传感器与检测技术（第4版）.pdf

书书书电气工程、自动化专业规划教材传感器与检测技术（第版）徐科军主编马修水李晓林李文涛李莲副主编王化祥主审 北京 内 容 简 介本书包括自动检测技术的基础知识、传感器原理与应用、过程检测仪表和自动检测中的共性技术及新进展四个部分的内容。第一部分介绍传感器与检测技术的基本概念、测量误差与数据处理以及传感器的静动态特性和标定方法。第二部分介绍电阻式传感器、变电抗式传感器、光电式传感器和电动势式传感器的工作原理与应用。第三部分介绍温度检测、流量检测、物位检测和成分检测。第四部分介绍误差修正技术、技术与微型传感器、虚拟仪器、无线传感器网络、多传感器数据融合和软测量技术。本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材、年普通高等教育国家精品教材和“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，可以作为自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器等专业本科生的教材，也可供相关领域的工程技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（）数据传感器与检测技术徐科军主编版 北京：电子工业出版社，电气工程、自动化专业规划教材 传徐传感器检测高等学校教材 中国版本图书馆 数据核字（）第 号策划编辑：凌毅责任编辑：凌毅印刷：装订：出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路 信箱邮编 开本：印张：字数：千字版次：年月第版 年月第版印次：年月第次印刷定价：元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系。联系及邮购电话：（），。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（），。第版前言在工农业生产、科学研究、国防建设和日常生活中，人们需要测量外部世界的一些非电量，例如，位移、速度、加速度、力、力矩、温度、压力、流量和成分等，以便及时、准确地获得信息，这就必须合理选择和善于应用各种传感器和检测仪表。对于电气信息类专业和自动化类专业，信息是基础，而传感器是获取信息的器件；控制是核心，而自动检测是实现控制的前提和条件；立足于系统，而检测系统是系统的反馈环节。在过程控制中，需要检测温度、压力、物位、流量和成分；在运动控制中，需要检测位置、转速和力矩；所以，有“无传感器，就无控制”之说。本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材、年普通高等教育国家精品教材和“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，是作者在多年从事传感器及仪器仪表教学和科学研究的基础上编写的。本书在讲清基本概念、基本理论的基础上，强调工程的概念，从工程的角度出发来编写教材，而不仅仅作为知识点的介绍，同时注重近年来本领域理论和技术的发展，根据本科教学的需要，有选择性地将部分新方法和新技术编入本教材中。全书内容分为四个部分。第一部分介绍自动检测技术的基本知识，包括测量误差和数据处理的基本知识、传感器静动态特性及标定知识；第二部分系统地介绍各种传感器的原理、结构和应用，目的在于培养学生使用各类传感器的能力；第三部分介绍传感器在工程检测中的应用，将传感器和工程检测方面的知识有机地结合起来，以温度检测、流量检测、物位检测和成分检测为例，使学生能够进一步应用传感器方面的知识去解决工程检测中的具体问题；第四部分介绍自动检测中的共性技术和新发展。本书由合肥工业大学徐科军担任主编，浙江大学宁波理工学院马修水、太原理工大学李晓林、内蒙古科技大学李文涛和天津理工大学李莲担任副主编。马修水编写 节、节、节和第章；李晓林编写第章、节、节和 节、节；李文涛编写 节、第章、节和 节；李莲编写 节和第章；徐科军编写 节、节，节、节、节、节和 节。