光電傳感器及其應(yīng)用

前言

　　沒有傳感器技術(shù)就沒有“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器及其敏感元件與材料的一門綜合型技術(shù)。隨著光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，作為各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、測試中不可缺少的重要技術(shù)工具，傳感器技術(shù)的應(yīng)用已遍及國防、航空、航天、交通運(yùn)輸、能源、機(jī)械、石油、化工、輕工、紡織等工業(yè)部門和環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)工程等和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會(huì)已步入信息時(shí)代，傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)一起已成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果沒有高度侏真和性能可靠的傳感器及其應(yīng)用技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲取就成了一句空話，信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也就成了無源之水。《光電傳感器及其應(yīng)用》論述了光電傳感器的原理、特點(diǎn)和作用，介紹了傳感器的研究狀態(tài)以及應(yīng)用情況，并給出了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例?！　　豆怆妭鞲衅骷捌鋺?yīng)用》是《光機(jī)電一體化叢書》的一冊，全書共分14章，第1章對(duì)傳感器的定義、構(gòu)成、分類、作用以及發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述；第2章較為詳細(xì)地討論了電阻應(yīng)變式傳感器的原理、測量電路及其應(yīng)用；　第3章對(duì)電容式傳感器原理以及應(yīng)用進(jìn)行闡述；第4章介紹了電感式傳感器原理、等效電路的分析和應(yīng)用實(shí)例；第5章對(duì)壓電式傳感器原理和應(yīng)用進(jìn)行了闡述；　第6章對(duì)磁敏傳感器的原理和應(yīng)用范圍進(jìn)行了討論；　第7章簡要地介紹了磁電式傳感的原理以及應(yīng)用；第8章主要介紹了溫度傳感器的原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用；　第9章討論了光學(xué)傳感器原理、性能與特點(diǎn)；第10章扼要介紹了光柵傳感器性能、特點(diǎn)以及應(yīng)用；　第11章重點(diǎn)論述了光電式傳感器原理、特點(diǎn)和應(yīng)用；　第12章對(duì)光纖傳感器的原理、基本構(gòu)成和主要調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并列舉了應(yīng)用實(shí)例；　第13章主要介紹了紅外傳感器原理以及在工業(yè)和軍事上的應(yīng)用；　第14章闡述了固態(tài)圖像傳感器的原理、特點(diǎn)以及在工業(yè)上的應(yīng)用?！　　豆怆妭鞲衅骷捌鋺?yīng)用》的特色是較全面地論述了光電傳感器的原理和實(shí)際應(yīng)用，可供希望了解或使用光電傳感器的工程技術(shù)人員閱讀，也可供高等工科院校有關(guān)專業(yè)的研究生和本科學(xué)生作為教材和參考書使用?！　　豆怆妭鞲衅骷捌鋺?yīng)用》的編寫過程中，作者參閱和引用了大量書籍、期刊以及技術(shù)資料，可以說沒有這些論著及文獻(xiàn)，《光電傳感器及其應(yīng)用》是不可能完成的。在此對(duì)有關(guān)作者表示衷心的感謝，對(duì)他們的辛勤工作表示崇高的敬意。對(duì)于有些遺漏、未能列出的文獻(xiàn)和資料；編者向其作者表示誠摯的感謝?！　　豆怆妭鞲衅骷捌鋺?yīng)用》編寫過程中，　刁巖斌、董毅、　肖強(qiáng)、成玲、胡佳豪、滕兵、張良春、范巖、任華建參與了資料收集、繪圖、制表和文字校對(duì)工作；李恩光副教授、馬小健副教授、丁彩紅副教授、陳家新博士、諸龍根老師和徐青老師給予大力協(xié)助，在此，編者一一向他們表示感謝。　　由于編者學(xué)識(shí)水平有限，成書時(shí)間倉促，書中肯定存在一些錯(cuò)誤和不恰當(dāng)之處，　懇請(qǐng)廣大讀者給予批評(píng)指正?！　【帯≌摺　?004年3月

