感测器与自动检测技术

本书针对套用型本科教育和新工科的特点，以信息的感测、转换、处理为核心，按检测技术基础（第1~2章）、感测器原理及套用（第3~8章）、自动检测系统（第9~11章）三大模组组织内容。感测器原理及套用模组以被测量为主线，分别介绍温度、力、声、磁、光、气体和湿度等各类感测器的原理、结构、性能及其套用电路，并针对不同类型的感测器给出多个套用实例。自动检测系统模组包含虚拟仪器、无线感测器网路与物联网和自动检测系统共三章内容，第9章介绍虚拟仪器概念、开发环境和数据採集；第10章介绍无线感测器网路与物联网的概念、技术架构、无线通信及其套用；第11章介绍自动检测系统的组成、设计方法和设计案例。

前言
第 1 章 感测器与检测技术基础 1
1. 1 检测技术概论 1
1. 1. 1 检测技术 1
1. 1. 2 感测器与检测技术的作用与地位 1
1. 2 感测器的定义及其分类 2
1. 2. 1 感测器的定义与组成 2
1. 2. 2 感测器的分类 2
1. 3 感测器的基本特性 3
1. 3. 1 感测器的静态特性 3
1. 3. 2 感测器的动态特性 6
1. 4 感测器技术的发展 9
思考题与习题 10
第 2 章 测量误差与数据处理 11
2. 1 测量误差的基本概念 11
2. 1. 1 量值 11
2. 1. 2 误差的表达方法 11
2. 2 误差的分类及其来源 13
2. 2. 1 系统误差 13
2. 2. 2 随机误差 13
2. 2. 3 粗大误差 13
2. 3 测量误差的处理 14
2. 3. 1 随机误差的处理 14
2. 3. 2 系统误差的处理 16
2. 3. 3 粗大误差的处理 17
思考题与习题 18
第 3 章 温度感测器 19
3. 1 热电偶 19
3. 1. 1 热电偶感测器测温原理 19
3. 1. 2 热电偶的基本定律 22
3. 1. 3 热电偶的结构与种类 23
3. 1. 4 热电偶的冷端温度补偿 25
3. 1. 5 热电偶的实用测温电路 26
3. 2 热电阻 27
3. 2. 1 铂热电阻 27
3. 2. 2 铜热电阻 28
3. 2. 3 热电阻的测量电路 28
3. 3 热敏电阻 29
3. 3. 1 热敏电阻的结构与特点 29
3. 3. 2 热敏电阻的类型及其温度特性 30
3. 4 辐射式温度感测器 30
3. 4. 1 辐射测温的物理基础 30
3. 4. 2 辐射式测温方法 31
3. 5 集成温度感测器 32
3. 5. 1 集成温度感测器的工作原理及
分类 32
3. 5. 2 电压型集成温度感测器
μPC616A / C 32
3. 5. 3 电流型集成温度感测器 AD590 33
3. 5. 4 数字型温度感测器 DS18B20 34
3. 6 温度感测器的套用 34
3. 6. 1 NTC 热敏电阻温度控制 34
3. 6. 2 PTC 热敏电阻自动延时电路 34
3. 6. 3 管道流量测量 35
3. 6. 4 集成温度感测器温差测量 35
思考题与习题 35
第 4 章 力学量感测器 37
4. 1 应变式压力感测器 37
4. 1. 1 电阻应变效应 37
4. 1. 2 电阻应变片的种类和结构 38
4. 1. 3 电阻应变式感测器的测量电路 39
4. 1. 4 电阻应变片温度误差及其补偿 42
4. 2 压电式感测器 44
4. 2. 1 压电效应 44
4. 2. 2 压电材料 46Ⅵ
4. 2. 3 测量电路 47
4. 3 电容式感测器 51
4. 3. 1 电容式感测器的工作原理 51
4. 3. 2 电容式感测器的测量电路 55
4. 3. 3 电容式压力感测器 57
4. 4 电感式压力感测器 57
4. 4. 1 自感式压力感测器 58
4. 4. 2 互感式压力感测器 62
4. 5 力学量感测器的套用 64
4. 5. 1 电阻式感测器测量力、 重量和
加速度 64
4. 5. 2 压电式感测器测量力和加速度 68
4. 5. 3 电容式感测器测量位移、 加速度、
