傳感器原理及應(yīng)用

前言

信息技術(shù)將在信息資源、信息傳遞和信息處理等方面進(jìn)行多領(lǐng)域多學(xué)科的相互結(jié)合，讓科學(xué)家實(shí)現(xiàn)更多從前無法實(shí)現(xiàn)的夢想。構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱主要包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們在信息系統(tǒng)中分別完成信息的采集、信息的傳輸與信息的處理。人們在利用信息的過程中，首先要獲取信息，而傳感器則是獲取信息的重要手段和途徑。將這些信息經(jīng)過分析處理，可以描述出自然界的面貌，所以傳感器是認(rèn)識、掌握、利用客觀世界的重要工具。傳感器是獲取被研究信息的一種器件或裝置，借助這一器件或裝置我們可以定量地認(rèn)識自然現(xiàn)象。具有現(xiàn)代意義的傳感器能夠把自然界的各種物理量和化學(xué)量精確地變換為電信號，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)對這些量的檢測與控制。工業(yè)革命以來，傳感器為提高和改善機(jī)器的性能發(fā)揮了巨大的作用。傳感器技術(shù)大體可分三代：第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號；第二代是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，利用材料的某些特性制成；第三代傳感器是剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器，它是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能?，F(xiàn)代傳感器利用新的材料、新的集成加工工藝使傳感器技術(shù)越來越成熟，除了使用半導(dǎo)體材料、陶瓷材料外，光纖以及超導(dǎo)材料的發(fā)展也為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。未來還會(huì)有更新的材料，如納米材料，更有利于傳感器的小型化。目前，現(xiàn)代傳感器正從傳統(tǒng)的分立式，朝著集成化、智能化、數(shù)字化、系統(tǒng)化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、光機(jī)電一體化、無維護(hù)化，并向著微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比、寬量程的方向發(fā)展。

內(nèi)容概要

　　傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中有著舉足輕重的地位，因此作為理工科專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代傳感器技術(shù)知識是非常必要的?！秱鞲衅髟砑皯?yīng)用》重點(diǎn)敘述傳感器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，同時(shí)介紹了傳感器的工程應(yīng)用和使用方法，對傳感器有較為系統(tǒng)和全面地論述。特別介紹了現(xiàn)代新型傳感器，為方便教學(xué)，也將部分傳感器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編入本教材?！　　秱鞲衅髟砑皯?yīng)用》的主要內(nèi)容包括：傳感器的基本特性、電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電效應(yīng)及光敏器件、新型光電傳感器、半導(dǎo)體式化學(xué)傳感器、波與射線式傳感器和熱電式傳感器等知識?！　　秱鞲衅髟砑皯?yīng)用》可作為本科生教材，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生教材，還可作為工程技術(shù)人員的參考書籍。

