传感器与检测技术应用(微课版)

本书深度适宜、实用性强,可作为高职院校的机电一体化、应用电子技术、自动控制、仪器仪表、计算机应用、机械制造、数控加工、模具技术等专业的教学用书,也可作为相关专业培训教材或相关工程技术人员的参考用书。
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陈经文 (作者)

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(1)以二维码形式嵌入带动画视频的微课版创新教材,具有一定的创新性。
(2)对教材内容进行调整,更加适应教学需求。降低理论深度,强化实训环节。
(3)进一步强化多媒体教学手段和教学资源。
(4)精选实例,典型生动。
(5)灵活采用生动活泼的小栏目,增加知识性和趣味性。

内容摘要

本书介绍传感器的基本知识、传感器组成与分类、传感器的材料及特性、传感器标定与校准、传感检测技术的作用和发展,重点讲解位移、力学、温度、气敏、湿度、光电、视觉等方面的传感器的工作原理与应用方法,对传感器检测的输出信号处理、传感器与微机的接口、传感器网络进行详细叙述。本书还包含根据工学结合课程的教学安排编写的综合实训。本书共8 个项目,每个项目前均有知识目标、能力目标和项目导读,项目后均附有习题。
本书选材广泛、图文并茂、层次分明、条理清晰、结构合理、重点突出、深入浅出、通俗易懂,通过大量的传感器实例分析和综合实训来帮助读者理解传感器的工作原理。
本书深度适宜、实用性强,可作为高职院校机电一体化及相关专业的教学用书,也可作为相关专业培训教材或相关工程技术人员的参考用书。

前言

当代社会被称为信息社会,传感器检测技术作为信息技术的一个重要分支,包含
传感器检测与自动控制的信息技术,已成为当代工业技术中的一个重要组成部分。计
算机技术、机器人技术、自动控制技术、机电一体化技术以及单片机嵌入式系统的迅
速发展,迫切需要各种各样的传感器。
显而易见,传感器在现代科学技术领域中居于很重要的地位。我国和世界各国都
视传感器检测技术为现代电子信息技术的关键技术之一,了解、掌握和应用传感器成
了许多专业工程技术人员的必备基础。传感器检测技术已成为机电一体化及相关专业
的必修课。
本书是编者根据高职院校人才培养方案及课程教学的要求,结合现代电子技术、
计算机技术发展的新趋势,并总结编者多年的教学和科研经验,从实用角度出发编写
的一本独具特色的教材。本书力求内容新颖、叙述简练、应用灵活,参考学时为72
学时。具体安排可参考下表:
序号 课程内容
学 时 数
合计 讲授 实训
项目1 认识传感器 4 4 —
项目2 位移、速度、流量传感器及其应用 10 6 4
项目3 力学传感器及其应用 10 6 4
项目4 温度传感器及其应用 10 6 4
项目5 气敏传感器、湿度传感器及其应用 10 6 4
项目6 光电传感器及其应用 10 6 4
项目7 视觉传感器及其应用 10 6 4
项目8 传感器在机电一体化系统中的应用 8 4 4
总 计 72 44 28
本书的特点是实用性较强,从实践和应用的角度出发,主要介绍常用传感器的原
理、特性和使用原则,并提供大量传感器基本应用结构及电路。本书除了介绍位移、
力学、温度、气敏、湿度、光电、视觉等传感器的原理、结构、性能与应用以外,还
介绍传感器输出信号的处理以及与微机的连接。根据工学结合课程的教学安排,还编
写了与内容相关的综合实训。读者可从本书中直接选用适用的传感器应用电路,还可
对本书提供的电路稍加修改以应用到自己设计的系统中。
编者在编写本书过程中,力求以培养能力为主线。在保证基本概念、基本原理和
基本分析方法条理清晰的基础上,本书力求避免烦琐的数学推导过程。在教材的编排
方面,本书力求由浅入深、由易到难、循序渐进。在教材内容的阐述方面,本书力求
传感器与检测技术应用(微课版)
2
贯彻理论与实践相结合,以应用为目的,以够用为度的原则,力求简明扼要、通俗易懂。
本书由三峡电力职业学院陈经文、南京铁道职业技术学院孙东平、四川水利职业技术学院王
盼盼任主编,广西蓝天航空职业学院杨乐、三峡电力职业学院叶林勇、三峡电力职业学院曾曲洋、
达州职业技术学院张小卫任副主编。
本书还参考一些传感器测量技术、传感器应用和机电一体化控制等方面的文献、材料,在此
一并表示诚挚的谢意。
由于编者的水平所限,书中难免存在不妥及疏漏之处,恳切希望专家、学者和读者不吝指教。
编 者
2021 年9 月