厚度和液位 68
4. 5. 4 电感式感测器测量压力和加
速度 70
思考题与习题 72
第 5 章 声波感测器 74
5. 1 声波概述 74
5. 1. 1 声波 74
5. 1. 2 声波的物理特性 74
5. 2 微波感测器 76
5. 2. 1 微波感测器的工作原理 77
5. 2. 2 微波感测器的组成 77
5. 2. 3 微波感测器的特点 78
5. 3 超音波感测器 78
5. 3. 1 超音波及其特性 78
5. 3. 2 超音波感测器的分类 78
5. 4 次声波感测器 80
5. 4. 1 次声波及其特性 80

5. 4. 2 次声波感测器的分类 80
5. 5 声波感测器的套用 81
5. 5. 1 微波液位和湿度检测 81
5. 5. 2 超音波物位、 流量测量和无损
探伤 82
5. 5. 3 次声波管道泄漏定位和灾害
预测 85
思考题与习题 86
第 6 章 磁敏感测器 87
6. 1 磁电感应式感测器 87
6. 1. 1 磁电感应式感测器的工作原理 87
6. 1. 2 磁电感应式感测器的测量电路 89
6. 2 电涡流感测器 89
6. 2. 1 电涡流感测器的工作原理 89
6. 2. 2 电涡流感测器的测量电路 91
6. 3 霍尔式感测器 92
6. 3. 1 霍尔效应 92
6. 3. 2 霍尔元件 93
6. 3. 3 霍尔元件的误差及其补偿 94
6. 3. 4 霍尔式感测器的基本测量电路 96
6. 4 半导体磁阻感测器 96
6. 4. 1 磁阻效应 96
6. 4. 2 磁敏电阻元件 97
6. 4. 3 磁敏电阻的温度补偿 97
6. 5 结型磁敏器件 98
6. 5. 1 磁敏二极体 98
6. 5. 2 磁敏电晶体 99
6. 6 磁敏感测器的套用 101
6. 6. 1 磁电感应式振动速度感测器和
电磁流量计 101
6. 6. 2 电涡流感测器振幅、 转速测量和
无损探伤 101
6. 6. 3 霍尔式感测器位移、 转速和功率
测量 102
6. 6. 4 交流电流监视器 104
6. 6. 5 磁电式无触点开关 104
思考题与习题 105
第 7 章 光电式感测器 106
7. 1 光电式感测器的类型和基本形式 106
7. 1. 1 光电式感测器的类型 106
7. 1. 2 光电式感测器的基本形式 107
7. 2 光电效应与光电器件 107
7. 2. 1 外光电效应及其典型器件 108
7. 2. 2 内光电效应及其典型器件 111
7. 2. 3 光生伏特效应及其典型器件 114
7. 3 光纤感测器 120
7. 3. 1 光纤的传光原理及主要特性 121
7. 3. 2 光纤感测器的组成和分类 122
7. 4 计量光栅感测器 123
7. 4. 1 光栅的结构和分类 123
7. 4. 2 光栅感测器的工作原理 124
7. 4. 3 辨向与细分技术 127
7. 5 光电编码器 128
7. 5. 1 工作原理 128
7. 5. 2 光电码盘 129
7. 6 红外感测器 131Ⅶ
7. 6. 1 红外辐射基本性质 131
7. 6. 2 热探测器 132
7. 6. 3 光子探测器 133
7. 7 CCD 图像感测器 133
7. 7. 1 CCD 的基本结构和工作
原理 134
7. 7. 2 CCD 的特性参数 136
7. 7. 3 CCD 图像感测器的分类 137
7. 8 光电式感测器的套用 139
7. 8. 1 精密核辐射探测器 139
7. 8. 2 光电式火灾探测报警器 140
7. 8. 3 路灯自动控制器和楼道双光控
延时开关 141
7. 8. 4 光电式数字转速计 141
7. 8. 5 光纤温度、 图像和流量感测器 142
思考题与习题 144
第 8 章 气敏与湿敏感测器 146
8. 1 气敏感测器 146
8. 1. 1 气敏感测器概述 146
8. 1. 2 半导体电阻式气敏感测器 147
8. 1. 3 接触燃烧式气敏感测器 149
