传感器原理与应用PDF电子书下载

1 概论 1

1.1传感器的定义及其作用 1

1.1.1传感器的定义 1

1.1.2传感器的作用及其分类 1

1.1.3传感器的选用 3

1.2传感器的特性 3

1.2.1静态特性 3

1.2.2动态特性 4

1.3传感器的发展 5

1.4信号传输方式 6

1.5信号处理方式 7

1.6物理传感器 9

习题与思考题 10

2 温度传感器 11

2.1概述 12

2.2热电偶 14

2.2.1热电偶的工作原理 14

2.2.2热电偶的种类 15

2.2.3热电偶的应用技术 16

2.3热电阻 20

2.3.1热电阻材料的特性 20

2.3.2铂电阻 20

2.3.3铜电阻 20

2.3.4铟、锰、碳等热电阻 21

2.4热敏电阻 21

2.4.1概述 21

2.4.2正温度系数热敏电阻PTC 21

2.4.3负温度系数热敏电阻NTC 22

2.4.4临界温度系数热敏电阻CTR 23

2.5 PN结温度传感器 23

2.5.1热敏二极管温度传感器 23

2.5.2热敏晶体三极管温度传感器 24

2.5.3热敏晶闸管温度传感器 27

2.6集成温度传感器 27

2.6.1 LM35应用电路 27

2.6.2 μPC16A应用电路 28

2.6.3 AD590M应用电路 29

2.6.4 LM334应用电路 30

2.6.5新型集成温度传感器 30

2.7常用温度传感器的原理及发展 32

2.7.1引言 32

2.7.2温度传感器的分类 32

2.7.3传感器的原理及发展 33

2.7.4智能温度传感器发展的新趋势 34

2.7.5结束语 36

2.8温度传感器的实物图 37

习题与思考题 37

3 湿度传感器 38

3.1湿度的表示方法与传感器的类型 38

3.1.1湿度及其表示方法 38

3.1.2湿度传感器的分类 39

3.2湿度传感器的特性参数与工作原理 39

3.2.1湿度传感器的特性参数 39

3.2.2常见湿度传感器的结构、工作原理、应用 42

3.3湿度传感器的应用实例 50

3.3.1直读式湿度计 50

3.3.2数字湿度计 50

3.3.3石英相对湿度计 52

3.3.4采用高湿度开关传感器的湿度计 53

3.3.5 MOS1-1传感器湿度检测电路 53

3.3.6采用H104R湿度传感器的检测电路 54

3.3.7 ZHG湿敏电阻湿度检测电路 55

3.3.8 CGS-2湿度传感器的应用 56

3.4湿度传感器的实物图 56

3.4.1湿敏元件系列湿度传感器的实物图 56

3.4.2温湿度传感器模块系列传感器的实物图 57

3.4.3温湿度变送器系列传感器的实物图 59

3.4.4温湿度显示控制仪系列 59

习题与思考题 60

4 气敏传感器 61

4.1气敏传感器的类型 61

4.2气敏传感器的工作原理 61

4.2.1气体的检测方法 62

4.2.2气敏电阻的工作原理 63

4.3气敏传感器的应用技术 64

4.3.1红外吸收式气敏传感器 65

4.3.2接触燃烧式气体传感器 65

4.3.3热导率变化式气敏传感器 67

4.3.4湿式气敏传感器 68

4.4气敏传感器的应用实例 68

4.4.1气体报警器 69

4.4.2煤气报警器 69

4.4.3火灾烟雾报警器 70

4.4.4酒精探测器 71

4.4.5空气净化换气扇 71

4.4.6矿灯瓦斯报警器 72

4.4.7可燃性气体检测器 73

4.5半导体气敏传感器 74

4.5.1半导体气敏传感器及其分类 74

4.5.2电阻型半导体气敏材料的导电机理 75

4.5.3电阻型半导体气敏传感器的结构 75

4.5.4气敏器件的基本特性 77

4.5.5非电阻型气敏器件 78

4.6气敏传感器实物图 80

4.6.1半导体型可燃气体敏感元件MQ-2. 80

4.6.2半导体型可燃气体敏感元件MQ216. 80

4.6.3家用燃气泄露报警器（JP-BQ011） 80

4.6.4酒精测试仪（GB-AL08H） 81

4.6.5矿用瓦斯报警模块 81

习题与思考题 81

5 力敏传感器 82

5.1常见力敏传感器的类型与特性 82

5.1.1传感器的应用 82

5.1.2力敏传感器的分类 83

5.1.3力敏传感器主要技术指标 83

5.2常见力敏传感器的工作原理 83

5.2.1电阻应变片式力敏传感器 84

5.2.2压阻式力敏传感器 85

5.2.3压电式力敏传感器 87

5.2.4电容式力敏传感器 88

5.2.5电感式力敏传感器 89

5.3常见力敏传感器的应用实例 90

5.3.1用力敏传感器测量液体表面的张力系数 90

5.3.2用力敏传感器测量液体密度 93

5.4常见力敏传感器实物图 95

5.4.1应变式拉压力传感器 95

5.4.2压阻式力敏传感器 96

5.4.3压电式力敏传感器 96

5.4.4电容式力敏传感器 96

5.4.5电感式力敏传感器 96

习题与思考题 97

6 超声波传感器 98