書籍目錄

前言教學(xué)建議第1章 概論1.1 傳感器的作用和地位1.2 傳感器現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.3 傳感器的定義、組成、分類及圖形符號1.3.1 傳感器定義1.3.2 傳感器組成1.3.3 傳感器分類1.3.4 傳感器圖形符號與命名方法思考題和習(xí)題第2章 傳感器的基本特性2.1 傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 線性度2.1.2 遲滯2.1.3 重復(fù)性2.1.4 靈敏度2.1.5 分辨力和閾值2.1.6 穩(wěn)定性2.1.7 漂移2.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性2.2.1 傳感器動(dòng)態(tài)誤差2.2.2 傳遞函數(shù)2.2.3 一階傳感器系統(tǒng)2.2.4 二階傳感器系統(tǒng)思考題和習(xí)題第3章 電阻應(yīng)變式傳感器3.1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)原理3.1.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變片結(jié)構(gòu)3.1.2 電阻應(yīng)變片的基本原理3.1.3 壓阻效應(yīng)和壓阻式傳感器3.1.4 應(yīng)變片種類3.2 金屬應(yīng)變片的主要特性3.2.1 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)3.2.2 橫向效應(yīng)3.2.3 應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償方法3.3 電阻應(yīng)變片測量電路3.3.1 直流電橋工作原理3.3.2 交流電橋工作原理3.3.3 電阻應(yīng)變儀原理3.3.4 相敏檢波器3.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用3.4.1 力傳感器（測力與秤重）3.4.2 膜片式壓力傳感器3.4.3 應(yīng)變式加速度傳感器3.4.4 硅壓阻式壓力傳感器思考題和習(xí)題第4章 電容式傳感器4.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)類型4.1.1 工作原理4.1.2 結(jié)構(gòu)類型4.2 電容式傳感器的輸出特性4.2.1 變極距型4.2.2 平板變面積型4.2.3 變介電常數(shù)型4.3 測量電路4.3.1 電容式傳感器等效電路4.3.2 電橋電路4.4 應(yīng)用舉例4.4.1 壓差式電容壓力傳感器4.4.2 電容測厚儀4.4.3 力平衡式加速度傳感器4.4.4 電容傳聲器4.4.5 硅電容式集成傳感器4.4.6 電容式指紋傳感器思考題和習(xí)題第5章 電感式傳感器5.1 變磁阻式傳感器（自感式傳感器）5.1.1 工作原理5.1.2 輸出特性5.1.3 差動(dòng)變間隙式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理5.1.4 測量轉(zhuǎn)換電路5.1.5 變磁阻式傳感器的應(yīng)用5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式傳感器）5.2.1 螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)和工作原理5.2.2 基本特性5.2.3 零點(diǎn)殘余電壓5.2.4 差動(dòng)變壓器測量電路5.2.5 應(yīng)用舉例5.3 電渦流式傳感器5.3.1 工作原理5.3.2 等效電路分析5.3.3 渦流的分布和強(qiáng)度5.3.4 測量電路5.3.5 電渦流傳感器的應(yīng)用思考題和習(xí)題第6章 磁電式傳感器6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式）6.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式6.1.2 磁電感應(yīng)式傳感器的基本特性6.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路6.1.4 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用6.2 霍爾傳感器6.2.1 霍爾效應(yīng)6.2.2 霍爾元件6.2.3 霍爾元件的誤差及補(bǔ)償6.2.4 霍爾元件的應(yīng)用6.2.5 集成霍爾傳感器6.3 磁敏元件6.3.1 磁敏電阻器6.3.2 磁敏晶體管6.3.3 集成磁敏元件思考題和習(xí)題第7章 壓電式傳感器7.1 壓電效應(yīng)7.2 壓電材料7.2.1 石英晶體7.2.2 壓電陶瓷（多晶體）7.2.3 聚偏氟乙烯壓電材料7.3 壓電元件結(jié)構(gòu)形式7.4 等效電路與測量電路7.4.1 壓電傳感器等效電路7.4.2 壓電傳感器測量電路7.5 壓電傳感器的應(yīng)用思考題和習(xí)題第8章 光電效應(yīng)及光敏器件8.1 光電效應(yīng)8.1.1 外光電效應(yīng)8.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)8.2 光電器件8.2.1 光電管8.2.2 光電倍增管8.2.3 光敏電阻8.2.4 光敏二極管和光敏三極管8.2.5 光電池8.2.6 其他特性的光電器件8.2.7 半導(dǎo)體色敏傳感器8.2.8 應(yīng)用實(shí)例8.3 光柵式傳感器8.3.1 光柵莫爾條紋8.3.2 光柵測量裝置思考題和習(xí)題第9章 新型光電傳感器9.1 新型固態(tài)光電傳感器9.1.1 普通光敏器件陣列9.1.2 PSD光電位置傳感器9.1.3 SSPD自掃描光電二極管陣列9.2 CCD電荷耦合器件9.2.1 CCD工作原理及特性9.2.2 CCD器件9.2.3 CCD傳感器的應(yīng)用9.3 光纖傳感器9.3.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理9.3.2 光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)）9.3.3 光波調(diào)制技術(shù)9.3.4 光纖傳感器思考題和習(xí)題第10章 半導(dǎo)體式化學(xué)傳感器10.1 氣敏傳感器10.1.1 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器10.1.2 非電阻型半導(dǎo)體氣敏器件10.1.3 氣敏傳感器的應(yīng)用10.2 濕敏傳感器10.2.1 濕度及表示方法10.2.2 氯化鋰濕敏電阻10.2.3 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻10.2.4 濕度傳感器的特性參數(shù)10.2.5 濕度傳感器的應(yīng)用10.3 離子敏傳感器10.3.1 離子場效應(yīng)晶體管10.3.2 離子敏傳感器工作原理10.3.3 離子敏傳感器測量電路10.3.4 離子敏傳感器的應(yīng)用思考題和習(xí)題第11章 波與射線式傳感器11.1 超聲波傳感器11.1.1 超聲波及其物理性質(zhì)11.1.2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)原理11.1.3 超聲波傳感器的應(yīng)用11.2 紅外傳感器11.2.1 紅外輻射11.2.2 紅外探測器11.2.3 紅外傳感器的應(yīng)用11.3 核輻射傳感器11.3.1 物理基礎(chǔ)11.3.2 射線式傳感器11.3.3 核輻射傳感器的應(yīng)用思考題和習(xí)題第12章 熱電式傳感器12.1 溫度傳感器的分類及溫標(biāo)12.1.1 分類方法12.1.2 溫度單位12.2 熱電偶12.2.1 熱電偶的工作原理和熱電效應(yīng)12.2.2 熱電偶的基本定律12.2.3 熱電偶的分類和結(jié)構(gòu)12.2.4 熱電偶測量電路及應(yīng)用12.3 熱電阻與熱敏電阻12.3.1 熱電阻12.3.2 熱敏電阻12.3.3 應(yīng)用舉例12.4 集成溫度傳感器12.4.1 集成溫度傳感器的測溫原理12.4.2 PTAT集成溫度傳感器的信號輸出方式12.5 基于1-WIRE總線的DSl8820型智能溫度傳感器思考題和習(xí)題第13章 傳感器實(shí)驗(yàn)與綜合練習(xí)13.1 傳感器實(shí)驗(yàn)13.1.1 基本實(shí)驗(yàn)13.1.2 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)13.1.3 綜合性工程實(shí)驗(yàn)13.2 綜合練習(xí)13.2.1 填空13.2.2 選擇填空13.2.3 分析與計(jì)算13.2.4 簡述題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 概論傳感器是檢測和自動(dòng)控制應(yīng)用中的首要環(huán)節(jié)。檢測技術(shù)中通常把測試對象分為兩大類：電參量的測量與非電參量的測量。電參量有電壓、電流、電阻、功率、頻率等，這些參量可以表征設(shè)備或系統(tǒng)的性能；非電參量有機(jī)械量（如位移、速度、加速度、力、扭矩、應(yīng)變、振動(dòng)等）、化學(xué)量（如濃度、成分、氣體、pH值、濕度等）、生物量（酶、組織、菌類）等。過去，非電參量的測量多采用非電測量的方法，如用尺子測量長度，用溫度計(jì)測量溫度等，而現(xiàn)在的非電測量多采用電測量的方法，其中的關(guān)鍵技術(shù)是如何利用傳感器將非電參量轉(zhuǎn)換為電參量。1.1 傳感器的作用和地位當(dāng)今，傳感器已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能建筑和家用電器等領(lǐng)域，是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。那么到底什么是傳感器呢？其實(shí)只要你細(xì)心觀察就可以發(fā)現(xiàn)，在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂弥鞣N各樣的傳感器，例如電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器；空調(diào)中的溫度和濕度傳感器；煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器；電視機(jī)和影碟機(jī)中的紅外遙控器；照相機(jī)中的光傳感器；汽車中的燃料計(jì)和速度計(jì)等。傳感器已經(jīng)給我們的生活帶來了很多便利和幫助。目前傳感器涉及的領(lǐng)域包括：現(xiàn)代流程工業(yè)、宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、智能建筑、汽車、家用電器、生物工程、商檢質(zhì)檢、公共安全、甚至文物保護(hù)等。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器有更突出的地位，傳感器的發(fā)展往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。如宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長時(shí)問的天體演化、短時(shí)間的瞬間反應(yīng)，超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場、弱磁場等極限技術(shù)研究?，F(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控或自動(dòng)檢測，需要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個(gè)參數(shù)，傳感器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)器件，直接影響到自動(dòng)化技術(shù)的質(zhì)量和水平。

