本教材是作者在多年来从事传感器教学及科研的基础上写成的,内容丰富、全面、新颖,叙述力求由浅入深,对传感器原理力争讲清物理概念,对传感器的应用充分结合生产和工程实践,使教材具有一定的实用性和参考价值。本教材突出应用性和针对性,强化实践能力的培养,将传感器和工程检测方面的知识有机地联系起来,使读者在掌握传感器原理的基础上,更进一步地应用这方面的知识以解决工程检测中的具体问题。同时,在编写过程中,本书注意补充反映新器件、新技术的内容,力求使读者了解前沿学科。
全书共8章,主要内容包括传感器与检测技术概论、检测系统的误差合成、常用传感器的工作原理、常用非电参数的检测方法、微弱信号检测、检测系统抗干扰技术、测量信号的调理及处理、现代检测系统。
本书内容全面而实用,适用面广,不仅可以作为电气工程及其自动化、机械设计制造及自动化、机电一体化、自动化、电子信息、测控技术与仪器等专业及相关专业的本科生教材,也可作为广大从事传感器检测技术开发与应用的工程技术人员的自学用书。
再版前言
“传感器与现代检测技术”是一门仪器科学技术领域各学科的共同理论基础课程,通过这门课程的学习,学生应该学会选择各种传感器,并应用这些传感器构成系统,进一步能够解决工程、生产及科研中遇到的各种具体或特殊的传感器与测试的问题。
本书的编写力求将系统性、实用性与先进性相结合,理论与实践相交融,既注重传统知识的讲授,又兼顾新技术、新成果的应用。本书具有如下特色:
(1) 应用型特色——充分结合生产和工程实践。以培养技术应用能力为主线,突出应用性和针对性,强化实践能力的培养。将传感器和工程检测方面的知识有机地联系起来,使学生在掌握传感器原理的基础上,进一步应用这方面的知识以解决工程检测中的具体问题。
(2) 课程体系创新——知识结构合理、知识体系完整。首先从检测技术基本概念与应用概述入手,以常用传感器工作原理分析来铺开传感器与检测技术的基本实现手段,并强调新型传感器的介绍及应用,最后对如何组成检测系统、计算机在检测系统中的应用及系统抗干扰和网络技术运用等作了分析。书稿内容翔实、结构合理、知识体系完整。
(3) 内容丰富新颖——精选最新科技成果。注意补充反映新器件、新技术的内容,如IP传感器、无线传感器网络、智能传感器、微弱信号检测原理、网络监控系统等,力求使读者了解前沿学科。
(4) 提供与本书配套的教学资源。除了提供各章的PPT讲稿、习题解答外,还提供我们自行开发的电子教学资源,如试题库、虚拟测试仪器、网络测试仪器、课程设计与毕业设计指导等。
全书共8章,主要内容包括传感器与检测技术概论、检测系统的误差合成、常用传感器的工作原理、常用非电参数的检测方法、微弱信号检测、检测系统抗干扰技术、测量信号的调理及处理、现代检测系统。
本书由余成波、陶红艳组织编写,负责全书的统稿和审校。其中,陶红艳编写了第1章; 王士彬编写了第2章; 余成波、唐海燕、陈学军编写了第3章; 杨佳、熊飞编写了第4章; 秦华锋编写了第5章; 李洪兵编写了第6章; 杨如民、李彦林编写了第7章; 余成波、杨数强编写了第8章; 另外,参加部分内容编写的还有张冬梅、周召敏、刘彦飞、晏召奎、赵西超、田引黎、代琪怡、肖丹、杨翼驹、王帅、柯艳红等。
本书在编写过程中得到了众多高等学校、科研单位、厂矿企业等的大力支持和帮助,并获得了许多宝贵意见。在此,一并表示衷心的感谢。
本书内容全面而实用,适用面广,不仅可以作为电气工程及其自动化、机械设计制造及自动化、机电一体化、自动化、电子信息、测控技术与仪器等专业及相关专业的本科生教材,也可作为广大从事传感器检测技术开发与应用的工程技术人员的自学用书。
编者热忱地期望各位读者和同仁对本书中错误和不足之处提出指正和建议。
编者
2014年7月
初版前言
现代科学技术迅速发展,人们在研究自然现象和规律及生产活动中,必须从外界获得信息,要及时正确地获取这些信息,就必须合理地选择和应用各种传感器和检测技术。21世纪是信息化时代,其特征是人类社会活动和生产活动的信息化,传感器和检测技术的重要性更为突出。本教材是作者在多年来从事传感器教学及科研的基础上写成的。根据高校电气工程及其自动化、机械设计制造及自动化、机电一体化、自动化、电子信息及测控技术与仪器等专业传感器与检测技术课程的基本要求,吸收近年来各高校的教学经验,在编写过程中力求内容丰富、全面、新颖,叙述由浅入深,对传感器原理力争讲清物理概念,按照少而精和理论联系实践的原则编写,使教料具有一定的实用和参考价值。本教材突出应用性和针对性,强化实践能力的培养,将传感器和工程检测方面的知识有机地联系起来,使学生在掌握传感器原理的基础上,更进一步地应用这方面的知识以解决工程检测中的具体问题。同时,在编写过程中,注意了补充反映新器件、新技术的内容,力求使读者了解前沿学科。