6.1超声波及其物理性质 99

6.1.1超声波的波形及其传播速度 99

6.1.2超声波的反射和折射 100

6.1.3超声波的衰减 101

6.2超声波传感器 102

6.3超声波传感器的应用 102

6.3.1超声波物位传感器 102

6.3.2超声波流量传感器 103

6.4各类超声波传感器实物图 104

习题与思考题 106

7电阻式传感器 107

7.1电位器式电阻传感器 107

7.1.1线绕电位器式传感器 107

7.1.2线绕电位器式传感器的阶梯特性、阶梯误差和分辨率 108

7.1.3非线性线绕电位器 110

7.2应变式电阻传感器 111

7.3电阻应变片的分类及粘贴技术 113

7.3.1金属电阻应变片 113

7.3.2应变片的粘贴工艺技术 116

7.3.3电阻应变片的主要特性 117

7.3.4电阻应变片的测量电路 118

7.3.5应变片的温度误差及补偿 122

7.4电阻传感器的应用技术 125

7.4.1电位器式位移传感器 125

7.4.2电位器式压力传感器 125

7.4.3电位器式加速度传感器 125

7.4.4应变式力传感器 126

7.4.5应变式压力传感器 127

7.4.6应变式加速度传感器 128

7.5电阻传感器的应用实例 128

7.5.1交流电桥电阻应变仪 128

7.5.2 MICROCELL应变片传感器 129

7.5.3电阻应变片在轧制力检测中的应用 129

7.5.4电阻应变传感器在泥石流预测中的应用 130

7.5.5电阻应变传感器在运动车辆测重中的应用 130

7.6电阻式传感器实物图 131

习题与思考题 132

8电容式传感器 133

8.1电容式传感器的工作原理和结构 133

8.1.1变极距型电容传感器 134

8.1.2变面积型电容式传感器 137

8.1.3变介质型电容式传感器 138

8.2电容式传感器的等效电路 139

8.3电容式传感器的测量电路 140

8.3.1调频测量电路 140

8.3.2运算放大器式电路 142

8.3.3二极管双T型交流电桥 143

8.3.4脉冲宽度调制电路 144

8.4电容式传感器的应用 145

8.5电容式传感器实物图 149

习题与思考题 150

9 电感式传感器 151

9.1变磁阻式传感器的工作原理和结构 151

9.1.1工作原理 151

9.1.2输出特性 153

9.1.3测量电路 154

9.2变磁阻式传感器的应用 156

9.3互感式传感器的工作原理和结构 157

9.3.1结构与工作原理 157

9.3.2基本特性 158

9.3.3差动变压器式传感器测量电路 159

9.4互感式传感器的应用 161

9.5电涡流式传感器的工作原理和结构 161

9.5.1工作原理 161

9.5.2等效电路 162

9.5.3电涡流形成范围 163

9.6电涡流式传感器的应用 165

9.7电感式传感器实物图 168

习题与思考题 169

10 压电式与压磁式传感器 170

10.1压电式传感器 170

10.1.1压电效应与压电材料 170

10.1.2石英晶体的压电特性 171

10.1.3压电陶瓷的压电现象 173

10.1.4压电传感器等效电路和测量电路 174

10.1.5压电传感器应用举例 179

10.2压磁式传感器 183

10.2.1压磁效应 183

10.2.2压磁元件工作的结构及其工作原理 184

10.2.3压磁式传感器的结构及其工作原理 185

10.2.4压磁式传感器的测量电路举例 187

10.3压电式与压磁式传感器实物图 189

习题与思考题 190

11光电传感器 191

11.1光电传感器的基本效应 191

11.1.1半导体的粒子特性 191

11.1.2光电效应 192

11.2外光电效应光电器件 192

11.2.1光电管 192

11.2.2光电倍增管 193

11.3光电导效应及光电元件 194

11.3.1光敏电阻结构及原理 194

11.3.2光敏电阻的特性 194

11.4光电伏特效应及光电元件 195

11.4.1光电导结型光电元件 195

11.4.2光电伏特型光电元件 196

11.5应用光路 198

11.5.1反射式 198

11.5.2透射式 198

11.5.3线纹瞄准用光电传感器 198

11.5.4脉冲式光电传感器 199

11.6红外光电传感器 200

11.7光电传感器应用历史 201

11.8光电传感器实物图 202

习题与思考题 203

12固体图像传感器与光纤传感器 204

12.1 CCD的单元结构和基本原理 204

12.1.1光电转换、存储 204

12.1.2电荷转移 206

12.1.3电荷 207

12.1.4 CCD的特性参数 208

12.2线阵CCD图像传感器基本结构 210

12.2.1单沟道线阵CCD 211

12.2.2双沟道线阵CCD 211

12.3面阵CCD图像传感器基本结构 212

