传感器技术与应用

内容简介

传感器技术与应用是自动化、测控仪器等专业的专业课。随着我国物联网相关产业的蓬勃发展,传感器技术也在同时拓展着自身的应用领域。本书的编者们怀着培养应用型人才的愿望，编写了《传感器技术与应用》这本书。
　　本书在介绍传感器技术的同时，注重理论联系实际；在表达方式上力求做到语言通俗、简洁易懂，以提高学生的学习兴趣。
　　本书共19章。第1至17章介绍了传感器的基础知识，以及电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热电式传感器、流量检测仪表、压电传感器、光电式传感器和集成式温度传感器等内容。这一部分围绕着基本原理、测量电路和应用实例三个方面进行介绍，使学生在掌握基本原理的基础上，学会将传感器得到的微弱信号通过测量电路转换成可测量的信号的方法。第18章和第19章介绍了温度和力学量参数的检测技术，使学生在掌握前面传感器的基础知识之后，能够扩展一下思路。
　　为了方便教学，本书还配有电子课件等教学资源包，任课教师和学生可以登录“我们爱读书网”(www.ibook4us.com)免费注册下载，也可以发邮件至hustpeiit@163.com索取。
　　本书可作为高等院校，是应用型本科院校的自动化、测控仪器、电子信息等专业的教材，也可供从事相关领域的工程技术人员参考。

目录

第1章　传感器基础知识
　1.1　概述
　1.2　传感器的基本特性
　1.3　传感器的基本测量电路
　思考与练习题
第2章　电阻式传感器
　2.1　电阻应变式传感器
　2.2　压阻式传感器
　2.3　热电阻式传感器
　2.4　气敏电阻
　2.5　湿敏电阻
　思考与练习题
第3章　电容式传感器
　3.1　电容式传感器
　3.2　电容式传感器的等效电路及输出电路
　3.3　影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施
　3.4　电容式传感器的应用
　思考与练习题
第4章　电感式传感器
　4.1　自感式传感器
　4.2　差动变压器式互感式传感器
　4.3　电涡流式传感器
　4.4　电感式传感器的应用
　思考与练习题
第5章　热电式传感器
　5.1　热电偶温度传感器
　5.2　PN结型温度传感器
　思考与练习题
第6章　压电传感器
　6.1　压电效应
　6.2　压电材料
　6.3　压电传感器的等效电路和测量电路
　6.4　压电传感器的应用
　思考与练习题
第7章　光电式传感器
　7.1　光电效应
　7.2　光电器件
　7.3　光电式传感器的应用
　思考与练习题
第8章　超声波传感器
　8.1　超声检测的物理基础
　8.2　超声波传感器
　8.3　超声波检测技术的应用
　思考与练习题
第9章　流量检测仪表
　9.1　流量检测基础知识
　9.2　节流式流量计
　9.3　转子流量计
　9.4　涡街流量计
　9.5　电磁流量计
　9.6　容积式流量计
　9.7　质量流量计
　思考与练习题
第10章　物位传感器
　10.1　概述
　10.2　浮力式液位传感器
　10.3　静压式物位传感器
　10.4　超声波物位传感器
　思考与练习题
第11章　磁敏传感器
　11.1　磁敏电阻器
　11.2　磁敏电阻器的应用
　11.3　磁敏二极管和磁敏三极管
　11.4　磁敏传感器
　11.5　磁敏传感器的应用
　思考与练习题
第12章　红外传感器
　12.1　红外辐射的基本知识
　12.2　红外探测器
　12.3　红外探测器的应用
　思考与练习题
第13章　成分测量传感器
　13.1　湿度及其测量
　13.2　气体成分测量
　13.3　浓度的测量
　13.4　湿敏传感器的应用
　思考与练习题
第14章　集成式温度传感器
　14.1　AD590集成式温度传感器
　14.2　DS18B20集成式温度传感器
　思考与练习题
第15章　光纤传感器
　15.1　光纤的基本知识
　15.2　光纤传感器的结构与分类
　15.3　光纤传感器的应用
　思考与练习题
第16章　化学传感器
　16.1　气体传感器
　16.2　湿度传感器
　思考与练习题
第17章　智能传感器
　17.1　概述
　17.2　智能传感器的设计
　17.3　传感器的智能化实例
　17.4　智能式传感器
　17.5　智能结构
　思考与练习题
第18章　温度检测仪表
　18.1　概述
　18.2　热电偶温度计
　18.3　热电阻温度计
　18.4　其他接触式温度检测仪表
　18.5　非接触式温度检测仪表
　思考与练习题
第19章　力学量检测技术
　19.1　压力的测量
　19.2　力的测量
　19.3　转矩的测量
　19.4　称重系统
　思考与练习题
　附录A　标准化热电偶分度表
　附录B　钨铼热电偶分度表
　附录C　热电阻分度表
　参考文献

