自动检测与转换技术(沈洁)

随着现代工业的发展，生产过程自动化已成为必不可少的重要部分，其中，温度、压力、物位、位移、液位等物理参数是实现生产过程自动化的基础。各种常见物理量的检测方法是自动化类专业学生必须掌握的一项专业技能，在此背景下，目前各个高职院校电气自动化和机电一体化专业都开始把检测技术作为其专业基础课。编者根据高职高专自动化类专业的培养目标和要求，结合多年的教学经验和工作经验，编写了本书，旨在满足当前高职教育的需要，以适应自动化类专业对信号检测和转换技能的新要求，满足高素质、强能力的技能人才培养的需要。

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，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。

本教材从内容安排上，保证学生有较坚实的基础，满足教学的基本要求，使学生日后具有较强的发展后劲。同时突出特色，强化应用。围绕培养目标，以技能应用为背景，通过理论与工作实际相结合，构建职业教育系列教材特色。本教材的内容、结构遵循九字方针：知识新、结构新、重应用。教材内容的要求概括为“精”“新”“广”“用”。

本书共分12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；第12章为传感器的应用。每章后都附有一定量的思考题与习题，同时，设置了“知识拓展”，扫描每章后的二维码可查看相应内容。

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、余海晨任副主编，其中第1、4、8章由谢飞、余海晨编写，第2、6、10章由沈洁编写，第3、7章由于玲、刘砚编写，第5、9章由李娜编写，王欣、孙艳编写了第11章，赵洪洁、刘元才编写了第12章，王长青参与整理书稿。

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

本书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。本书共分12章。主要内容有：传感器技术的基础知识；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；抗干扰技术；传感器实训；传感器的应用。每章后都附有一定量的思考题与习题，同时，设置了“知识拓展”，扫描每章后的二维码可查看相应内容。

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。

沈洁，天津轻工职业技术学院新能源发展中心主任，控制工程硕士学位，副教授。天津轻工职业技术学院光伏发电技术及应用专业教研室主任，2011-2013及2015年，四次指导学生参加全国职业技能大赛均获一等奖；2012-2013年，连续两次参加机械行执委教师技能大赛均获一等奖；2015年天津市师德先进个人。多次参与企业光伏电站建设工作，先任教课程光伏发电系统安装于调试、应用光伏技术、现场总线技术等。