內(nèi)容概要

傳感器是獲取信息的工具，它涉及整個(gè)科學(xué)技術(shù)、國防、航空、航天、交通運(yùn)輸、能源、機(jī)械、石油、化工、輕工、紡織等工業(yè)部門和環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)工程等和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱技術(shù)之一。本書較為詳細(xì)地闡述和分析了光電傳感器的原理、特點(diǎn)和作用，介紹了傳感器的研究狀態(tài)以及應(yīng)用情況，并給出了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。
    本書可供希望了解或使用光電傳感器的工程技術(shù)人員閱讀，也可供高等工科院校有關(guān)的研究生和本科學(xué)生作為教材和學(xué)習(xí)的參考書使用。

序
    光機(jī)電一體化是激光技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的相互交叉與融合，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。它包括產(chǎn)品和技術(shù)兩方面：光機(jī)電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機(jī)械、微電子、自動(dòng)控制和通訊技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，具有很高的功能和附加值；光機(jī)電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使光機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。
    目前，國際上產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使得各個(gè)行業(yè)不斷融合和協(xié)調(diào)發(fā)展。作為光學(xué)、機(jī)械與電子相結(jié)合的復(fù)合產(chǎn)業(yè)，光機(jī)電一體化以其特有的技術(shù)帶動(dòng)性、融合性和普適性，受到了國內(nèi)外科技界、企業(yè)界和政府部門的特別關(guān)注，  它將在提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的過程中，帶來高度的創(chuàng)新性、滲透性和增值性，成為未來制造業(yè)的支柱，被譽(yù)為21世紀(jì)最具魅力的朝陽產(chǎn)業(yè)。我國已經(jīng)將發(fā)展光機(jī)電一體化技術(shù)列為重點(diǎn)高新科技發(fā)展項(xiàng)目，北京市政府也于2001年7月23日批準(zhǔn)正式成立了北京市光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)基地，預(yù)計(jì)到2010年，北京市光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到336億元。
    隨著光機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)的技術(shù)人員對(duì)其興趣和需求也與日俱增。但到目前為止，  國內(nèi)還鮮有將光機(jī)電一體化技術(shù)作為一個(gè)整體技術(shù)門類來介紹和論述的書籍，這與其方興未艾的發(fā)展勢頭形成了巨大反差。有鑒于此，  由北方工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、華中科技大學(xué)和上海交通大學(xué)聯(lián)合編寫光機(jī)電一體化叢書，  旨在適時(shí)推出一套光機(jī)電一體化技術(shù)基本知識(shí)和應(yīng)用實(shí)例的科技叢書，滿足科研設(shè)計(jì)單位、企業(yè)及高等院校的科研和教學(xué)的需求，為有關(guān)技術(shù)人員在開發(fā)光機(jī)電一體化產(chǎn)品時(shí)，提供從產(chǎn)品造型、功能、結(jié)構(gòu)、材料、傳感測量到控制等諸方面有價(jià)值的參考素材。
    本叢書共十本，包括《光機(jī)電一體化實(shí)用技術(shù)》、《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床》、《光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《智能機(jī)器人》、《光機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)品實(shí)例》、《樓宇設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)》、《關(guān)節(jié)型機(jī)器人》、《微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造》、《激光在加工和檢測中的應(yīng)用》、《光電傳感器及其應(yīng)用》。自2003年8月起陸續(xù)出版發(fā)行。
    叢書的基本特點(diǎn)，  一是內(nèi)容新穎，力求及時(shí)地反映光機(jī)電一體化技術(shù)在國內(nèi)外的最新進(jìn)展和作者的有關(guān)研究成果；二是系統(tǒng)全面，叢書分門別類地歸納總結(jié)了光機(jī)電一體化技術(shù)的基本理論和在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，重點(diǎn)介紹了光機(jī)電一體化技術(shù)的工程應(yīng)用方法和實(shí)現(xiàn)方法，許多內(nèi)容，如樓宇自動(dòng)門的專門論述，  尚屬國內(nèi)首次；  三是深入淺出，每本書重點(diǎn)突出，注重理論聯(lián)系實(shí)際。既有一定的理論深度，又偏重實(shí)用性，力求滿足不同層次讀者的需求，適合工程技術(shù)人員閱讀和高校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)的需要。
    由于本叢書涉及內(nèi)容廣泛，相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，加之作者水平有限，  時(shí)間緊促，書中錯(cuò)誤和不妥在所難免，懇請(qǐng)專家、學(xué)者和讀者不吝指教為盼!
《光機(jī)電一體化叢書》編輯委員會(huì)
    2003年5月于北京