媒體關(guān)注與評論

“成都理工大學(xué)吳建平、周四春等老師講授的‘傳感器原理及應(yīng)用’課堂教學(xué)生動(dòng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)活躍，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。該課程在課程體系和內(nèi)容、教學(xué)手段和方法。特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革等方面進(jìn)行了全面建設(shè)，建設(shè)的目標(biāo)明確、思路清晰、特色鮮明、適用性強(qiáng)、受益面犬、效采突出。    ——古天祥（電子科技大學(xué)教授，全國優(yōu)秀教師、國家有突出貢獻(xiàn)專家，成都市勞動(dòng)模范）

編輯推薦

《傳感器原理及應(yīng)用》可作為本科生教材，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生教材，還可作為工程技術(shù)人員的參考書籍。課程特點(diǎn)：課程目標(biāo)本課程按照教學(xué)大綱的要求。著眼于傳感器的原理及應(yīng)用，內(nèi)容豐富、全面、新穎。根據(jù)理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則。 在系統(tǒng)論述傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，著重講述傳感器外部特性和接口電路，并充分結(jié)合傳感器的工程應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的實(shí)踐應(yīng)用能力，為日后從事檢測技術(shù)或者控制技術(shù)領(lǐng)域的科研工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 授課特色《傳感器原理及應(yīng)用》作者在凝練多年來從事電子技術(shù)的教學(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，積極開展課程的教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)方法研究，以精品課程為目標(biāo)進(jìn)行課程建設(shè)。在教學(xué)內(nèi)容方面，把握重點(diǎn)，難點(diǎn)和新技術(shù)的動(dòng)態(tài)，及時(shí)補(bǔ)充反映新器件，新技術(shù)的內(nèi)容，力求使學(xué)生了解傳感器發(fā)展的前沿信息。在教學(xué)方法改革方面。作者制作了“傳感器原理及應(yīng)用”多媒體課件，內(nèi)容系統(tǒng)、全面，形式生動(dòng)，活潑，課件采用大量圖件和演示動(dòng)畫，有助于學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)和理解。教學(xué)實(shí)驗(yàn)本課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面很有特色——在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開設(shè)有大量的綜合性，設(shè)計(jì)性、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，同學(xué)可以根據(jù)自己的興趣和學(xué)習(xí)計(jì)劃來選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鼓勵(lì)同學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。此外，還開放實(shí)驗(yàn)室，并將學(xué)生課外科技活動(dòng)與各類科技競賽相結(jié)臺，通過這些活動(dòng)實(shí)行因材施教，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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