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2

1.1.3传感器的分类2

1.2测量的基本方法3

1.2.1直接测量3

1.2.2间接测量3

1.2.3组合测量3

1.3测量误差的来源及分类4

1.3.1测量误差的表示方法4

1.3.2测量误差的来源4

1.3.3测量误差的分类4

1.4传感器的基本特性5

1.4.1静态特性5

1.4.2动态特性6

第2章常用温度传感器7

2.1温标及温度测量方法7

2.1.1温度的概念7

2.1.2经验温标7

2.1.3热力学温标8

2.1.4国际实用温标8

2.2热膨胀式温度传感器的原理及应用8

2.2.1固体膨胀式温度计——双金属温度计9

2.2.2气体、液体膨胀式温度计——压力式温度计12

2.3热电阻温度传感器的原理及应用13

2.3.1热电阻温度传感器的原理13

2.3.2热电阻温度传感器的应用14

2.3.3热电阻温度计的选用16

2.4热敏电阻传感器的原理及应用19

2.4.1热敏电阻传感器的原理19

2.4.2热敏电阻传感器的应用20

2.4.3热敏电阻温度计的选用22

2.5热电偶温度传感器的原理及应用26

2.5.1热电偶传感器的原理26

2.5.2热电偶传感器的应用28

2.5.3热电偶温度传感器的选用29

第3章压力及力检测33

3.1压力的概念及单位33

3.1.1压力的概念33

3.1.2压力的单位34

3.1.3压力表35

3.1.4压力表的分类35

3.2应变式传感器的原理及应用36

3.2.1应变式传感器的特点36

3.2.2应变片的工作原理36

3.2.3电阻应变片的分类38

3.2.4应变片的选用及型号命名规则40

3.2.5应变片的温度误差及补偿42

3.2.6测量转换电路43

3.2.7应变式压力传感器46

3.2.8应变式容器内液体重量传感器49

3.3压电压力传感器的原理及应用51

3.3.1压电压力传感器的应用51

3.3.2压电压力传感器的原理52

3.3.3压电元件54

3.3.4压电传感器中压电片的连接方式54

3.3.5压电式压力传感器55

3.3.6压电材料的常规应用55

3.3.7新型压电材料的应用57

3.4压磁式传感器的原理及应用58

3.4.1压磁效应58

3.4.2压磁式传感器的工作原理59

3.4.3压磁元件60

3.4.4激励安匝数的选择60

3.4.5压磁式传感器的分类61

3.5电容式压力及力传感器61

3.5.1电容式传感器的工作原理61

3.5.2电容式传感器的优点和缺点65

3.5.3电容式传感器67

3.6霍尔式压力计69

3.6.1霍尔效应69

3.6.2霍尔元件及结构70

3.6.3霍尔元件的基本电路及主要参数70

3.6.4霍尔型传感器的应用72

3.7压力检测仪表的选择与校验75

第4章流量检测77

4.1流量测量77

4.1.1流量的表示方法78

4.1.2流量的主要测量方法78

4.2差压式流量计的原理与安装79

4.2.1节流装置的工作原理79

4.2.2取压方式80

4.2.3节流装置的安装要求81

4.3容积式流量计82

4.3.1椭圆齿轮流量计82

4.3.2腰轮流量计82

4.3.3刮板式流量计83

4.4速度式流量计83

4.4.1叶轮流量计83

4.4.2涡轮流量计83

4.5振动式流量计84

4.5.1涡街流量计结构与工作原理84

4.5.2涡街流量计特点85

4.6电磁式流量计85

4.6.1电磁流量计的结构及原理85

4.6.2电磁流量计的特点86

4.6.3电磁流量计误差产生的原因86

4.7质量流量计87

4.7.1间接式质量流量计87

4.7.2直接式质量流量计88

4.8流量计的选择与应用88

4.8.1各种流量计的优缺点比较88

4.8.2流量计的选型原则89

第5章物位及厚度检测90

5.1浮力式物位检测的原理及应用90

5.1.1恒浮力式物位检测90

5.1.2变浮力式物位检测91

5.2静压式物位检测的原理及应用92

5.2.1压力式液位计92

5.2.2差压式液位计93

5.2.3量程迁移94

5.3电容式物位检测的原理及应用95

5.3.1电容式物位计的原理95

5.3.2电容式物位计的分类96

5.3.3电容式物位计的应用97

5.4超声波物位检测的原理及应用98

5.4.1超声波检测的原理98

5.4.2超声波传感器100

5.4.3超声波传感器的应用102

5.5电涡流厚度检测的原理及应用106

5.5.1电涡流传感器的原理106

5.5.2电涡流传感器测量电路108

5.5.3电涡流传感器厚度检测的应用109

第6章位移传感器111

6.1电感式传感器的原理及应用111

6.1.1电感传感器的工作原理及分类112

6.1.2电感式传感器的应用114

6.1.3选用电感式传感器115

6.2电位器式传感器的原理及应用116

6.2.1电位器式传感器的工作原理及结构116