目录

项目1 认识传感器 ........................................ 1
1.1 传感器的定义、组成与分类 ....... 2
1.1.1 传感器的定义 ........................ 2
1.1.2 传感器的组成 ........................ 3
1.1.3 人体系统与机器系统的机能
对应关系 ................................ 4
1.1.4 传感器的分类 ........................ 4
1.1.5 传感器的命名代号 ................ 7
1.2 了解传感器的性能指标 ................ 7
1.2.1 传感器的静态特性 ................ 8
1.2.2 传感器的动态特性 .............. 11
1.3 传感器的标定与校准 ................... 13
1.3.1 传感器的标定与校准 .......... 13
1.3.2 静态标定 .............................. 14
1.3.3 动态标定 .............................. 15
1.4 认识传感技术的现状和发展
趋势 .................................................. 15
1.4.1 传感技术的应用现状 .......... 15
1.4.2 传感技术的发展趋势 .......... 15
1.4.2 开发研制的新型传感器 ...... 16
习题 ........................................................... 19
项目2 位移、速度、流量传感器及其
应用 .................................................. 20
2.1 参量型位移传感器 ....................... 21
2.1.1 电阻式位移传感器 .............. 21
2.1.2 电容式位移传感器 .............. 24
2.1.3 电感式位移传感器 .............. 26
2.1.4 感应同步器 .......................... 29
2.2 光栅、磁栅位移传感器 .............. 31
2.2.1 光栅位移传感器 .................. 31
2.2.2 磁栅位移传感器 .................. 33
2.3 速度、加速度传感器 ................... 34
2.3.1 速度传感器 .......................... 34
2.3.2 加速度传感器 ...................... 42
2.4 物位流量流速传感器 ................... 44
2.4.1 物位传感器 .......................... 44
2.4.2 流量传感器 .......................... 46
2.4.3 流速传感器 .......................... 48
2.5 位移传感器的应用 ....................... 49
2.5.1 光电编码器的位置测量
应用 ...................................... 49
2.5.2 轴承间隙的检测 .................. 50
2.5.3 太阳能热水器的水位
报警器 .................................. 51
2.6 综合实训:检测互感式电感位移
传感器—螺管式差动变压器
的性能 ............................................. 52
习题 ........................................................... 53
项目3 力学传感器及其应用 ..................... 54
3.1 测力传感器 .................................... 55
3.1.1 变换力或压力的弹性元件 .. 55
3.1.2 电阻应变式测力传感器 ...... 57
3.1.3 压电式测力传感器 .............. 60
3.1.4 压磁式测力传感器 .............. 62
3.2 扭矩传感器 .................................... 63
3.2.1 电阻应变式扭矩传感器 ...... 64
3.2.2 磁致伸缩式扭矩传感器 ...... 64
3.2.3 磁电式扭矩传感器 .............. 65
3.2.4 电容式扭矩传感器 .............. 65
3.2.5 光电式扭矩传感器 .............. 66
3.2.6 钢弦式扭矩传感器 .............. 66
3.3 压力传感器 .................................... 66
3.3.1 电阻式压力传感器 .............. 67
3.3.2 电容式压力传感器 .............. 69
3.3.3 电感式压力传感器 .............. 70
3.3.4 霍尔式压力传感器 .............. 71
传感器与检测技术应用(微课版)
2
3.3.5 压电式压力传感器 .............. 73
3.4 力学传感器的应用 ....................... 74
3.4.1 压差式液位传感器 .............. 74
3.4.2 压电式玻璃破碎报警器 ...... 75
3.4.3 指套式电子血压计 .............. 75
3.4.4 高速定量分装系统 .............. 76
3.4.5 CL-YZ-320 型力敏
传感器 .................................. 77
3.4.6 基于力/力矩传感器的
机器人力控系统 .................. 77
3.5 综合实训:箔式应变片及直流
电桥的原理和工作情况 ............... 79
习题 ........................................................... 82
项目4 温度传感器及其应用 ..................... 83
4.1 热电式温度传感器 ....................... 84
4.1.1 热电偶的测温原理 .............. 85