全书共8章,主要内容包括传感器与检测技术基本概论、检测系统的误差合成、常用传感器的工作原理、常用非电参数的检测方法、微弱信号检测原理、检测系统抗干扰技术、测量信号的调理及处理、现代检测技术等。
本书由重庆工学院陶红艳,余成波主编并负责全书的统稿和审校。参加编写的有张冬梅(第1章); 王士彬、张方方(第2章); 谢东坡、胡柏栋、刘彦飞、刘贺、高云、张睿(第3章); 彭秋(第4章); 秦华锋、龚智(第5章); 许超明、李泉(第6章); 杨如民、崔焱喆(第7章); 杨数强(第8章)。
本书在编写过程中得到了众多高等学校、科研单位、厂矿企业等的大力支持和帮助,并获得了许多宝贵意见。在此,一并表示衷心的感谢。
本书内容全面而实用,适用面广,不仅可以作为电气工程及其自动化、机械设计制造及自动化、机电一体化、自动化、电子信息、测控技术与仪器等专业及相关专业本科教材,也可作为广大从事传感器检测技术开发与应用的工程技术人员的自学用书。
热忱地期望各位读者和同仁对本书的错误和不足提出指正和建议。
编者
2008年04月
第1章传感器与检测技术概论
1.1检测技术概论
1.1.1检测的定义
1.1.2检测技术的作用
1.1.3工业检测技术的类型和内容
1.1.4检测系统的基本结构
1.2传感器的基本概论
1.2.1传感器的定义
1.2.2传感器的组成
1.2.3传感器的分类
1.3传感器与检测技术的发展动向
1.4检测系统的静态特性与性能指标
1.5检测系统的动态特性与性能指标
1.5.1微分方程
1.5.2传递函数
1.5.3频率响应函数
1.5.4实现不失真测量的条件
习题1
第2章检测系统的误差合成
2.1测量误差的基本概念
2.1.1测量误差的名词术语
2.1.2测量误差的分类
2.1.3误差产生的原因
2.1.4测量误差的表示方法
2.2随机误差及其处理
2.2.1随机误差的概率分布
2.2.2随机误差的估计
2.3系统误差的处理
2.3.1系统误差的判别
2.3.2减小或消除系统误差的方法
2.4测量粗大误差的存在判定准则
2.4.1拉依达准则(3σ准则)
2.4.2格拉布斯(Grubbs)准则
2.4.3狄克松(Dixon)准则
2.4.4罗曼诺夫斯基准则(t检验准则)
2.5测量系统的误差计算方法
2.5.1随机误差的计算
2.5.2系统误差的计算
2.5.3总误差的计算
2.6测量系统最佳测量方案的确定
2.6.1微小误差准则
2.6.2确定最佳测量条件
2.6.3函数误差的分配
习题2
第3章常用传感器的工作原理
3.1电阻式传感器
3.1.1金属电阻应变片
3.1.2半导体应变片
3.1.3应变片的命名
3.1.4电阻式传感器的测量电路
3.1.5电阻式传感器的应用
3.2电容式传感器
3.2.1电容式传感器的工作原理和结构
3.2.2电容式传感器的测量电路
3.2.3电容式传感器的应用举例
3.3电感式传感器
3.3.1自感式传感器
3.3.2互感式传感器
3.3.3电感式传感器的应用
3.4电涡流式传感器
3.4.1工作原理
3.4.2等效电路
3.4.3测量电路
3.4.4应用举例
3.5压电式传感器
3.5.1工作原理
3.5.2等效电路和测量电路
3.5.3压电式传感器的合理使用
3.5.4压电式传感器的应用
3.6磁电式传感器
3.6.1动圈式磁电传感器
3.6.2磁阻式磁电传感器
3.6.3磁电式传感器的测量电路
3.7热电式传感器
3.7.1热电偶传感器
3.7.2热电阻传感器
3.8光电式传感器
3.8.1光电效应
3.8.2光电导器件
3.8.3光生伏特器件
3.8.4光电耦合器件
3.8.5电荷耦合器件
3.8.6光电式传感器的其他应用
3.9霍尔式传感器
3.9.1工作原理
3.9.2霍尔集成传感器
3.9.3霍尔式传感器的应用
3.10光纤传感器
3.10.1光纤传感器的组成
3.10.2光纤传感器的分类
3.10.3光纤传感器的工作原理
3.10.4光纤传感器的实际应用
3.11超声波传感器
3.11.1超声检测的物理基础
3.11.2超声波传感器的原理与结构
3.11.3超声波传感器的基本应用电路
3.12微波传感器
3.12.1微波的基本知识
3.12.2微波传感器及其分类
3.12.3微波传感器的优点与存在的问题
3.12.4微波传感器的应用
3.13红外线传感器
3.13.1红外线传感器概述
3.13.2红外线传感器的应用
3.14核辐射式传感器
3.14.1核辐射的基本概念
3.14.2核辐射式传感器的原理及组成
3.14.3核辐射式传感器的应用
3.15化学传感器
