本書針對應(yīng)用型本科教育和新工科的特點，以信息的傳感、轉(zhuǎn)換、處理為核心，按檢測技術(shù)基礎(chǔ)（第1~2章）、傳感器原理及應(yīng)用（第3~8章）、自動檢測系統(tǒng)（第9~11章）三大模塊組織內(nèi)容。傳感器原理及應(yīng)用模塊以被測量為主線，分別介紹溫度、力、聲、磁、光、氣體和濕度等各類傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用電路，并針對不同類型的傳感器給出多個應(yīng)用實例。自動檢測系統(tǒng)模塊包含虛擬儀器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)和自動檢測系統(tǒng)共三章內(nèi)容，第9章介紹虛擬儀器概念、開發(fā)環(huán)境和數(shù)據(jù)采集；第10章介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的概念、技術(shù)架構(gòu)、無線通信及其應(yīng)用；第11章介紹自動檢測系統(tǒng)的組成、設(shè)計方法和設(shè)計案例。
本書是 “十三五” 江蘇省高等學(xué)校重點教材, 教材內(nèi)容體系是編寫團(tuán)隊教改研究和精品課程建設(shè)的成果。
傳感器是實現(xiàn)對物理環(huán)境或人類社會信息獲取的基本工具, 是檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié), 是信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的源頭, 是智能檢測技術(shù)與應(yīng)用的基礎(chǔ), 在國民經(jīng)濟(jì)中具有 “ 倍增器”
作用。 工信部、 科技部、 財政部、 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于 2013 年 3 月聯(lián)合印發(fā) 《加快推進(jìn)傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》 , 實施期為 2013 ~ 2025 年。 “ 中國制造2025” 中明確把研制智能傳感器、 高端儀表標(biāo)準(zhǔn)作為研究的重點項目。
教材在保證課程的基本理論、 基本方法和基本技能訓(xùn)練等傳統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上, 在內(nèi)容闡述上賦予新技術(shù)、 新方法和新應(yīng)用, 注重最新科研成果在課程中的滲透, 結(jié)合專業(yè)和學(xué)科特點, 突出應(yīng)用性, 具有一定學(xué)術(shù)價值。 本書的主要特色與創(chuàng)新體現(xiàn)在如下幾個方面:(1) 精選教學(xué)內(nèi)容, 融入新技術(shù)。 內(nèi)容的選取根據(jù)我國當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)及科研應(yīng)用的實際, 以信息的傳感、 轉(zhuǎn)換、 處理為核心, 從基本概念入手, 分別介紹溫度、 力學(xué)量、 聲波、磁敏、 光電式、 氣敏和濕敏等各類傳感器的原理、 結(jié)構(gòu)、 性能及其應(yīng)用電路。 既介紹傳統(tǒng)的傳感器, 也介紹新型傳感器、 集成傳感器, 還介紹了虛擬儀器、 無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)。
(2) 以掌握概念、 強(qiáng)化應(yīng)用為重點, 實現(xiàn)理論知識和實際應(yīng)用的有機(jī)統(tǒng)一。 第 3 ~ 8 章介紹了傳感器原理及應(yīng)用, 各章均安排了典型應(yīng)用部分, 針對不同類型的傳感器給出應(yīng)用實例; 第 9 ~ 11 章介紹了自動檢測系統(tǒng), 給出了編寫團(tuán)隊近年來在自動檢測技術(shù)、 虛擬儀器和物聯(lián)網(wǎng)方面的多個研究成果案例, 供讀者在進(jìn)行相關(guān)自動檢測系統(tǒng)設(shè)計時參考。
