感測器與檢測技術

隨著信息技術的發展，特別是物聯網時代的到來，獲取各種信息的感測器已經廣泛應用於各種領域，越來越多地成為信息社會賴以存在和發展的物質與技術基礎，特別是在自動檢測、自動控制系統中，成為不可缺少的重要技術工具。因此，感測器與檢測技術是整個自動化、信息技術中的重要基礎，是一門理論與實踐結合十分密切的技術基礎課程，在整個機電一體化學科體系中佔有非常重要的地位。

本書將根據教育部積極發展高等職業教育，大力推進高等專科教育人才培養模式的改革要求，從實用角度出發，介紹常用感測器的工作原理、外部特性及基本應用電路，並介紹選擇和應用感測器的基本技能。同時，注重知識的系統性和適用性，盡量反映感測器及檢測技術領域內的新技術和新動向。

本書可作為高等職業教育機電一體化技術類、電子信息類等專業的教材，也可作為生產技術管理人員及其他工程技術人員參考和學慣用書。

作為人體感覺器官的延伸，感測器已廣泛應用於生活、生產、科研等各個領域，是各種信息檢測系統、自動測量系統、自動報警系統和自動控制系統必不可少的信息採集的“感覺器官”，在現代科學技術和工程領域中佔有極其重要的地位和作用。隨著“信息時代”的到來，許多國家將感測器技術列為優先發展的科技領域之一。國內高職院校相關專業都開設了相應的課程，感測器方面的教材陸續問世。這些著作，在原理性與實用性，傳統性與新型性，以及廣度與深度上各有側重。本書將根據高等職業教育人才培養模式的要求，從實用角度出發，主要介紹常用感測器的工作原理、特性及基本應用電路，並介紹了選擇和應用感測器的基本技能。同時，注重知識的系統性和適用性，盡量反映感測器及檢測技術領域內的新技術和新動向。

全書共12章，主要內容包括：感測與檢測技術基礎（包括檢測技術基本概念及作用、測量誤差和數據處理，感測器的基本概念、基本特性及常用敏感元件）；力學量感測器及其應用；幾何量感測器及其應用；溫度量感測器及其應用；磁學量感測器及其應用；光電感測器及其應用；數字感測器及其應用；氣體及生物感測器；智能感測器及其應用；感測器選用與標定；抗干擾技術及微機介面技術；現代檢測系統。每個章節都有應用案例，每個單元選材力求通俗、簡明、實用，操作性強，每章后附有小結和思考題與習題。

本書可作為高等職業教育機電一體化技術類、電子信息類等專業的教材，使用本教材的學校可根據專業要求、實驗條件等實際情況，對相應章節的內容進行取捨。

本書由廣東輕工職業技術學院葉廷東、揭陽職業技術學院陳耿新、珠江水利科學研究院江顯群主編，東莞職業技術學院朱飛虎、賀州學院余長庚參編。其中葉廷東編寫了第1、2、3、8章，並對全書統稿；陳耿新編寫了第9、11章；江顯群編寫了第5章以及部分章節的應用案例；朱飛虎編寫了第4、6、7章；余長庚編寫了第10、12章。