12.3.1帧转移型面阵CCD 212

12.3.2隔列转移型面阵CCD 213

12.3.3线转移型面阵CCD 214

12.4典型线阵图像传感器结构、原理、驱动电路 214

12.4.1 TCD1206U1D的基本结构 214

12.4.2工作原理 215

12.4.3 TCD1206UD的驱动电路 216

12.4.4 TCD1206UD的特点 217

12.5典型面阵图像传感器结构、原理、驱动电路 218

12.5.1结构 218

12.5.2工作原理 219

12.5.3 DL32型CCD的光电特性 221

12.6光纤传感器的结构、传光原理、分类 221

12.6.1光纤导光基本原理 222

12.6.2光纤传感器及其分类 223

12.7光纤传感器的应用 225

12.8图像传感器和光纤传感器实物图 225

习题与思考题 228

13 辐射式传感器 229

13.1红外辐射式传感器 229

13.1.1红外辐射的基本知识 229

13.1.2红外辐射的基本定律 230

13.1.3红外传感器（探测器） 233

13.2红外辐射式传感器的应用 235

13.2.1红外气体分析仪 235

13.2.2红外无损探伤仪 236

13.3核辐射式传感器 237

13.3.1核辐射源——放射性同位素 237

13.3.2核辐射的物理特性 238

13.3.3核辐射传感器 239

13.4核辐射式传感器的应用 240

13.4.1核辐射流量计 240

13.4.2核辐射测厚仪 241

13.4.3核辐射物位计 241

13.4.4核辐射探伤 242

13.5激光探测器（传感器）及其应用 242

13.5.1激光产生的机理 242

13.5.2激光的特性 243

13.5.3激光器及其特性 244

13.5.4激光探测器的应用 244

13.6辐射式传感器实物图 246

习题与思考题 247

14 数字式传感器 248

14.1栅式数字传感器 248

14.1.1栅式数字传感器的分类 248

14.1.2栅式传感器的结构和工作原理 248

14.1.3栅式传感器的测量电路 251

14.2编码器 255

14.2.1接触式编码器 255

14.2.2光电式编码器 258

14.2.3电磁式编码器 259

14.2.4脉冲盘式编码器 259

14.3频率式数字传感器 260

14.3.1 RC振荡器式频率传感器 261

14.3.2弹性体频率式传感器 261

14.3.3频率式传感器的基本测量电路 263

14.4感应同步器 264

14.4.1感应同步器的类型 265

14.4.2感应同步器的结构 265

14.4.3感应同步器的工作原理 266

14.5数字传感器应用 267

14.5.1光电增量编码器在电脑绣花机中的应用 267

14.5.2转速测量 269

14.5.3压控振荡式频率传感器在测温上的应用 269

14.6数字式传感器实物图 270

习题与思考题 270

15 智能传感器 271

15.1智能传感器的概念与特点 271

15.1.1智能传感器的概念 271

15.1.2智能传感器的特点 272

15.2智能传感器实现的主要途径 272

15.2.1非集成化实现 272

15.2.2集成化实现 273

15.2.3混合实现 274

15.2.4人工智能材料的研制 274

15.3集成化的智能传感器 275

15.3.1智能传感器集成化的概念 275

15.3.2传感器集成化的优点 276

15.3.3集成智能传感器的分类与举例 276

15.4微机械加工型智能传感器 282

15.4.1微机械加工型智能传感器的主要性能特点 283

15.4.2典型的微机械加工技术 283

15.4.3采用微机械加工的传感器 286

15.5仿生传感器 289

15.5.1仿生学及仿生传感器 289

15.5.2仿生传感器的分类 290

15.5.3一种仿生传感器的设计范例 294

15.6典型智能传感器实物图 296

习题与思考题 297

16 传感器的技术处理 298

16.1传感器的匹配技术 298

16.1.1高输入阻抗放大器 298

16.1.2变压器匹配 299

16.1 3电荷放大器 299

16.2传感器非线性校正技术 300

16.2.1用硬件电路实现非线性特性的线性化 300

16.2.2用软件实现非线性特性线性化 303

16.2.3应用范例——利用曲线拟合方法进行磁传感器的非线性处理 307

16.3传感器的抗干扰处理方法 308

16.3.1供电系统的抗干扰设计 309

16.3.2采用滤波技术消除干扰 309

16.3.3接地技术 310

16.3.4信号传输通道的抗干扰设计 311

16.3.5从元器件方面采取消除干扰的措施 311

16.4传感器的正确选用原则 313

16.4.1与传感器特性有关的因素 313

16.4.2根据实际用途选择传感器 314

思考与练习题 315

参考文献 316