(3) 采用模塊化結(jié)構(gòu), 思路清晰, 易于理解。 本書共分為三大模塊。 第 1 ~ 2 章為檢測技術(shù)基礎(chǔ)模塊, 介紹傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)、 誤差理論和數(shù)據(jù)處理; 第 3 ~ 8 章為傳感器技術(shù)模塊, 介紹各類傳感器的原理及應(yīng)用; 第 9 ~ 11 章為自動檢測技術(shù)模塊, 介紹虛擬儀器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)、 自動檢測系統(tǒng)。 本書編寫體系有一定的創(chuàng)新, 內(nèi)容組織合理, 符合學(xué)習(xí)規(guī)律, 有利于教學(xué)。 本書重點突出, 難點得到分解, 便于初學(xué)者理解和掌握, 較好地處理了內(nèi)容多、 學(xué)時少的矛盾。
(4) 傳感器部分采用按被測量分章, 實用性強(qiáng)。 區(qū)別于傳統(tǒng)教材按工作原理分章的方法, 本書采用按被測量 (輸入量) 分章, 進(jìn)行傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)的講解, 有利于學(xué)生及使用者對傳感器進(jìn)行比較、 選型, 突出了教材的實用性, 構(gòu)建了全新的課程教材體系。
(5) 以學(xué)生為本, 建立立體化的教材體系。 本書適用于 “自動檢測技術(shù)” “ 傳感器技術(shù)” “傳感器原理及應(yīng)用” 等課程的理論教學(xué)。 本書編寫組已制作完成本課程的 PPT、 課后Ⅳ習(xí)題參考答案和精品課程網(wǎng)絡(luò)課堂, 為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供形式多樣的立體化教材體系, 盡量使學(xué)生的學(xué)習(xí)不受時間和空間的約束, 培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力以及分析問題和解決問題的能力。
本書可作普通高校應(yīng)用型本科中的測控技術(shù)與儀器、 自動化類、 電子信息類、 電氣類、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)的教材, 也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。
本書由張青春、 紀(jì)劍祥主編, 李洪海、 李華、 白秋產(chǎn)、 段衛(wèi)平、 付麗輝參與了本書的部分章節(jié)編寫和校對工作。 江蘇蘇儀集團(tuán)陳云副總經(jīng)理、 南京聚擎測控技術(shù)有限公司朱云云工程師、 武漢創(chuàng)維特科技有限公司丁林副總經(jīng)理分別對第 3 ~ 4 章、 第 9 章、 第 10 章提出了建議和意見, 本書參考文獻(xiàn)中所列出的各位作者以及眾多未能一一列出的作者為編著者提供了寶貴而豐富的參考資料, 在此表示誠摯的謝意。 同時, 對機(jī)械工業(yè)出版社的大力支持和幫助表示衷心的感謝!由于編者水平有限, 缺點和錯誤在所難免, 懇請各位專家和讀者不吝賜教, 以利于不斷完善。
編者郵箱: 1524668968@ qq. com。
編 者
前言
第 1 章 傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ) 1
1. 1 檢測技術(shù)概論 1
1. 1. 1 檢測技術(shù) 1
1. 1. 2 傳感器與檢測技術(shù)的作用與地位 1
1. 2 傳感器的定義及其分類 2
1. 2. 1 傳感器的定義與組成 2
1. 2. 2 傳感器的分類 2
1. 3 傳感器的基本特性 3
1. 3. 1 傳感器的靜態(tài)特性 3
1. 3. 2 傳感器的動態(tài)特性 6
1. 4 傳感器技術(shù)的發(fā)展 9
思考題與習(xí)題 10
第 2 章 測量誤差與數(shù)據(jù)處理 11
2. 1 測量誤差的基本概念 11
2. 1. 1 量值 11
2. 1. 2 誤差的表達(dá)方法 11
2. 2 誤差的分類及其來源 13
2. 2. 1 系統(tǒng)誤差 13
2. 2. 2 隨機(jī)誤差 13
2. 2. 3 粗大誤差 13
2. 3 測量誤差的處理 14
2. 3. 1 隨機(jī)誤差的處理 14
2. 3. 2 系統(tǒng)誤差的處理 16
2. 3. 3 粗大誤差的處理 17
思考題與習(xí)題 18
第 3 章 溫度傳感器 19
3. 1 熱電偶 19
3. 1. 1 熱電偶傳感器測溫原理 19
3. 1. 2 熱電偶的基本定律 22
3. 1. 3 熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類 23