摘要与插图

电容式传感器是能把某些非电量物理量的变化通过一个可变电容器，转换成电容量的变化的装置。电容式传感器不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还应用于压力、压差、液位、成分含量等方面的测量。电容式传感器结构简单、体积小、分辨率高、本身发热小，因而十分适合于非接触测量。这些优点随着电子技术，是集成电路技术的迅速发展，得到了进一步的体现，而它的分布电容、非线性等缺点也将不断得到改善。因此，电容式传感器在非电量测量和自动检测中有着良好的应用前景。
3.1电容式传感器
3.1.1基本工作原理
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。在多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成的，并且以空气为介质，图3?1平板电容器如图3?1所示。两个平行板组成的电容器的电容为C=εAd=ε0εrAd(3?1)式中：A为极板的相对覆盖面积；d为极板间的距离；εr为介质材料的相对介电常数；ε0为真空介电常数，ε0＝8.85
pF/m；ε为电容极板间介质的介电常数；C为电容量。
当被测参数使得式(3?1)中的A，ε或d发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中的一个参数，就可以把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容量变化的大小随着被测参数的大小而变化。电容式传感器根据工作原理可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
改变平行极板的间距d的电容式传感器可以测量微米数量级的位移，而改变极板间相对覆盖面积A的电容式传感器则适用于测量厘米数量级的位移，改变介电常数的电容式传感器适用于液位、厚度、温度和组分含量等的变化的测量。
3.1.2电容式传感器的线性及灵敏度
1. 变极距(间距)型电容式传感器
图3?2所示为变极距型电容式传感器的原理图。图3?2(a)中的极板1为静止极板(一般称为定极板)，而极板2为与被测体相连的动极板。当动极板2因被测参数的改变而移动时，就改变了两极板的距离d，从而改变两极板间的电容C。由式(3?1)可知，电容量C与极间距d不是线性关系，而是如图3?3所示的双曲线关系。图3?2(b)是直接利用被测物作为动极板的情形。极板面积为A，初始距离为d0，以空气为介质(εr=1)，则电容器的电容为C0＝ε0Ad0(3?2)图3?2变极距型电容式传感器原理图图3?3C?d特性曲线关系若电容器极板间距离初始值d0减小Δd(Δd?d0)，其电容量增加ΔC，即C0＋ΔC＝ε0Ad0－Δd=C011－Δdd0(3?3)由式(3?3)，电容的相对变化量为ΔCC0=Δdd01－Δdd0－1(3?4)因为Δd/d0?1，按幂级数展开得ΔCC0＝Δdd01+Δdd0+Δdd02+Δdd03+…(3?5)由式(3?5)可知，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间的关系是非线性的，当Δd/d0?1时可略去非线性项(高次项)，则可得近似的线性关系式ΔCC0≈Δdd0(3?6)而电容式传感器的灵敏度为K=ΔCC0/Δd=1d0(3?7)电容式传感器灵敏度系数K的物理意义是：电容器的极板的单位位移引起的电容量的相对变化量的大小。
略去高次项(非线性项)后引起的相对非线性误差为δ=ΔC－ΔC′ΔC=Δdd0－Δdd01+Δdd0Δdd0=Δdd0×100%(3?8)可见极间距小，既有利于提高灵敏度，又有利于减小非线性。但d0过小时，容易引起电容器击穿。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动结构。改善击穿条件的办法是在极板间放置高介电常数材料(如云母片等介电材料)。
1) 差动变间隙式的电容传感器
如图3?2(c)所示，在差动式电容传感器中，电容器C1的电容随位移Δd的减小而增大时，另一个电容器C2的电容则随着Δd的增大而减小。它们的特性方程分别为C1=C01＋Δdd0+Δdd02+Δdd03+…和C2=C01－Δdd0+Δdd02－Δdd03+…总的电容变