8. 1. 4 红外吸收式气敏感测器 151
8. 1. 5 热导式气敏感测器 153
8. 1. 6 热磁式气体分析感测器 154
8. 2 湿敏感测器 155
8. 2. 1 湿敏感测器概述 155
8. 2. 2 电阻式湿敏感测器 156
8. 2. 3 电容式湿敏感测器 160
8. 2. 4 集成电容式湿敏感测器
IH3605 161
8. 3 气敏与湿敏感测器的套用 163
8. 3. 1 简易家用气体报警电路 163
8. 3. 2 携带型矿井瓦斯超限报警器 163
8. 3. 3 有害气体鉴别、 报警与控制
电路 163
8. 3. 4 酒精检测报警器 164
8. 3. 5 汽车后风窗玻璃自动去湿装置 165
8. 3. 6 房间湿度控制器 165
8. 3. 7 镜面水汽清除器 166
8. 3. 8 土壤缺水告知器 166
8. 3. 9 电容式穀物水分测量仪 167
8. 3. 10 重油含水量测量 168
思考题与习题 170
第 9 章 虚拟仪器 171
9. 1 虚拟仪器概述 171
9. 1. 1 虚拟仪器的组成 171
9. 1. 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 171
9. 1. 3 虚拟仪器的优点 173
9. 2 LabVIEW 虚拟仪器开发环境 173
9. 2. 1 LabVIEW 程式的基本构成 173
9. 2. 2 LabVIEW 程式的特点 174
9. 3 虚拟仪器在工程中的套用 176
9. 4 虚拟仪器数据採集 177
9. 4. 1 数据採集 (DAQ) 系统组成 177
9. 4. 2 数据採集 (DAQ) 设备 177
9. 4. 3 DAQ 系统中的计算机 178
9. 4. 4 DAQ 系统中的软体组件 178
9. 4. 5 使用 LabVIEW 连线测量硬体 178
9. 5 超越 PC 的虚拟仪器系统 183
思考题与习题 183
第 10 章 无线感测器网路与物联网 185
10. 1 无线感测器网路 185
10. 1. 1 无线感测器网路概念 185
10. 1. 2 无线感测器网路工作原理 185
10. 1. 3 无线感测器节点构成 186
10. 2 物联网 187
10. 2. 1 物联网的定义 187
10. 2. 2 物联网的技术架构 187
10. 2. 3 物联网的特点 188
10. 3 物联网的无线通信技术 189
10. 3. 1 近距离无线通信 189
10. 3. 2 远距离移动无线通信 190
10. 4 物联网的套用 191
10. 4. 1 智慧型交通物联网 191
10. 4. 2 智慧型家居物联网 193
10. 4. 3 智慧型农业物联网 195
10. 4. 4 智慧型医疗物联网 195
思考题与习题 197
第 11 章 自动检测系统 198
11. 1 自动检测系统的结构组成 198
11. 1. 1 自动检测系统的基本结构 198
11. 1. 2 自动检测系统的组成 199
11. 1. 3 自动检测系统的软体 202
11. 2 自动检测系统的基本设计方法 204
11. 2. 1 系统需求分析 204Ⅷ
11. 2. 2 系统总体设计 204
11. 2. 3 採样频率的确定 205
11. 2. 4 标度变换 205
11. 2. 5 硬体设计 206
11. 2. 6 软体设计 208
11. 2. 7 系统集成与维护 209
11. 3 自动检测系统的设计案例 209
11. 3. 1 智慧型人体电子秤 209
11. 3. 2 基于虚拟仪器直流电动机性能的
综合测试系统 211
11. 3. 3 基于 ZigBee 建筑塔吊安全监测
预警系统 216
11. 3. 4 基于 WSN 和 COMWAY 协定温室
大棚参数远程监控系统 221
11. 3. 5 基于 GPRS 和 OneNet 水质远程
监测预警系统 227
思考题与习题 241
参考文献 242