传感器检测技术与仪表

　　本书主要内容包括绪论，检测技术基本知识，温度检测，压力传感器，流量传感器，物位、厚度传感器，成分分析传感器，光电式传感器，运动参数检测传感器，显示与记录仪表，抗干扰技术，现代检测技术等。本书每章后有小结、习题，以便学生巩固所学内容。本书适合作为普通本科院校自动化专业、电气工程及其自动化专业、仪器仪表专业及检测技术专业传感器原理及应用、检测技术与仪表等课程教材。

　　李永霞，北京联合大学自动化学院电气与控制工程系教师。主讲课程：微机原理与应用、单片机应用技术、检测与转换技术、过程检测与仪表、传感器原理与应用、新型传感器与传感技术、计算机控制技术、计算机控制系统、智能仪器、虚拟仪器技术等。科研成果：主编和参编四本教材；发表科研和教研论文10多篇；主持和主要参与完成北京市教委、北京联合大学等各级科研项目、横向项目、教研项目若干项。

第1章绪论1 引言1 1.1传感器的组成及分类1 1.1.1传感器简介1 1.1.2传感器的组成2 1.1.3传感器的分类2 1.1.4传感器的作用与地位3 1.2传感器的基本特性3 1.2.1传感器静(态)特性4 1.2.2传感器动(态)特性6 1.3传感器技术发展趋势12 1.4变送器13 1.4.1变送器的概念13 1.4.2变送器的分类14 1.4.3变送器的构成14 1.4.4变送器的技术指标15 1.5传感器的标定15 1.5.1静态特性标定15 1.5.2动态特性标定16 1.6生产生活中的传感器应用实例17 小结17 习题18 第2章检测技术基本知识19 引言19 2.1概述19 2.1.1检测的定义19 2.1.2检测技术20 2.1.3检测过程20 2.1.4检测技术作用20 2.2检测系统的基本构成与分类20 2.2.1检测系统的基本构成20 2.2.2检测系统的分类21 2.2.3检测系统实例23 2.3检测方法24 2.4常用检测与转换电路25 2.4.1电桥25 2.4.2放大器29 2.4.3滤波器32 2.4.4V/F变换34 2.4.5V/I变换34 2.4.6调频电路36 2.4.7脉冲调宽型电路37 2.4.8相敏检波电路38 2.5误差分析及数据处理基础40 2.5.1误差的基本概念40 2.5.2误差的分类及来源41 2.5.3精密度、准确度、精确度45 2.5.4粗大误差、系统误差和随机误差的处理46 2.5.5多次测量结果的表达51 2.5.6测量误差的合成53 2.5.7测量误差的分配54 2.5.8有效数字54 2.5.9数据处理实例55 小结57 习题57 第3章温度检测58 引言58 3.1温度检测的基本知识58 3.1.1温标59 3.1.2温度测量仪表的分类60 3.2膨胀式温度计61 3.2.1玻璃温度计61 3.2.2压力温度计61 3.2.3双金属温度计62 3.3热电偶温度计63 3.3.1测温原理63 3.3.2基本定律65 3.3.3热电偶结构66 3.3.4热电偶材料66 3.3.5热电偶冷端温度的处理方法67 3.4热电阻温度计71 3.5热电阻材料与结构72 3.5.1热电阻材料72 3.5.2热电阻结构75 3.5.3热电阻阻值测量76 3.6辐射式温度计77 3.6.1测温原理78 3.6.2光学高温计及光电高温计80 3.6.3全辐射高温计83 3.6.4比色温度计85 3.6.5红外测温仪86 3.7新型温度传感器88 3.7.1半导体PN结型温度传感器88 3.7.2集成温度传感器89 3.8温度传感器工程应用实例91 3.8.1双金属片温度传感器在电熨斗中的应用91 3.8.2温度传感器在汽车中的应用92 小结93 习题93 第4章压力传感器95 引言95 4.1压力的基本概念95 4.2压力传感器的分类、选型与发展96 4.2.1压力传感器分类97 4.2.2压力传感器选型97 4.2.3压力传感器的误差与标定99 4.2.4压力传感器接线方式100 4.2.5压力传感器的发展及应用领域100 4.3应变式压力计101 4.3.1电阻应变片式压力传感器101 4.3.2半导体压阻式压力传感器110 4.3.3硅-蓝宝石式压力传感器115 4.3.4陶瓷压力传感器115 4.4电容式压力传感器116 4.5电感式压力传感器122 4.5.1变间隙型电感式压力传感器122 4.5.2变面积型电感式压力传感器122 4.5.3螺管型电感式压力传感器122 4.5.4差动型电感式压力传感器123 4.6压磁式压力传感器124 4.6.1压磁效应124 4.6.2压磁元件124 4.6.3压磁式压力传感器测量原理125 4.6.4压磁式压力传感器的应用126 4.7电势输出式压力传感器127 4.7.1压电式压力传感器127 4.7.2磁电式压力传感器131 4.7.3霍尔式压力传感器132 4.8谐振式压力传感器136 4.8.1石英晶体谐振式压力传感器136 4.8.2微机械氮化硅谐振梁压力传感器138 4.9重载型压力传感器139 4.10压力传感器工程应用实例139 4.10.1电子秤139 4.10.2汽车衡140 小结141 习题141 第5章流量传感器142 引言142 5.1流量测量的基本概念142 5.1.1流量的定义142 5.1.2流量测量中的基本参数143 5.1.3流量测量的方法145 5.1.4常见流量计的分类及特点145 5.2容积式流量计146 5.2.1容积式流量计的工作原理147 5.2.2常见的容积式流量计147 5.2.3容积式流量计的特点及使用注意事项149 5.3速度式流量计150 