3. 1. 4 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 25
3. 1. 5 熱電偶的實用測溫電路 26
3. 2 熱電阻 27
3. 2. 1 鉑熱電阻 27
3. 2. 2 銅熱電阻 28
3. 2. 3 熱電阻的測量電路 28
3. 3 熱敏電阻 29
3. 3. 1 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與特點 29
3. 3. 2 熱敏電阻的類型及其溫度特性 30
3. 4 輻射式溫度傳感器 30
3. 4. 1 輻射測溫的物理基礎(chǔ) 30
3. 4. 2 輻射式測溫方法 31
3. 5 集成溫度傳感器 32
3. 5. 1 集成溫度傳感器的工作原理及
分類 32
3. 5. 2 電壓型集成溫度傳感器
μPC616A / C 32
3. 5. 3 電流型集成溫度傳感器 AD590 33
3. 5. 4 數(shù)字型溫度傳感器 DS18B20 34
3. 6 溫度傳感器的應(yīng)用 34
3. 6. 1 NTC 熱敏電阻溫度控制 34
3. 6. 2 PTC 熱敏電阻自動延時電路 34
3. 6. 3 管道流量測量 35
3. 6. 4 集成溫度傳感器溫差測量 35
思考題與習(xí)題 35
第 4 章 力學(xué)量傳感器 37
4. 1 應(yīng)變式壓力傳感器 37
4. 1. 1 電阻應(yīng)變效應(yīng) 37
4. 1. 2 電阻應(yīng)變片的種類和結(jié)構(gòu) 38
4. 1. 3 電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路 39
4. 1. 4 電阻應(yīng)變片溫度誤差及其補(bǔ)償 42
4. 2 壓電式傳感器 44
4. 2. 1 壓電效應(yīng) 44
4. 2. 2 壓電材料 46Ⅵ
4. 2. 3 測量電路 47
4. 3 電容式傳感器 51
4. 3. 1 電容式傳感器的工作原理 51
4. 3. 2 電容式傳感器的測量電路 55
4. 3. 3 電容式壓力傳感器 57
4. 4 電感式壓力傳感器 57
4. 4. 1 自感式壓力傳感器 58
4. 4. 2 互感式壓力傳感器 62
4. 5 力學(xué)量傳感器的應(yīng)用 64
4. 5. 1 電阻式傳感器測量力、 重量和
加速度 64
4. 5. 2 壓電式傳感器測量力和加速度 68
4. 5. 3 電容式傳感器測量位移、 加速度、
厚度和液位 68
4. 5. 4 電感式傳感器測量壓力和加
速度 70
思考題與習(xí)題 72
第 5 章 聲波傳感器 74
5. 1 聲波概述 74
5. 1. 1 聲波 74
5. 1. 2 聲波的物理特性 74
5. 2 微波傳感器 76
5. 2. 1 微波傳感器的工作原理 77
5. 2. 2 微波傳感器的組成 77
5. 2. 3 微波傳感器的特點 78
5. 3 超聲波傳感器 78
5. 3. 1 超聲波及其特性 78
5. 3. 2 超聲波傳感器的分類 78
5. 4 次聲波傳感器 80
5. 4. 1 次聲波及其特性 80
5. 4. 2 次聲波傳感器的分類 80
5. 5 聲波傳感器的應(yīng)用 81
5. 5. 1 微波液位和濕度檢測 81
5. 5. 2 超聲波物位、 流量測量和無損
探傷 82
5. 5. 3 次聲波管道泄漏定位和災(zāi)害
預(yù)測 85
思考題與習(xí)題 86
第 6 章 磁敏傳感器 87
6. 1 磁電感應(yīng)式傳感器 87
6. 1. 1 磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理 87
6. 1. 2 磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路 89
6. 2 電渦流傳感器 89
6. 2. 1 電渦流傳感器的工作原理 89
6. 2. 2 電渦流傳感器的測量電路 91
6. 3 霍爾式傳感器 92
6. 3. 1 霍爾效應(yīng) 92
6. 3. 2 霍爾元件 93
6. 3. 3 霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償 94
6. 3. 4 霍爾式傳感器的基本測量電路 96
6. 4 半導(dǎo)體磁阻傳感器 96
6. 4. 1 磁阻效應(yīng) 96
6. 4. 2 磁敏電阻元件 97
6. 4. 3 磁敏電阻的溫度補(bǔ)償 97
6. 5 結(jié)型磁敏器件 98
6. 5. 1 磁敏二極管 98