全书由合肥工业大学徐科军统稿。本书的第版作为“新编电气与电子信息类本科规划教材”之一于 年出版。天津大学检测技术与自动化装置国家重点学科带头人、博士生导师王化祥教授担任主审。王化祥教授仔细审阅了书稿，并提出了许多宝贵的指导意见。在第版编写中，合肥工业大学陈荣保副教授和王文博讲师以及安徽大学孙伟副教授对本书提出了许多好的建议。本书第版和第版出版后，被国内很多高校选作教材，使用情况及效果良好，受到同行和专家好评。为了适应传感器与检测技术发展形势的需要，以及适应新形势下本科教育的需求，我们对第版进行了修订，从有利于学生系统地掌握传感器与检测技术的理论知识和提高实际动手能力出发，较大篇幅地修改了“电荷耦合器件”、“热电偶传感器”、“超声流量计”、“质量流量计”部分，使其内容更加准确和更容易理解；删除了“压磁传感器”和“磁性氧量分析仪”部分；增加了“测量不确定度”；将“变阻抗式传感器”改为“变电抗式传感器”，考虑到电涡流传感器也是基于变互感原理的，所以，将电涡流传感器放在电感式传感器后面介绍。在第版的修订中，合肥工业大学鲁照权教授和内蒙古科技大学杨立清副教授提出了许多宝贵的建议和意见。在此次修订中，修改了 节传感器的动态标定部分（李文涛执笔）；修改了 节电容传感器的应用（马修水执笔）；修改了 节磁电式传感器和 节压电式传感器的部分图（李晓林执笔）；在 节电磁流量计中，增加了当前应用广泛的矩形波励磁方式和信号处理方法的介绍（徐科军执笔），以反映当前检测技术的发展；在 节超声流量计中，修改了流量方程式（徐科军执笔），给出了两种流速计算公式，不仅适用于液体超声流量计，而且适用于气体超声流量计；在 节直接式质量流量计部分，调整和补充了科里奥利质量流量计的介绍（徐科军执笔），以便老师讲授和学生自学；增加了第章物位检测（徐科军和李晓林执笔），使本教材较为完整地介绍了流程工业五大被测量（温度、压力、流量、物位和成分）的检测技术；修改了原 节中红外线气体分析仪结构图（徐科军执笔）；修改了原 节中微型氧传感器部分（李文涛执笔）；增加了每章的思考题与习题（徐科军、马修水和李晓林执笔），以弥补有些章节题目数量偏少和有些章节定性题目偏多的不足。在本书编写的过程中，参阅了许多专家的教材、著作和论文，还得到国内外有关企业和同行的支持，在此一并表示衷心的感谢。本书提供配套的电子课件，可登录电子工业出版社的华信教育资源网：，注册后免费下载；本书提供配套的 ，由徐科军和杨双龙讲授，可登录华信教育资源网：下载或扫二维码观看。对于本版中存在的错误和不妥之处，继续恳请广大读者批评指正。编者 年月目录第章绪论!自动检测技术概述!自动检测技术的重要性!自动检测系统的组成!自动检测技术的发展趋势!传感器概述!传感器的定义!传感器的组成!传感器的分类!测量误差与数据处理!测量误差的概念和分类!精度!测量误差的表示方法!随机误差!系统误差!粗大误差!测量不确定度!数据处理的基本方法!传感器的一般特性!传感器的静态特性!传感器的动态特性!传感器的标定和校准!传感器的静态标定!传感器的动态标定!思考题与习题!第章电阻式传感器原理与应用!应变式传感器!金属电阻应变片的工作原理!电阻应变片的特性!电阻应变片的测量电路!电阻应变式传感器的应用!压阻式传感器!半导体的压阻效应!体型半导体电阻应变片!扩散型压阻式压力传感器!压阻式加速度传感器!测量桥路及温度补偿!思考题与习题!第章变电抗式传感器原理与应用!自感式传感器!工作原理!变气隙式自感传感器!变面积式自感传感器!螺线管式自感传感器!自感式传感器测量电路!自感式传感器应用举例!差动变压器!变隙式差动变压器!螺线管式差动变压器!差动变压器应用!电涡流式传感器!电涡流式传感器的工作原理!电涡流式传感器的类型!电涡流式传感器的应用!电容式传感器!电容传感器的工作原理!电容传感器的主要性能!电容传感器的特点和设计要点!电容传感器等效电路!电容传感器测量电路!电容传感器的应用!思考题与习题!第章光电式传感器原理与应用!光电效应和光电器件!光电管!光电倍增管!光敏电阻!光敏二极管和光敏晶体管 !光电池 !光电器件的应用 !光电码盘 !工作原理 !码盘和码制 !