6.2.2电位器式传感器的应用118

6.2.3电位器式位移传感器的选用118

6.3感应同步器的原理及应用119

6.3.1感应同步器的工作原理及结构120

6.3.2感应同步器的应用122

6.3.3感应同步器的选用123

6.4光栅位移测试的原理及应用124

6.4.1光栅位移传感器的工作原理及结构124

6.4.2光栅位移传感器的应用126

6.4.3光栅位移传感器的选用126

6.5码盘式传感器的原理及应用127

6.5.1光电码盘式传感器的工作原理及结构127

6.5.2光电码盘式传感器的应用128

6.5.3光电码盘式传感器的选用129

第7章速度及加速度检测131

7.1磁电感应式速度传感器131

7.1.1磁电式传感器的变换原理131

7.1.2磁电式传感器的分类132

7.1.3磁电式传感器的结构133

7.2光电式转速计134

7.2.1直射式光电转速计134

7.2.2反射式光电转速计134

7.3测速发电机135

7.3.1直流测速发电机136

7.3.2交流测速发电机137

7.4光束切断法138

7.5多普勒测速139

7.6电磁脉冲式转速计139

7.7加速度传感器140

7.7.1压电式加速度传感器140

7.7.2电阻应变式加速度传感器141

7.7.3电容式加速度传感器141

第8章光电检测144

8.1光电效应及光电器件144

8.1.1外光电效应及器件144

8.1.2内光电效应及器件146

8.2光电耦合器件152

8.2.1光电耦合器件的结构和原理152

8.2.2光电耦合器的组合形式152

8.3光电开关152

8.4CCD与数码相机154

8.4.1CCD技术154

8.4.2互补性氧化金属半导体155

8.4.3数码相机的特点与组成156

第9章磁场及气体成分参数检测158

9.1磁场检测方法158

9.1.1磁敏电阻传感器原理158

9.1.2电磁感应法测量磁场160

9.1.3磁通门磁强计测量磁场163

9.1.4霍尔效应磁强计测量磁场164

9.1.5核磁共振法测量磁场164

9.2气体成分检测传感器的原理及应用164

9.2.1气敏传感器的分类164

9.2.2电阻式半导体气敏传感器165

9.2.3非电阻式半导体气敏传感器167

9.2.4气敏传感器的应用167

9.3湿度检测传感器的原理及应用169

9.3.1湿度的定义170

9.3.2电阻式湿度传感器170

9.3.3湿敏传感器的应用173

第10章抗干扰技术176

10.1干扰的类型及产生176

10.1.1电磁干扰176

10.1.2机械干扰177

10.1.3干扰的产生177

10.2常用的抗干扰技术178

10.2.1屏蔽技术178

10.2.2接地技术179

10.2.3浮置180

10.3其他抑制干扰措施180

10.3.1隔离180

10.3.2滤波181

10.3.3平衡电路182

10.3.4软件抗干扰设计182

第11章传感器实训184

11.1温度传感器实训——恒温控制器184

11.1.1电路分析184

11.1.2技能训练187

11.2压阻式压力传感器实训——数字电子秤188

11.2.1电路分析188

11.2.2技能训练189

11.3霍尔测速传感器实训190

11.3.1电路分析190

11.3.2元件介绍190

11.3.3基本工作原理195

11.3.4技能训练196

11.4光电传感器实训——声光控延迟节能灯196

11.4.1电路分析196

11.4.2技能训练199

11.5简易超声距离传感器的制作201

11.5.1基本原理201

11.5.2单片机超声波测距系统硬件组成201

11.5.3单片机超声波测距系统软件设计流程204

11.5.4元件清单204

第12章传感器的应用205

12.1传感器在工业检测和自动控制系统中的应用205

12.1.1工业检测和自动控制系统的发展趋势205

12.1.2传感器在工业检测和自动控制系统的应用分类206

12.1.3工业检测和自动控制系统中传感器应用案例207

12.2传感器在汽车中的应用212

12.2.1概述212

12.2.2传感器在发动机控制系统的应用213

12.2.3传感器在底盘控制系统的应用216

12.2.4传感器在车身控制系统的应用219

12.3传感器在机器人中的应用219

12.3.1概述219

12.3.2机器人常见的分类220

12.3.3机器人传感器222

12.4传感器在生活电器中的应用226

12.4.1概述226

12.4.2传感器在生活电器中的应用分类226

12.4.3家用电器中传感器应用案例227

12.5传感器在航空航天中的应用230

12.5.1概述230

12.5.2各种传感器在航空航天中的应用230

12.6传感器在环境监测中的应用233

12.6.1大气环境监测传感器233

12.6.2对生物需氧量（BOD）的监测234

12.6.3在土壤污染环境监测中的应用236

参考文献238