感測器與自動檢測技術

感測器與自動檢測技術

本書針對應用型本科教育和新工科的特點，以信息的感測、轉換、處理為核心，按檢測技術基礎（第1~2章）、感測器原理及應用（第3~8章）、自動檢測系統（第9~11章）三大模塊組織內容。感測器原理及應用模塊以被測量為主線，分別介紹溫度、力、聲、磁、光、氣體和濕度等各類感測器的原理、結構、性能及其應用電路，並針對不同類型的感測器給出多個應用實例。自動檢測系統模塊包含虛擬儀器、無線感測器網路與物聯網和自動檢測系統共三章內容，第9章介紹虛擬儀器概念、開發環境和數據採集；第10章介紹無線感測器網路與物聯網的概念、技術架構、無線通信及其應用；第11章介紹自動檢測系統的組成、設計方法和設計案例。

前言

第 1 章 感測器與檢測技術基礎 1

1. 1 檢測技術概論 1

1. 1. 1 檢測技術 1

1. 1. 2 感測器與檢測技術的作用與地位 1

1. 2 感測器的定義及其分類 2

1. 2. 1 感測器的定義與組成 2

1. 2. 2 感測器的分類 2

1. 3 感測器的基本特性 3

1. 3. 1 感測器的靜態特性 3

1. 3. 2 感測器的動態特性 6

1. 4 感測器技術的發展 9

思考題與習題 10

第 2 章 測量誤差與數據處理 11

2. 1 測量誤差的基本概念 11

2. 1. 1 量值 11

2. 1. 2 誤差的表達方法 11

2. 2 誤差的分類及其來源 13

2. 2. 1 系統誤差 13

2. 2. 2 隨機誤差 13

2. 2. 3 粗大誤差 13

2. 3 測量誤差的處理 14

2. 3. 1 隨機誤差的處理 14

2. 3. 2 系統誤差的處理 16

2. 3. 3 粗大誤差的處理 17

思考題與習題 18

第 3 章 溫度感測器 19

3. 1 熱電偶 19

3. 1. 1 熱電偶感測器測溫原理 19

3. 1. 2 熱電偶的基本定律 22

3. 1. 3 熱電偶的結構與種類 23

3. 1. 4 熱電偶的冷端溫度補償 25

3. 1. 5 熱電偶的實用測溫電路 26

3. 2 熱電阻 27

3. 2. 1 鉑熱電阻 27

3. 2. 2 銅熱電阻 28

3. 2. 3 熱電阻的測量電路 28

3. 3 熱敏電阻 29

3. 3. 1 熱敏電阻的結構與特點 29

3. 3. 2 熱敏電阻的類型及其溫度特性 30

3. 4 輻射式溫度感測器 30

3. 4. 1 輻射測溫的物理基礎 30

3. 4. 2 輻射式測溫方法 31

3. 5 集成溫度感測器 32

3. 5. 1 集成溫度感測器的工作原理及

分類 32

3. 5. 2 電壓型集成溫度感測器

μPC616A / C 32

3. 5. 3 電流型集成溫度感測器 AD590 33

3. 5. 4 數字型溫度感測器 DS18B20 34

3. 6 溫度感測器的應用 34

3. 6. 1 NTC 熱敏電阻溫度控制 34

3. 6. 2 PTC 熱敏電阻自動延時電路 34

3. 6. 3 管道流量測量 35

3. 6. 4 集成溫度感測器溫差測量 35

思考題與習題 35

第 4 章 力學量感測器 37

4. 1 應變式壓力感測器 37

4. 1. 1 電阻應變效應 37

4. 1. 2 電阻應變片的種類和結構 38

4. 1. 3 電阻應變式感測器的測量電路 39

4. 1. 4 電阻應變片溫度誤差及其補償 42

4. 2 壓電式感測器 44

4. 2. 1 壓電效應 44

4. 2. 2 壓電材料 46Ⅵ

4. 2. 3 測量電路 47

4. 3 電容式感測器 51

4. 3. 1 電容式感測器的工作原理 51

4. 3. 2 電容式感測器的測量電路 55

4. 3. 3 電容式壓力感測器 57

4. 4 電感式壓力感測器 57

4. 4. 1 自感式壓力感測器 58

4. 4. 2 互感式壓力感測器 62

4. 5 力學量感測器的應用 64

4. 5. 1 電阻式感測器測量力、重量和

加速度 64

4. 5. 2 壓電式感測器測量力和加速度 68