5.3.1涡轮流量计150 5.3.2涡街流量计151 5.3.3电磁流量计155 5.3.4超声波流量计156 5.4差压式流量计158 5.4.1两个流动的基本方程158 5.4.2节流式流量计159 5.4.3浮子式流量计164 5.5质量流量计166 5.5.1科里奥利质量流量计166 5.5.2热式质量流量计168 5.6流量传感器工程应用实例168 5.6.1电磁流量计在污水处理中的应用168 5.6.2超声波流量计在煤气计量中的应用169 小结169 习题170 第6章物位、厚度传感器171 引言171 6.1物位检测方法171 6.2差压式液位计172 6.2.1差压式液位计的工作原理173 6.2.2液位差压转换装置173 6.2.3差压式液位计的应用174 6.2.4差压式液位计的特点178 6.3超声波式物位计178 6.3.1超声波式物位计的工作原理178 6.3.2超声波式物位计的特点179 6.3.3超声波式物位计的应用问题180 6.4射频导纳式液位计180 6.4.1电容式物位计的工作原理及应用181 6.4.2射频导纳式液位计的工作原理及应用182 6.5射线式物位计183 6.5.1射线式物位计的工作原理183 6.5.2放射性物位计的特点184 6.5.3应用问题184 6.6直读式水位计186 6.6.1云母水位计186 6.6.2电接点水位计187 6.7浮力式液位计188 6.7.1恒浮力式液位计188 6.7.2变浮力式液位计189 6.8物位检测仪表的选用190 6.9厚度检测191 小结194 习题195 第7章成分分析传感器196 引言196 7.1气体成分检测196 7.1.1热导式检测技术196 7.1.2热磁式检测技术199 7.1.3红外线式检测技术200 7.2水分和湿度检测202 7.2.1水分和湿度的定义及表示方法202 7.2.2固体湿度的电测法203 7.2.3气体湿度的电测法204 7.3密度和浓度检测205 7.3.1密度的电测法205 7.3.2浓度的电测法206 7.4成分分析传感器工程应用实例208 小结210 习题210 第8章光电式传感器211 引言211 8.1光谱211 8.2光电器件213 8.2.1光敏电阻器213 8.2.2光电池217 8.2.3光电二极管220 8.2.4光电三极管223 8.2.5光电式传感器的应用226 8.3电荷耦合器件229 8.3.1CCD的基本原理229 8.3.2CCD的特性参数233 8.3.3CCD摄像器件的类型234 8.3.4CCD的应用235 8.4光栅式传感器236 8.4.1光栅的结构及分类236 8.4.2光栅式传感器的工作原理236 8.5光电式传感器工程应用实例238 小结239 习题240 第9章运动参数检测传感器241 引言241 9.1位置检测241 9.1.1开关类传感器类型241 9.1.2霍尔开关传感器244 9.1.3电感式接近开关244 9.1.4光电开关246 9.1.5电容式接近开关248 9.2位移检测249 9.2.1电感式位移测量249 9.2.2差动变压器位移计253 9.2.3光栅位移测量255 9.3磁电感应式速度测量256 9.3.1磁电感应式传感器的工作原理256 9.3.2磁电感应式传感器的测量电路257 9.4电磁脉冲式速度测量257 9.5应变式加速度计258 9.6雷达测速仪259 9.6.1雷达原理259 9.6.2雷达测速仪简介260 9.7光纤测速261 9.7.1光纤元件261 9.7.2光纤测速仪265 小结266 习题266 第10章显示与记录仪表267 引言267 10.1显示仪表267 10.1.1模拟式指示仪表268 10.1.2数字式显示仪表270 10.2记录仪表272 10.2.1直接驱动式记录仪表273 10.2.2自动平衡式记录仪表275 10.2.3混合式记录仪表277 10.3显示仪表与记录仪表的发展278 小结281 习题281 第11章抗干扰技术282 引言282 11.1干扰的来源及分类282 11.1.1干扰与噪声 282 11.1.2干扰的分类282 11.1.3干扰的传导模式283 11.1.4干扰噪声的耦合方式284 11.1.5形成干扰的三个要素285 11.2抑制电磁干扰的基本方法和措施285 11.2.1基本方法285 11.2.2基本措施286 11.3自动测试及检测系统的抗干扰技术291 11.3.1硬件抗干扰技术291 11.3.2软件抗干扰技术293 小结298 习题298 第12章现代检测技术299 引言299 12.1检测技术的自动化299 12.1.1自动检测系统的构成299 12.1.2自动检测系统的工作模式301 12.1.3现代自动检测系统的关键技术302 12.1.4现代自动检测技术的发展历程302 12.1.5现代自动检测技术的发展趋势305 12.2虚拟仪器技术306 12.2.1虚拟仪器306 12.2.2DAQ虚拟仪器307 12.2.3GPIB虚拟仪器309 12.2.4VXI虚拟仪器310 12.2.5PXI虚拟仪器313 12.2.6虚拟仪器的开发环境313 12.2.7网络功能与通信316 12.3无损检测技术316 12.3.1超声检测317 12.3.2磁粉检测318 12.4智能传感器技术320 12.4.1智能传感器的功能和构成320 12.4.2传感器的智能化 321 12.5传感器网络技术324 小结326 习题326 附录A热电偶与热电阻的分度表327 参考文献332