二进制码与循环码的转换 !光电码盘的应用 !电荷耦合器件 !电荷耦合器件的结构和工作原理 !图像传感器 !图像传感器的应用 !光纤传感器 !光导纤维的结构和导光原理 !光导纤维的主要参数 !光纤传感器的结构原理 !光纤传感器的分类 !光纤传感器的特点 !光纤传感器的应用 !光栅传感器 !光栅传感器的结构 !莫尔条纹形成的原理 !莫尔条纹技术的特点 !光栅的光路 !辨向原理 !细分技术 !思考题与习题 !第章电动势式传感器原理与应用 !磁电式传感器 !磁电式传感器的工作原理 !动圈式磁电传感器 !磁阻式磁电传感器 !磁电式传感器的动态特性 !霍尔传感器 !霍尔传感器的工作原理 !霍尔元件的结构和基本电路 !霍尔元件的主要特性参数 !霍尔元件的误差及补偿 !霍尔式传感器的应用 !压电式传感器 !压电式传感器的工作原理 !压电元件的等效电路及信号测量电路 !压电式传感器的应用 !思考题与习题 !第章温度检测 !概述 !温度的基本概念和测量方法 !温标 !热电阻式传感器 !金属热电阻 !半导体热敏电阻 !热电阻式传感器的应用 !热电偶传感器 !热电偶测温原理 !热电偶的基本定律 !热电偶的冷端处理和补偿 !标准化热电偶 !非标准化热电偶 !热电偶结构形式 !热电偶安装注意事项 !热电偶非线性补偿与应用 !非接触式测温 !热辐射基本定理 !光学高温计 !光电高温计 !辐射温度计 !比色温度计 !思考题与习题 !第章流量检测 !流量的基本概念 !流量测量的基本概念 !流量检测的方法和分类 !差压式流量计 !差压式流量计组成及测量原理 !节流装置 !安装注意事项 !电磁流量计 !电磁流量计结构与原理 !选用与安装注意事项 !涡轮流量计 !结构和工作原理 !特点和应用 !安装注意事项 !涡街流量计 !工作原理与结构 !安装使用注意事项 !超声流量计 !工作原理及组成 !选用与安装注意事项 !质量流量计 !直接式质量流量计 !间接式质量流量计 !思考题与习题 !第章物位检测 !概述 !物位检测的基本概念 !物位计分类 !超声波物位计 !概述 !连续式超声波物位计 !超声波物位开关 !超声波检测液液相界面 !雷达物位计 !雷达物位计分类 !导波式雷达物位计 !思考题与习题 !第章成分检测 !概述 !成分分析仪器简介 !成分分析仪器的分类 !成分分析仪器的组成 !成分分析仪器的主要性能指标 !热导式气体分析仪 !基本原理 !热导池（检测器）!测量电路 !热导式气体分析仪的应用 !氧化锆氧量分析仪 !工作原理 !氧化锆探头 !氧化锆氧量分析仪的应用 !红外线气体分析仪 !测量原理 !红外线气体分析仪结构 !红外线分析仪的应用 !气相色谱仪 !色谱分析方法的由来 !气相色谱法的分离原理 !定性分析和定量分析 !工业气相色谱仪的基本组成 !气相色谱仪的新发展 !思考题与习题 !第 章自动检测的共性技术及新发展 !误差修正技术 !系统误差的数字修正方法 !随机误差的数字滤波方法 !动态补偿方法与实现 !技术与微型传感器 !技术 !微型传感器 !虚拟仪器 !定义和特点 !产生和分类 !体系结构 !无线传感器网络 !定义和组成 !特点和局限 !路由协议 !传感器的应用 !多传感器数据融合 !基本概念 !融合方法 !应用举例 !软测量技术 !辅助变量的选取 !测量数据的处理 !软测量模型的建立 !软仪表的在线校正 !软测量的工业应用 !思考题与习题 !附录常用铂铑 铂热电偶（型）（）分度表 !附录 铂热电阻（型）（）分度表 !参考文献 !书书书第章绪论本章简要介绍自动检测技术和传感器的基本知识，重点介绍误差分析和数据处理、传感器静动态特性和标定方法。自动检测技术概述 自动检测技术的重要性在科学研究过程中，一些研究成果，必须要通过实验证实，这就需要一定的测试手段完成；在工农业生产中，为了保证能正常、高效地生产，要有一定的测试手段进行生产过程的检查和监视。这些测试手段就是仪器仪表。关于仪器仪表，最早得到广泛应用的是机械式仪器仪表，以后发展到光学的、电学的仪器仪表等。仪器仪表也是随着科学技术的发展而发展的，每当科学技术前进一步，就要求能够提供新的测试手段，从而促进了仪器仪表的发展