4. 5. 3 電容式感測器測量位移、加速度、

厚度和液位 68

4. 5. 4 電感式感測器測量壓力和加

速度 70

思考題與習題 72

第 5 章 聲波感測器 74

5. 1 聲波概述 74

5. 1. 1 聲波 74

5. 1. 2 聲波的物理特性 74

5. 2 微波感測器 76

5. 2. 1 微波感測器的工作原理 77

5. 2. 2 微波感測器的組成 77

5. 2. 3 微波感測器的特點 78

5. 3 超聲波感測器 78

5. 3. 1 超聲波及其特性 78

5. 3. 2 超聲波感測器的分類 78

5. 4 次聲波感測器 80

5. 4. 1 次聲波及其特性 80

5. 4. 2 次聲波感測器的分類 80

5. 5 聲波感測器的應用 81

5. 5. 1 微波液位和濕度檢測 81

5. 5. 2 超聲波物位、流量測量和無損

探傷 82

5. 5. 3 次聲波管道泄漏定位和災害

預測 85

思考題與習題 86

第 6 章 磁敏感測器 87

6. 1 磁電感應式感測器 87

6. 1. 1 磁電感應式感測器的工作原理 87

6. 1. 2 磁電感應式感測器的測量電路 89

6. 2 電渦流感測器 89

6. 2. 1 電渦流感測器的工作原理 89

6. 2. 2 電渦流感測器的測量電路 91

6. 3 霍爾式感測器 92

6. 3. 1 霍爾效應 92

6. 3. 2 霍爾元件 93

6. 3. 3 霍爾元件的誤差及其補償 94

6. 3. 4 霍爾式感測器的基本測量電路 96

6. 4 半導體磁阻感測器 96

6. 4. 1 磁阻效應 96

6. 4. 2 磁敏電阻元件 97

6. 4. 3 磁敏電阻的溫度補償 97

6. 5 結型磁敏器件 98

6. 5. 1 磁敏二極體 98

6. 5. 2 磁敏晶體管 99

6. 6 磁敏感測器的應用 101

6. 6. 1 磁電感應式振動速度感測器和

電磁流量計 101

6. 6. 2 電渦流感測器振幅、轉速測量和

無損探傷 101

6. 6. 3 霍爾式感測器位移、轉速和功率

測量 102

6. 6. 4 交流電流監視器 104

6. 6. 5 磁電式無觸點開關 104

思考題與習題 105

第 7 章 光電式感測器 106

7. 1 光電式感測器的類型和基本形式 106

7. 1. 1 光電式感測器的類型 106

7. 1. 2 光電式感測器的基本形式 107

7. 2 光電效應與光電器件 107

7. 2. 1 外光電效應及其典型器件 108

7. 2. 2 內光電效應及其典型器件 111

7. 2. 3 光生伏特效應及其典型器件 114

7. 3 光纖感測器 120

7. 3. 1 光纖的傳光原理及主要特性 121

7. 3. 2 光纖感測器的組成和分類 122

7. 4 計量光柵感測器 123

7. 4. 1 光柵的結構和分類 123

7. 4. 2 光柵感測器的工作原理 124

7. 4. 3 辨向與細分技術 127

7. 5 光電編碼器 128

7. 5. 1 工作原理 128

7. 5. 2 光電碼盤 129

7. 6 紅外感測器 131Ⅶ

7. 6. 1 紅外輻射基本性質 131

7. 6. 2 熱探測器 132

7. 6. 3 光子探測器 133

7. 7 CCD 圖像感測器 133

7. 7. 1 CCD 的基本結構和工作

原理 134

7. 7. 2 CCD 的特性參數 136

7. 7. 3 CCD 圖像感測器的分類 137

7. 8 光電式感測器的應用 139

7. 8. 1 精密核輻射探測器 139

7. 8. 2 光電式火災探測報警器 140

7. 8. 3 路燈自動控制器和樓道雙光控

延時開關 141

7. 8. 4 光電式數字轉速計 141

7. 8. 5 光纖溫度、圖像和流量感測器 142

思考題與習題 144

第 8 章 氣敏與濕敏感測器 146

8. 1 氣敏感測器 146

8. 1. 1 氣敏感測器概述 146

