应式传感器 87
6. 1. 1 磁电感应式传感器的工作原理 87
6. 1. 2 磁电感应式传感器的测量电路 89
6. 2 电涡流传感器 89
6. 2. 1 电涡流传感器的工作原理 89
6. 2. 2 电涡流传感器的测量电路 91
6. 3 霍尔式传感器 92
6. 3. 1 霍尔效应 92
6. 3. 2 霍尔元件 93
6. 3. 3 霍尔元件的误差及其补偿 94
6. 3. 4 霍尔式传感器的基本测量电路 96
6. 4 半导体磁阻传感器 96
6. 4. 1 磁阻效应 96
6. 4. 2 磁敏电阻元件 97
6. 4. 3 磁敏电阻的温度补偿 97
6. 5 结型磁敏器件 98
6. 5. 1 磁敏二极管 98
6. 5. 2 磁敏晶体管 99
6. 6 磁敏传感器的应用 101
6. 6. 1 磁电感应式振动速度传感器和
电磁流量计 101
6. 6. 2 电涡流传感器振幅、 转速测量和
无损探伤 101
6. 6. 3 霍尔式传感器位移、 转速和功率
测量 102
6. 6. 4 交流电流监视器 104
6. 6. 5 磁电式无触点开关 104
思考题与习题 105
第 7 章 光电式传感器 106
7. 1 光电式传感器的类型和基本形式 106
7. 1. 1 光电式传感器的类型 106
7. 1. 2 光电式传感器的基本形式 107
7. 2 光电效应与光电器件 107
7. 2. 1 外光电效应及其典型器件 108
7. 2. 2 内光电效应及其典型器件 111
7. 2. 3 光生伏特效应及其典型器件 114
7. 3 光纤传感器 120
7. 3. 1 光纤的传光原理及主要特性 121
7. 3. 2 光纤传感器的组成和分类 122
7. 4 计量光栅传感器 123
7. 4. 1 光栅的结构和分类 123
7. 4. 2 光栅传感器的工作原理 124
7. 4. 3 辨向与细分技术 127
7. 5 光电编码器 128
7. 5. 1 工作原理 128
7. 5. 2 光电码盘 129
7. 6 红外传感器 131Ⅶ
7. 6. 1 红外辐射基本性质 131
7. 6. 2 热探测器 132
7. 6. 3 光子探测器 133
7. 7 CCD 图像传感器 133
7. 7. 1 CCD 的基本结构和工作
原理 134
7. 7. 2 CCD 的特性参数 136
7. 7. 3 CCD 图像传感器的分类 137
7. 8 光电式传感器的应用 139
7. 8. 1 精密核辐射探测器 139
7. 8. 2 光电式火灾探测报警器 140
7. 8. 3 路灯自动控制器和楼道双光控
延时开关 141
7. 8. 4 光电式数字转速计 141
7. 8. 5 光纤温度、 图像和流量传感器 142
思考题与习题 144
第 8 章 气敏与湿敏传感器 146
8. 1 气敏传感器 146
8. 1. 1 气敏传感器概述 146
8. 1. 2 半导体电阻式气敏传感器 147
8. 1. 3 接触燃烧式气敏传感器 149
8. 1. 4 红外吸收式气敏传感器 151
8. 1. 5 热导式气敏传感器 153
8. 1. 6 热磁式气体分析传感器 154
8. 2 湿敏传感器 155
8. 2. 1 湿敏传感器概述 155
8. 2. 2 电阻式湿敏传感器 156
8. 2. 3 电容式湿敏传感器 160
8. 2. 4 集成电容式湿敏传感器
IH3605 161
8. 3 气敏与湿敏传感器的应用 163
8. 3. 1 简易家用气体报警电路 163
8. 3. 2 便携式矿井瓦斯超限报警器 163
8. 3. 3 有害气体鉴别、 报警与控制
电路 163
8. 3. 4 酒精检测报警器 164
8. 3. 5 汽车后风窗玻璃自动去湿装置 165
8. 3. 6 房间湿度控制器 165
8. 3. 7 镜面水汽清除器 166
8. 3. 8 土壤缺水告知器 166
8. 3. 9 电容式谷物水分测量仪 167
8. 3. 10 重油含水量测量 168
思考题与习题 170
第 9 章 虚拟仪器 171
9. 1 虚拟仪器概述 171
9. 1. 1 虚拟仪器的组成 171
9. 1. 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 171
9. 1. 3 虚拟仪器的优点 173
9. 2 LabVIEW 虚拟仪器开发环境 173
9. 2. 1 LabVIEW 程序的基本构成 173
9. 2. 2 LabVIEW 程序的特点 174
9. 3 虚拟仪器在工程中的应用 176
9. 4 虚拟仪器数据采集 177
9. 4. 1 数据采集 (DAQ) 系统组成 177
9. 4. 2 数据采集 (DAQ) 设备 177
9. 4. 3 DAQ 系统中的计算机 178
9. 4. 4 DAQ 系统中的软件组件 178
9. 4. 5 使用 LabVIEW 连接测量硬件 178
9. 5 超越 PC 的虚拟仪器系统 183
思考题与习题 183
第 10 章 无线传感器网络与物联网 185
10. 1 无线传感器网络 185
10. 1. 1 无线传感器网络概念 185
10. 1. 2 无线传感器网络工作原理 185
10. 1. 3 无线传感器节点构成 186
10. 2 物联网 187
10. 2. 1 物联网的定义 187
10. 2. 2 物联网的技术架构 187
10. 2. 3 物联网的特点 188
10. 3 物联网的无线通信技术 189
10. 3. 1 近距离无线通信 189
10. 3. 2 远距离移动无线通信 190
10. 4 物联网的应用 191
10. 4. 1 智能交通物联网 191
10. 4. 2 智能家居物联网 193
10. 4. 3 智能农业物联网 195
10. 4. 4 智能医疗物联网 195
思考题与习题 197
第 11 章 自动检测系统 198
11. 1 自动检测系统的结构组成 198
11. 1. 1 自动检测系统的基本结构 198
11. 1. 2 自动检测系统的组成 199
11. 1. 3 自动检测系统的软件 202
11. 2 自动检测系统的基本设计方法 204
11. 2. 1 系统需求分析 204Ⅷ
11. 2. 2 系统总体设计 204
11. 2. 3 采样频率的确定 205
11. 2. 4 标度变换 205
11. 2. 5 硬件设计 206
11. 2. 6 软件设计 208
11. 2. 7 系统集成与维护 209
11. 3 自动检测系统的设计案例 209
11. 3. 1 智能人体电子秤 209
11. 3. 2 基于虚拟仪器直流电动机性能的
综合测试系统 211
11. 3. 3 基于 ZigBee 建筑塔吊安全监测
预警系统 216
11. 3. 4 基于 WSN 和 COMWAY 协议温室
大棚参数远程监控系统 221
11. 3. 5 基于 GPRS 和 OneNet 水质远程
监测预警系统 227
思考题与习题 241
参考文献 242
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