4.1.2 热电偶的基本定律 .............. 86
4.1.3 热电偶的材料和结构 .......... 88
4.1.4 热电偶的冷端温度补偿 ...... 90
4.2 电阻式温度传感器 ....................... 90
4.2.1 金属热电阻式温度
传感器 .................................. 91
4.2.2 热敏电阻式温度传感器 ...... 93
4.3 非接触式温度传感器 ................... 95
4.3.1 全辐射式温度传感器 .......... 95
4.3.2 亮度式温度传感器 .............. 96
4.3.3 光电比色式温度传感器 ...... 97
4.4 半导体、集成温度传感器 .......... 98
4.4.1 半导体温度传感器 .............. 98
4.4.2 集成温度传感器 .................. 99
4.5 温度传感器的应用 ..................... 100
4.5.1 双金属温度传感器的室温
测量 .................................... 101
4.5.2 双金属温度传感器在电冰箱
中的应用 ............................ 101
4.5.3 CPU 上的过热报警器 ........ 102
4.5.4 热敏电阻在空调器控制电路
中的应用 ............................ 102
4.5.5 K 型热电偶的测温电路 ..... 103
4.5.6 集成温度传感器的应用 .... 103
4.6 综合实训:了解热电偶的原理
及现象 ........................................... 106
习题 ......................................................... 107
项目5 气敏传感器、湿度传感器及
其应用 ............................................. 108
5.1 气敏传感器 .................................. 109
5.1.1 气敏传感器的分类 ............ 109
5.1.2 半导体式气敏传感器 ........ 110
5.1.3 接触燃烧式气敏传感器 .... 114
5.1.4 固体电解质式气敏
传感器 ................................ 114
5.1.5 红外线吸收式气敏
传感器 ................................ 115
5.1.6 热导率变化式气敏
传感器 ................................ 115
5.1.7 湿式气敏传感器 ................ 116
5.2 湿度传感器 .................................. 116
5.2.1 湿度的定义 ........................ 117
5.2.2 湿度传感器的分类及
特性 .................................... 117
5.2.3 电解质型湿度传感器 ........ 119
5.2.4 半导体陶瓷型湿度
传感器 ................................ 120
5.2.5 有机高分子湿度传感器 .... 122
5.2.6 单晶半导体型湿度
传感器 ................................ 123
5.3 水分传感器 .................................. 124
5.3.1 含水量的检测方法 ............ 124
5.3.2 水分传感器的工作原理 .... 126
5.3.3 水分传感器的探头结构 .... 126
5.3.4 电阻式水分计的原理 ........ 127
5.3.5 土壤水分传感电路 ............ 127
5.4 气敏传感器和湿度传感器的
应用实例 ....................................... 128
5.4.1 气敏电阻检漏报警器 ........ 128
5.4.2 矿灯瓦斯报警器 ................ 128
5.4.3 半导体式煤气传感器 ........ 129
5.4.4 热敏电阻式湿度传感器 .... 129
目 录
3
5.4.5 金属氧化物陶瓷湿度
传感器 ................................ 130
5.4.6 结露传感器的应用 ............ 131
5.5 综合实训:气敏传感器实验..... 132
习题 ......................................................... 133
项目6 光电传感器及其应用 ................... 134
6.1 光电效应及光电器件 ................. 135
6.1.1 光电效应 ............................ 135
6.1.2 光电发射型光电器件 ........ 137
6.1.3 光导型光电器件 ................ 138
6.1.4 光伏型光电器件 ................ 141
6.1.5 光电耦合器 ........................ 142
6.2 红外传感器 .................................. 143
6.2.1 红外线的特点 .................... 143
6.2.2 红外线传感器的类型 ........ 144
6.3 激光传感器 .................................. 147
6.3.1 激光传感器的分类 ............ 148
6.3.2 激光的产生 ........................ 149
6.3.3 激光的特性 ........................ 150
6.3.4 激光传感器的应用 ............ 150
6.4 光纤传感器 .................................. 152
6.4.1 光纤传感器的分类 ............ 152
6.4.2 光纤传感器的结构和传光
原理 .................................... 153
6.4.3 光纤的主要参数 ................ 153
6.4.4 常用光纤传感器 ................ 154