前言
    沒有傳感器技術(shù)就沒有"現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)"的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器及其敏感元件與材料的一門綜合型技術(shù)。隨著光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，作為各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、測試中不可缺少的重要技術(shù)工具，傳感器技術(shù)的應(yīng)用已遍及國防、航空、航天、交通運(yùn)輸、能源、機(jī)械、石油、化工、輕工、紡織等工業(yè)部門和環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)工程等和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會(huì)已步入信息時(shí)代，傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)一起已成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果沒有高度侏真和性能可靠的傳感器及其應(yīng)用技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲取就成了一句空話，信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也就成了無源之水。本書論述了光電傳感器的原理、特點(diǎn)和作用，介紹了傳感器的研究狀態(tài)以及應(yīng)用情況，并給出了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。
    本書是《光機(jī)電一體化叢書》的一冊，全書共分14章，第1章對(duì)傳感器的定義、構(gòu)成、分類、作用以及發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述；第2章較為詳細(xì)地討論了電阻應(yīng)變式傳感器的原理、測量電路及其應(yīng)用；  第3章對(duì)電容式傳感器原理以及應(yīng)用進(jìn)行闡述；第4章介紹了電感式傳感器原理、等效電路的分析和應(yīng)用實(shí)例；第5章對(duì)壓電式傳感器原理和應(yīng)用進(jìn)行了闡述；  第6章對(duì)磁敏傳感器的原理和應(yīng)用范圍進(jìn)行了討論；  第7章簡要地介紹了磁電式傳感的原理以及應(yīng)用；第8章主要介紹了溫度傳感器的原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用；  第9章討論了光學(xué)傳感器原理、性能與特點(diǎn)；第10章扼要介紹了光柵傳感器性能、特點(diǎn)以及應(yīng)用；  第11章重點(diǎn)論述了光電式傳感器原理、特點(diǎn)和應(yīng)用；  第12章對(duì)光纖傳感器的原理、基本構(gòu)成和主要調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并列舉了應(yīng)用實(shí)例；  第13章主要介紹了紅外傳感器原理以及在工業(yè)和軍事上的應(yīng)用；  第14章闡述了固態(tài)圖像傳感器的原理、特點(diǎn)以及在工業(yè)上的應(yīng)用。
    本書的特色是較全面地論述了光電傳感器的原理和實(shí)際應(yīng)用，可供希望了解或使用光電傳感器的工程技術(shù)人員閱讀，也可供高等工科院校有關(guān)專業(yè)的研究生和本科學(xué)生作為教材和參考書使用。
    本書的編寫過程中，作者參閱和引用了大量書籍、期刊以及技術(shù)資料，可以說沒有這些論著及文獻(xiàn)，本書是不可能完成的。在此對(duì)有關(guān)作者表示衷心的感謝，對(duì)他們的辛勤工作表示崇高的敬意。對(duì)于有些遺漏、未能列出的文獻(xiàn)和資料；編者向其作者表示誠摯的感謝。
    本書編寫過程中，  刁巖斌、董毅、  肖強(qiáng)、成玲、胡佳豪、滕兵、張良春、范巖、任華建參與了資料收集、繪圖、制表和文字校對(duì)工作；李恩光副教授、馬小健副教授、丁彩紅副教授、陳家新博士、諸龍根老師和徐青老師給予大力協(xié)助，在此，編者一一向他們表示感謝。
    由于編者學(xué)識(shí)水平有限，成書時(shí)間倉促，書中肯定存在一些錯(cuò)誤和不恰當(dāng)之處，  懇請(qǐng)廣大讀者給予批評(píng)指正。
    編  者
    2004年3月