6. 5. 2 磁敏晶體管 99
6. 6 磁敏傳感器的應(yīng)用 101
6. 6. 1 磁電感應(yīng)式振動速度傳感器和
電磁流量計 101
6. 6. 2 電渦流傳感器振幅、 轉(zhuǎn)速測量和
無損探傷 101
6. 6. 3 霍爾式傳感器位移、 轉(zhuǎn)速和功率
測量 102
6. 6. 4 交流電流監(jiān)視器 104
6. 6. 5 磁電式無觸點開關(guān) 104
思考題與習(xí)題 105
第 7 章 光電式傳感器 106
7. 1 光電式傳感器的類型和基本形式 106
7. 1. 1 光電式傳感器的類型 106
7. 1. 2 光電式傳感器的基本形式 107
7. 2 光電效應(yīng)與光電器件 107
7. 2. 1 外光電效應(yīng)及其典型器件 108
7. 2. 2 內(nèi)光電效應(yīng)及其典型器件 111
7. 2. 3 光生伏特效應(yīng)及其典型器件 114
7. 3 光纖傳感器 120
7. 3. 1 光纖的傳光原理及主要特性 121
7. 3. 2 光纖傳感器的組成和分類 122
7. 4 計量光柵傳感器 123
7. 4. 1 光柵的結(jié)構(gòu)和分類 123
7. 4. 2 光柵傳感器的工作原理 124
7. 4. 3 辨向與細(xì)分技術(shù) 127
7. 5 光電編碼器 128
7. 5. 1 工作原理 128
7. 5. 2 光電碼盤 129
7. 6 紅外傳感器 131Ⅶ
7. 6. 1 紅外輻射基本性質(zhì) 131
7. 6. 2 熱探測器 132
7. 6. 3 光子探測器 133
7. 7 CCD 圖像傳感器 133
7. 7. 1 CCD 的基本結(jié)構(gòu)和工作
原理 134
7. 7. 2 CCD 的特性參數(shù) 136
7. 7. 3 CCD 圖像傳感器的分類 137
7. 8 光電式傳感器的應(yīng)用 139
7. 8. 1 精密核輻射探測器 139
7. 8. 2 光電式火災(zāi)探測報警器 140
7. 8. 3 路燈自動控制器和樓道雙光控
延時開關(guān) 141
7. 8. 4 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速計 141
7. 8. 5 光纖溫度、 圖像和流量傳感器 142
思考題與習(xí)題 144
第 8 章 氣敏與濕敏傳感器 146
8. 1 氣敏傳感器 146
8. 1. 1 氣敏傳感器概述 146
8. 1. 2 半導(dǎo)體電阻式氣敏傳感器 147
8. 1. 3 接觸燃燒式氣敏傳感器 149
8. 1. 4 紅外吸收式氣敏傳感器 151
8. 1. 5 熱導(dǎo)式氣敏傳感器 153
8. 1. 6 熱磁式氣體分析傳感器 154
8. 2 濕敏傳感器 155
8. 2. 1 濕敏傳感器概述 155
8. 2. 2 電阻式濕敏傳感器 156
8. 2. 3 電容式濕敏傳感器 160
8. 2. 4 集成電容式濕敏傳感器
IH3605 161
8. 3 氣敏與濕敏傳感器的應(yīng)用 163
8. 3. 1 簡易家用氣體報警電路 163
8. 3. 2 便攜式礦井瓦斯超限報警器 163
8. 3. 3 有害氣體鑒別、 報警與控制
電路 163
8. 3. 4 酒精檢測報警器 164
8. 3. 5 汽車后風(fēng)窗玻璃自動去濕裝置 165
8. 3. 6 房間濕度控制器 165
8. 3. 7 鏡面水汽清除器 166
8. 3. 8 土壤缺水告知器 166
8. 3. 9 電容式谷物水分測量儀 167
8. 3. 10 重油含水量測量 168
思考題與習(xí)題 170
第 9 章 虛擬儀器 171
9. 1 虛擬儀器概述 171
9. 1. 1 虛擬儀器的組成 171
9. 1. 2 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 171
9. 1. 3 虛擬儀器的優(yōu)點 173
9. 2 LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)環(huán)境 173
9. 2. 1 LabVIEW 程序的基本構(gòu)成 173
9. 2. 2 LabVIEW 程序的特點 174
9. 3 虛擬儀器在工程中的應(yīng)用 176
9. 4 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集 177
9. 4. 1 數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)組成 177