8. 1. 2 半導體電阻式氣敏感測器 147

8. 1. 3 接觸燃燒式氣敏感測器 149

8. 1. 4 紅外吸收式氣敏感測器 151

8. 1. 5 熱導式氣敏感測器 153

8. 1. 6 熱磁式氣體分析感測器 154

8. 2 濕敏感測器 155

8. 2. 1 濕敏感測器概述 155

8. 2. 2 電阻式濕敏感測器 156

8. 2. 3 電容式濕敏感測器 160

8. 2. 4 集成電容式濕敏感測器

IH3605 161

8. 3 氣敏與濕敏感測器的應用 163

8. 3. 1 簡易家用氣體報警電路 163

8. 3. 2 攜帶型礦井瓦斯超限報警器 163

8. 3. 3 有害氣體鑒別、報警與控制

電路 163

8. 3. 4 酒精檢測報警器 164

8. 3. 5 汽車后風窗玻璃自動去濕裝置 165

8. 3. 6 房間濕度控制器 165

8. 3. 7 鏡面水汽清除器 166

8. 3. 8 土壤缺水告知器 166

8. 3. 9 電容式穀物水分測量儀 167

8. 3. 10 重油含水量測量 168

思考題與習題 170

第 9 章 虛擬儀器 171

9. 1 虛擬儀器概述 171

9. 1. 1 虛擬儀器的組成 171

9. 1. 2 虛擬儀器與傳統儀器的比較 171

9. 1. 3 虛擬儀器的優點 173

9. 2 LabVIEW 虛擬儀器開發環境 173

9. 2. 1 LabVIEW 程序的基本構成 173

9. 2. 2 LabVIEW 程序的特點 174

9. 3 虛擬儀器在工程中的應用 176

9. 4 虛擬儀器數據採集 177

9. 4. 1 數據採集 (DAQ) 系統組成 177

9. 4. 2 數據採集 (DAQ) 設備 177

9. 4. 3 DAQ 系統中的計算機 178

9. 4. 4 DAQ 系統中的軟體組件 178

9. 4. 5 使用 LabVIEW 連接測量硬體 178

9. 5 超越 PC 的虛擬儀器系統 183

思考題與習題 183

第 10 章 無線感測器網路與物聯網 185

10. 1 無線感測器網路 185

10. 1. 1 無線感測器網路概念 185

10. 1. 2 無線感測器網路工作原理 185

10. 1. 3 無線感測器節點構成 186

10. 2 物聯網 187

10. 2. 1 物聯網的定義 187

10. 2. 2 物聯網的技術架構 187

10. 2. 3 物聯網的特點 188

10. 3 物聯網的無線通信技術 189

10. 3. 1 近距離無線通信 189

10. 3. 2 遠距離移動無線通信 190

10. 4 物聯網的應用 191

10. 4. 1 智能交通物聯網 191

10. 4. 2 智能家居物聯網 193

10. 4. 3 智能農業物聯網 195

10. 4. 4 智能醫療物聯網 195

思考題與習題 197

第 11 章 自動檢測系統 198

11. 1 自動檢測系統的結構組成 198

11. 1. 1 自動檢測系統的基本結構 198

11. 1. 2 自動檢測系統的組成 199

11. 1. 3 自動檢測系統的軟體 202

11. 2 自動檢測系統的基本設計方法 204

11. 2. 1 系統需求分析 204Ⅷ

11. 2. 2 系統總體設計 204

11. 2. 3 採樣頻率的確定 205

11. 2. 4 標度變換 205

11. 2. 5 硬體設計 206

11. 2. 6 軟體設計 208

11. 2. 7 系統集成與維護 209

11. 3 自動檢測系統的設計案例 209

11. 3. 1 智能人體電子秤 209

11. 3. 2 基於虛擬儀器直流電動機性能的

綜合測試系統 211

11. 3. 3 基於 ZigBee 建築塔吊安全監測

預警系統 216

11. 3. 4 基於 WSN 和 COMWAY 協議溫室

大棚參數遠程監控系統 221

11. 3. 5 基於 GPRS 和 OneNet 水質遠程

監測預警系統 227

思考題與習題 241

參考文獻 242