章節(jié)摘錄

　　光機(jī)電一體化是激光技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的相互交叉與融合，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。它包括產(chǎn)品和技術(shù)兩方面：光機(jī)電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機(jī)械、微電子、自動(dòng)控制和通訊技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，具有很高的功能和附加值；光機(jī)電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使光機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)?！　∧壳?，國際上產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使得各個(gè)行業(yè)不斷融合和協(xié)調(diào)發(fā)展。作為光學(xué)、機(jī)械與電子相結(jié)合的復(fù)合產(chǎn)業(yè)，光機(jī)電一體化以其特有的技術(shù)帶動(dòng)性、融合性和普適性，受到了國內(nèi)外科技界、企業(yè)界和政府部門的特別關(guān)注，　它將在提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的過程中，帶來高度的創(chuàng)新性、滲透性和增值性，成為未來制造業(yè)的支柱，被譽(yù)為21世紀(jì)最具魅力的朝陽產(chǎn)業(yè)。我國已經(jīng)將發(fā)展光機(jī)電一體化技術(shù)列為重點(diǎn)高新科技發(fā)展項(xiàng)目，北京市政府也于2001年7月23日批準(zhǔn)正式成立了北京市光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)基地，預(yù)計(jì)到2010年，北京市光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到336億元?！　‰S著光機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)的技術(shù)人員對(duì)其興趣和需求也與日俱增。但到目前為止，　國內(nèi)還鮮有將光機(jī)電一體化技術(shù)作為一個(gè)整體技術(shù)門類來介紹和論述的書籍，這與其方興未艾的發(fā)展勢頭形成了巨大反差。有鑒于此，　由北方工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、華中科技大學(xué)和上海交通大學(xué)聯(lián)合編寫光機(jī)電一體化叢書，　旨在適時(shí)推出一套光機(jī)電一體化技術(shù)基本知識(shí)和應(yīng)用實(shí)例的科技叢書，滿足科研設(shè)計(jì)單位、企業(yè)及高等院校的科研和教學(xué)的需求，為有關(guān)技術(shù)人員在開發(fā)光機(jī)電一體化產(chǎn)品時(shí)，提供從產(chǎn)品造型、功能、結(jié)構(gòu)、材料、傳感測量到控制等諸方面有價(jià)值的參考素材?！　”緟矔彩?，包括《光機(jī)電一體化實(shí)用技術(shù)》、《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床》、《光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《智能機(jī)器人》、《光機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)品實(shí)例》、《樓宇設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)》、《關(guān)節(jié)型機(jī)器人》、《微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造》、《激光在加工和檢測中的應(yīng)用》、《光電傳感器及其應(yīng)用》。自2003年8月起陸續(xù)出版發(fā)行?！　矔幕咎攸c(diǎn)，　一是內(nèi)容新穎，力求及時(shí)地反映光機(jī)電一體化技術(shù)在國內(nèi)外的最新進(jìn)展和作者的有關(guān)研究成果；二是系統(tǒng)全面，叢書分門別類地歸納總結(jié)了光機(jī)電一體化技術(shù)的基本理論和在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，重點(diǎn)介紹了光機(jī)電一體化技術(shù)的工程應(yīng)用方法和實(shí)現(xiàn)方法，許多內(nèi)容，如樓宇自動(dòng)門的專門論述，　尚屬國內(nèi)首次；　三是深入淺出，每《光電傳感器及其應(yīng)用》重點(diǎn)突出，注重理論聯(lián)系實(shí)際。既有一定的理論深度，又偏重實(shí)用性，力求滿足不同層次讀者的需求，適合工程技術(shù)人員閱讀和高校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)的需要。　　由于本叢書涉及內(nèi)容廣泛，相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，加之作者水平有限，　時(shí)間緊促，書中錯(cuò)誤和不妥在所難免，懇請(qǐng)專家、學(xué)者和讀者不吝指教為盼！　　《光機(jī)電一體化叢書》編輯委員會(huì)　　2003年5月于北京

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