6.5 光电传感器应用实例 ................. 156
6.5.1 自动照明灯 ........................ 156
6.5.2 光电式数字转速表 ............ 156
6.5.3 手指光反射测量心率 ........ 157
6.5.4 条形码扫描笔 .................... 157
6.5.5 激光传感器的测距应用 .... 158
6.6 综合实训1:光电传感器(反射
型)测转速 .................................. 159
6.7 综合实训2:光纤位移测量 .... 160
习题 ......................................................... 161
项目7 视觉传感器及其应用 ................... 162
7.1 光导视觉传感器 ......................... 163
7.1.1 光导视觉传感器的构成 .... 163
7.1.2 光导视觉传感器的成像
原理 .................................... 164
7.1.3 光导视觉传感器与固态视觉
传感器的比较 .................... 164
7.2 CCD 视觉传感器 ......................... 165
7.2.1 CCD ..................................... 166
7.2.2 CCD 视觉传感器的信号
传递 .................................... 167
7.2.3 CCD 视觉传感器的结构 .... 168
7.2.4 CCD 彩色图像传感器 ........ 171
7.3 CMOS 视觉传感器 ...................... 171
7.3.1 CCD 和CMOS 的比较 ....... 172
7.3.2 CMOS 型放大器的电路
结构 .................................... 173
7.3.3 CMOS 型光电转换器件 ..... 174
7.3.4 CMOS 视觉传感器的
结构 .................................... 175
7.3.5 CMOS 视觉传感器的
特点 .................................... 176
7.4 人工视觉 ....................................... 176
7.4.1 人工视觉系统的硬件
构成 .................................... 177
7.4.2 人工视觉的物体识别 ........ 177
7.4.3 新型人工视觉系统的
研究 .................................... 179
7.5 视觉传感器应用实例 ................. 181
7.5.1 数字摄像机 ........................ 181
7.5.2 数字照像机 ........................ 184
7.6 综合实训:视觉传感器的
应用—光控开关设计实验 ... 187
习题 ......................................................... 189
项目8 传感器在机电一体化系统中的
应用 ................................................ 190
8.1 传感器在工业机器人中的
应用 ................................................ 191
8.1.1 零位和极限位置的
检测 .................................... 192
8.1.2 位移量的检测 .................... 192
8.1.3 速度、加速度的检测 ........ 193
传感器与检测技术应用(微课版)
4
8.1.4 外部信息传感器在电弧焊
工业机器人中的应用 ........ 193
8.2 传感器在数控机床与加工中心
中的应用 ....................................... 194
8.2.1 传感器在位置反馈系统中的
应用 .................................... 195
8.2.2 传感器在速度反馈系统中的
应用 .................................... 196
8.3 传感器在汽车机电一体化中的
应用 ................................................ 196
8.3.1 汽车用传感器 .................... 197
8.3.2 传感器在发动机中的典型
应用 .................................... 199
8.3.3 传感器在汽车空调系统中的
应用 .................................... 201
8.3.4 传感器在公路交通系统中的
应用 .................................... 203
8.4 传感器在家用电器中的应用 .... 204
8.4.1 电子灶的湿度传感器
控制 .................................... 205
8.4.2 电子灶的气体传感器
控制 .................................... 206
8.4.3 电子灶的温度传感器
控制 .................................... 206
习题 ......................................................... 207
参考文献 .......................................................... 208

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作者介绍

2018年湖北省职业院校技能大赛高职组“现代电气控制系统安装与调试”赛项一等奖和二等奖各一项(第一指导教师),2019年第十三届“西门子杯”中国智能制造挑战赛高职组“离散行业运动控制”赛项全国初赛二等奖(第一指导教师),主持国家实用新型专利三项,计算机软件著作权两项。
主编参编教材《可编程控制器(西门子系统)实训教程》等多部教材 ,在国内外各类期刊发表论文10余篇。

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