本書的編審工作得到了許多同行特別是華南理工大學劉桂雄教授的熱情幫助和支持，他們提出了大量寶貴的意見，在此一併表示衷心感謝。

由於水平有限，書中難免存在不足之處，敬請讀者予以批評指正。

緒論

第1章感測與檢測技術基礎

1.1感測技術及感測器概述

1.1.1感測技術及感測器的基本概念

1.1.2感測器的組成與分類

1.1.3感測器的基本特性

1.2感測器材料、製造與標定

1.2.1感測器的製造材料

1.2.2感測器的製造技術

1.2.3感測器的標定基本概念

1.3感測技術的發展趨勢和應用前景

1.3.1感測技術的發展趨勢

1.3.2感測技術的應用前景

1.4檢測技術基礎

1.4.1檢測技術概念及其發展

1.4.2檢測系統組成

1.4.3現代檢測技術特徵

1.4.4檢測技術的主要內容

本章小結

思考題與習題

第2章力學量感測器及其應用

2.1力學量感測器概述

2.2彈性敏感元件

2.2.1彈性敏感元件的概念

2.2.2彈性敏感元件的特性

2.2.3彈性敏感元件的誤差來源、結構形式和材料

2.2.4常用的彈性敏感元件

2.3應變片式電阻感測器

2.3.1應變片式電阻感測器的結構和原理

2.3.2應變片式電阻感測器的測量電路

2.3.3應變片式電阻感測器的應用案例

2.4壓電式感測器

2.4.1壓電式感測器的基本原理

2.4.2壓電元件的連接方式

2.4.3壓電式感測器的測量轉換電路

2.4.4壓電式感測器的應用案例

2.5感測檢測實驗案例

2.5.1應變片測量實驗

2.5.2壓電式感測器實驗

本章小結

思考題與習題

第3章幾何量感測器及其應用

3.1電阻式感測器

3.1.1線性電位器

3.1.2非線繞電位器式電阻感測器

3.1.3電位器式感測器的應用案例

3.2電容式感測器

3.2.1電容式感測器的工作原理

3.2.2電容式感測器的測量電路

3.2.3電容式感測器的特點

3.2.4電容式感測器的應用案例

3.3電感式感測器

3.3.1自感式電感感測器

3.3.2差動式電感感測器

3.3.3螺管形差動變壓器式感測器

3.3.4電感式感測器的應用案例

3.4感測檢測實驗案例

3.4.1電容式感測器的位移特性實驗

3.4.2電感式感測器測試實驗

本章小結

思考題與習題

第4章溫度感測器及其應用

4.1熱電偶溫度感測器

4.1.1熱電效應和中間導體定律

4.1.2熱電偶的分類和結構

4.1.3分度表

4.1.4溫度補償

4.1.5應用範例

4.2熱電阻溫度感測器

4.2.1鉑熱電阻

4.2.2銅熱電阻

4.2.3熱電阻結構

4.2.4熱電阻測量電路

4.3熱敏電阻溫度感測器

4.4集成溫度感測器

4.4.1電壓型集成溫度感測器

4.4.2電流型集成溫度感測器

4.4.3數字式集成溫度感測器

4.5溫度檢測系統設計案例

4.5.1MAX6675簡介

4.5.2MAX6675與單片機介面

本章小結

思考題與習題

第5章磁學量感測器及其應用

5.1霍爾感測器及其應用

5.1.1霍爾效應

5.1.2霍爾器件

5.1.3霍爾器件基本特性

5.1.4霍爾元件測量電路、測量誤差及補償方法

5.1.5霍爾感測器的應用案例

5.2磁敏二極體

5.2.1磁敏二極體工作原理

5.2.2磁敏二極體特性

5.2.3磁敏二極體應用案例

5.3磁敏三極體

5.3.1磁敏三極體結構與原理

5.3.2磁敏三極體特性

5.3.3磁敏三極體應用案例

5.4霍爾感測器位移檢測實驗案例

本章小結

思考題與習題

第6章光電感測器及其應用

6.1光電感測器基礎知識

6.1.1外光電效應

6.1.2光電導效應

6.1.3光生伏特效應

6.2基於外光電效應的光敏元件

6.2.1光電管

6.2.2光電倍增管

6.2.3應用案例

6.3基於光電導效應的光敏元件

6.3.1光敏電阻

6.3.2應用案例

6.4基於光生伏特效應的光敏元件

6.4.1光敏二極體

6.4.2光敏三極體

6.4.3光敏晶閘管

6.4.4光電池

6.4.5應用案例

6.5光電感測器的應用方法小結

6.6感測檢測系統設計案例

6.6.1系統概述

6.6.2硬體設計

6.6.3軟體設計

本章小結

思考題與習題

第7章數字感測器及其應用

7.1光柵感測器

7.1.1光柵感測器的結構和分類

7.1.2莫爾條紋

7.1.3辨向與細分

7.1.4光柵感測器的安裝使用

7.2旋轉編碼器

7.2.1絕對式光電編碼器

7.2.2增量式編碼器

7.3感測檢測應用案例

7.3.1編碼器選型

7.3.2PLC

7.3.3系統硬體安裝

7.3.4系統設置和軟體設計

本章小結

思考題與習題

第8章氣體及生物感測器

8.1氣體感測器及其應用

8.1.1氣體感測器的分類

8.1.2半導體氣體感測器

8.1.3氣體感測器的應用案例

8.2生物感測器及其應用

8.2.1生物感測器定義、工作原理和分類

8.2.2生物感測器的應用

8.2.3生物感測器的發展趨勢

8.3感測檢測系統設計案例

8.3.1硬體系統設計

8.3.2軟體系統設計

本章小結

思考題與習題

第9章智能感測器及其應用

9.1智能感測器概述

9.1.1智能感測器的概念

9.1.2智能感測器的基本結構

9.1.3智能感測器的功能

9.1.4智能感測器的特點

9.2智能感測器的實現

9.2.1智能感測器的實現方式

9.2.2智能感測器的匯流排標準

9.3典型智能感測器

9.3.1IEEE1451網路化智能感測器

9.3.2模糊感測器

9.3.3多感測器數據融合系統

9.4智能感測器實例

9.4.1ST3000智能壓力、差壓變送器

9.4.2氣象參數測試儀

9.4.3汽車制動性能檢測儀

9.4.4輪速智能感測器

9.4.5機動車運行安全監測系統

9.5感測檢測系統設計案例

9.5.1智能家用水流量系統

9.5.2硬體設計

9.5.3軟體設計

本章小結

思考題與習題

第10章感測器選用與標定

10.1感測器的選用原則

10.1.1根據感測器的特性選擇感測器

10.1.2根據用途選擇感測器

10.2感測器的標定

10.3檢測應用案例

10.3.1感測器的選用案例

10.3.2感測器的標定案例

本章小結

思考題與習題

第11章抗干擾技術及微機介面技術

11.1感測器抗干擾技術

11.1.1干擾的概念及分類

11.1.2信噪比和雜訊係數

11.1.3接地技術

11.1.4屏蔽技術

11.1.5隔離技術

11.1.6濾波技術

11.2感測器與微機介面技術

11.2.1感測信號預處理

11.2.2數據採集

11.2.3ADC介面技術

11.3感測器的抗干擾及微機介面綜合實例

11.3.1稱重感測器系統

11.3.2系統接地方法

11.3.3基準地浮空

11.3.4數字濾波

11.3.5微處理器

11.3.6ADC電路

本章小結

思考題與習題

第12章現代檢測系統

12.1現代檢測系統的組成

12.2現代檢測系統的分類

12.3現代檢測技術發展趨勢

12.4綜合案例

12.4.1DCRMS項目需求

12.4.2DCRMS整體架構設計與實驗配置

本章小結

思考題與習題

參考文獻