9. 4. 2 數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 設(shè)備 177
9. 4. 3 DAQ 系統(tǒng)中的計算機(jī) 178
9. 4. 4 DAQ 系統(tǒng)中的軟件組件 178
9. 4. 5 使用 LabVIEW 連接測量硬件 178
9. 5 超越 PC 的虛擬儀器系統(tǒng) 183
思考題與習(xí)題 183
第 10 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng) 185
10. 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 185
10. 1. 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念 185
10. 1. 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理 185
10. 1. 3 無線傳感器節(jié)點構(gòu)成 186
10. 2 物聯(lián)網(wǎng) 187
10. 2. 1 物聯(lián)網(wǎng)的定義 187
10. 2. 2 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu) 187
10. 2. 3 物聯(lián)網(wǎng)的特點 188
10. 3 物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù) 189
10. 3. 1 近距離無線通信 189
10. 3. 2 遠(yuǎn)距離移動無線通信 190
10. 4 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用 191
10. 4. 1 智能交通物聯(lián)網(wǎng) 191
10. 4. 2 智能家居物聯(lián)網(wǎng) 193
10. 4. 3 智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 195
10. 4. 4 智能醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng) 195
思考題與習(xí)題 197
第 11 章 自動檢測系統(tǒng) 198
11. 1 自動檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 198
11. 1. 1 自動檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 198
11. 1. 2 自動檢測系統(tǒng)的組成 199
11. 1. 3 自動檢測系統(tǒng)的軟件 202
11. 2 自動檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計方法 204
11. 2. 1 系統(tǒng)需求分析 204Ⅷ
11. 2. 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 204
11. 2. 3 采樣頻率的確定 205
11. 2. 4 標(biāo)度變換 205
11. 2. 5 硬件設(shè)計 206
11. 2. 6 軟件設(shè)計 208
11. 2. 7 系統(tǒng)集成與維護(hù) 209
11. 3 自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計案例 209
11. 3. 1 智能人體電子秤 209
11. 3. 2 基于虛擬儀器直流電動機(jī)性能的
綜合測試系統(tǒng) 211
11. 3. 3 基于 ZigBee 建筑塔吊安全監(jiān)測
預(yù)警系統(tǒng) 216
11. 3. 4 基于 WSN 和 COMWAY 協(xié)議溫室
大棚參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 221
11. 3. 5 基于 GPRS 和 OneNet 水質(zhì)遠(yuǎn)程
監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng) 227
思考題與習(xí)題 241
參考文獻(xiàn) 242
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