3.15.1气敏传感器
3.15.2湿敏传感器
3.15.3离子敏传感器
3.16数字式传感器
3.16.1数字式传感器概述
3.16.2编码器
3.16.3光栅式传感器
3.16.4感应同步器
3.16.5磁栅式传感器
3.16.6容栅式传感器
3.17生物传感器
3.17.1生物传感器的原理、特点及分类
3.17.2几种生物传感器
3.18智能传感器
3.18.1智能传感器的特点
3.18.2智能传感器的实现
3.18.3智能传感器的应用
3.18.4智能传感器的设计思路
3.19微型传感器
3.19.1MEMS技术与微型传感器
3.19.2压阻式微型传感器
3.19.3电容式微型传感器
3.19.4电感式微型传感器
3.19.5热敏电阻式微型传感器
3.19.6隧道效应式微型传感器
3.20模糊传感器
3.20.1模糊传感器的概念及特点
3.20.2模糊传感器的结构
3.20.3典型模糊传感器举例
3.21网络传感器
3.21.1网络传感器的概念
3.21.2网络传感器的类型
3.21.3基于IEEE 1451标准的网络传感器
3.21.4网络传感器所在网络的体系结构
习题3
第4章常见非电参数的检测方法
4.1力、压力和转矩的测量
4.1.1力的测量原理
4.1.2压力的测量
4.1.3转矩的测量
4.1.4力、压力和转矩的测量的应用
4.2位移、物位和厚度的测量
4.2.1位移测量
4.2.2物位测量
4.2.3厚度测量
4.3速度、加速度与振动的测量
4.3.1速度的测量
4.3.2加速度与振动的测量
4.4转速的测量
4.4.1常用转速传感器
4.4.2磁电式传感器数字转速仪测量电路
4.4.3霍尔转速测量装置
4.5噪声测量
4.5.1声测量基础
4.5.2噪声的频谱和频带
4.5.3噪声的主观评价
4.5.4噪声测量的基本原理和常用仪器
4.5.5工业噪声测量
4.6温度的测量
4.6.1温度的概念和测量方法
4.6.2接触式温度测量
4.6.3非接触式温度测量
4.6.4温度传感器的典型应用
4.7流量的测量
4.7.1流量概述和测量方法
4.7.2转速(速度)法测量流量
4.7.3差压(力)法测量流量
4.7.4频率法测量流量
4.7.5时差法测量流量
4.8成分量的测量
4.8.1湿度传感器的典型应用实例
4.8.2气体传感器的典型应用实例
4.8.3浓度的测量
习题4
第5章微弱信号检测
5.1微弱信号检测的基本概念
5.1.1何谓微弱信号检测
5.1.2噪声的基本性质
5.2微弱信号检测方法
5.2.1微弱信号的时域检测方法
5.2.2微弱信号的频域检测方法
5.3微弱信号检测技术
5.3.1电容检测
5.3.2压阻检测
5.3.3压电检测
5.3.4隧道检测
5.3.5热流式检测
5.3.6谐振式检测
5.3.7光纤式检测
5.3.8混沌检测
习题5
第6章检测系统抗干扰技术
6.1干扰的分类
6.1.1外部干扰
6.1.2内部干扰
6.2干扰的引入
6.2.1串模干扰
6.2.2共模干扰
6.3干扰的抑制方法
6.3.1计算机检测系统的接地
6.3.2接地的类型
6.3.3隔离与耦合
6.3.4布线抗干扰措施
6.3.5软件抗干扰措施
习题6
第7章测量信号的调理及处理
7.1信号调理电路
7.1.1信号放大电路
7.1.2信号滤波电路
7.1.3信号转换电路
7.1.4信号的非线性校正与补偿
7.1.5信号的调制与解调
7.2多传感器信息融合
7.2.1信息融合的基本概念
7.2.2信息融合的基本原理
7.2.3多传感器信息融合的结构及功能模型
7.2.4多传感器信息融合算法
7.2.5多传感器信息融合技术的应用实例
习题7
第8章现代检测系统
8.1计算机检测系统
8.1.1概述
8.1.2数据的采集与保持
8.1.3输入通道的计算机接口技术
8.1.4输出通道的计算机接口技术
8.1.5计算机检测系统的设计
8.1.6计算机检测技术应用实例
8.2虚拟仪器
8.2.1虚拟仪器概述
8.2.2虚拟仪器的整体设计
8.2.3虚拟仪器系统开发环境
8.2.4虚拟仪器系统的数据采集实现
8.2.5虚拟仪器的综合实例和工程实例
8.3网络监控系统
8.3.1系统总体分析和规划
8.3.2网络监控系统的关键技术实现
8.4视觉检测系统
8.4.1视觉检测系统组成
8.4.2视觉检测系统的应用
8.5无线传感器网络
8.5.1无线传感器网络的发展历程
8.5.2无线传感器网络的特征
8.5.3无线传感器网络的关键技术
8.5.4无线传感器网络体系结构
8.5.5无线传感器网络的应用
8.5.6无线传感器网络仿真平台
8.5.7无线传感器网络开发平台
习题8
参考文献