传感器与智能检测技术

本书为工业和信息化部“十四五”规划教材。
本书通过精选内容、归类编排的方法增强传感器课程教学的系统性，在编写过程中力求突出共性基础，以传感器功用为主线，着眼于传感器的选型、装调、测量数据分析等解决智能制造业中信息采集与转换等实际问题的知识和技能。
全书分为7个项目，采用模块化、任务式编排，分别介绍传感器与智能检测技术基础，典型物理传感器、化学传感器和生物传感器，着重介绍典型传感器的工作原理、特性及其在工程中的应用。

沈燕卿，教授，中国自动化学会会员、重庆人工智能学会会员，毕业于重庆大学控制理论与控制工程专业，长期从事检测技术与智能控制方面的学习和研究，现为《Neural Computing and Applications》等SCI期刊特约审稿人，《检测技术》精品课程负责人。主持或主研完成了基于混沌卡尔曼滤波的锂电池在线监测技术研究等省部级以上研究4项，教育部应用电子技术专业重量教学资源库《传感器应用》课程、重庆市特色专业骨干教师海外研修、电气自动化技术骨干专业建设、重庆市高等教育"质量工程”项目机电一体化专业机器人项目教学团队建设、重庆市优质高等职业院校建设等省部级及以上教改项目6项，以及百力通（重庆）发动机测试系统、直流电机智能控制器、智能电池容量监测仪等横向项目的研发;作为第一作者在《Energy Conversion and Management》等杂志发表了十多篇文章，其中SCI（中科院）一区核心期刊检录6篇，EI收录3篇；主编国家"十三五”职业教育规划教材《传感器技术》一部;另作为第一发明人申请并获授权专利3项。

项目1
传感器与智能检测技术基础 /1
任务1.1 传感器技术概述 /1
1.1.1 检测仪表与传感器 /1
1.1.2 传感器技术的地位及应用 /2
1.1.3 传感器的作用 /3
1.1.4 自动检测与控制系统 /4
1.1.5 传感器技术发展的历史、现状及发展趋势 /5
任务1.2 传感器的概念及命名 /8
1.2.1 传感器的定义及典型组成 /9
1.2.2 传感器的输出与仪器仪表 /9
1.2.3 传感器的分类 /10
1.2.4 传感器的命名及表示 /13
任务1.3 传感器的基本特性及技术指标 /14
1.3.1 传感器的静态特性技术指标 /15
1.3.2 传感器的稳定性及可靠性技术指标 /18
1.3.3 传感器的动态特性技术指标 /19
1.3.4 传感器的其他技术指标 /20
任务1.4 测量误差与测量结果表示 /21
1.4.1 真值 /21
1.4.2 测量误差的概念及分类 /22
1.4.3 测量结果的定性表示 /23
1.4.4 测量结果的定量表示 /24
任务1.5 测量误差分析和数据处理 /26
1.5.1 随机误差的统计特征和正态分布 /27
1.5.2 随机误差和测量值的数字特征 /28
1.5.3 随机误差的处理 /30
1.5.4 粗大误差的发现和处理 /31
1.5.5 系统误差的发现和处理 /33
1.5.6 直接测量数据的处理 /34
任务1.6 传感器的典型转换电路 /36
1.6.1 电桥电路 /36
1.6.2 放大电路 /37
1.6.3 滤波器 /39
1.6.4 振荡电路 /39
1.6.5 调制与解调电路 /40
任务1.7 传感器的安装与调试 /41
1.7.1 传感器的输出形式 /42
1.7.2 传感器的连接 /42
1.7.3 传感器的标定与校准 /44
1.7.4 传感器的通信 /46
任务1.8 智能传感器 /47
1.8.1 智能传感器的概念与发展历程 /48
1.8.2 智能传感器的构成及功能 /48
1.8.3 智能传感器的实现途径 /49
1.8.4 智能传感器案例 /51
习题 /53

项目2
热学量传感器 /56
任务2.1 温标及测温方法 /56
2.1.1 温标 /57
2.1.2 温度的检测方法及分类 /58
任务2.2 热膨胀式温度计 /60
2.2.1 液体膨胀式温度计 /60
2.2.2 固体膨胀式温度计 /61
2.2.3 压力式温度计 /62
任务2.3 电阻式温度传感器 /63
2.3.1 金属热电阻传感器 /63
2.3.2 半导体热敏电阻传感器 /66
2.3.3 电阻式温度传感器的应用 /67
任务2.4 热电偶传感器 /70
2.4.1 热电偶传感器的工作原理 /71
2.4.2 热电偶工作的基本定律 /72
2.4.3 热电偶的种类、结构形式和特点 /74
2.4.4 热电偶传感器的冷端延长 /77
2.4.5 热电偶传感器的冷端补偿 /78
2.4.6 热电偶传感器的应用 /80
任务2.5 辐射式温度传感器 /83
2.5.1 辐射式测温的基本原理 /83
2.5.2 辐射式温度传感器的典型组成 /84
2.5.3 常见的辐射式温度传感器 /84
2.5.4 辐射式温度传感器的应用 /85
任务2.6 其他温度传感器 /86
2.6.1 PN结型温度传感器 /86
2.6.2 电容式温度传感器 /86
2.6.3 谐振式温度传感器 /87
2.6.4 热色式温度传感器 /87
2.6.5 超声波式温度传感器 /87
2.6.6 微波式温度传感器 /87
2.6.7 光纤式温度传感器 /88
2.6.8 测温方法总结 /88
任务2.7 智能温度控制系统与温度传感器的特性测试 /88
2.7.1 智能温度控制系统的调试 /89
2.7.2 电阻式温度传感器的特性测试 /90
2.7.3 热电偶式温度传感器的特性测试 /92
2.7.4 PN结型温度传感器的特性测试 /92
习题 /94

项目3
光、磁与电学量传感器 /97
任务3.1 光学量传感器 /97
3.1.1 光电效应及光敏元件 /98
3.1.2 光敏元件的基本应用电路 /107
3.1.3 光学量传感器的应用 /109
任务3.2 磁学量传感器 /112
3.2.1 电磁感应式传感器 /113
3.2.2 霍尔传感器 /115
3.2.3 磁阻传感器 /119
3.2.4 结型磁敏传感器 /121
3.2.5 磁学量传感器的应用 /121
任务3.3 电学量传感器 /122
3.3.1 电流传感器 /122
3.3.2 电压传感器 /125
3.3.3 功率传感器 /127
3.3.4 频率传感器 /129
3.3.5 电学量传感器的应用 /130
任务3.4 光纤传感器 /131
3.4.1 传光型光纤传感器 /131
3.4.2 传感型光纤传感器 /133
3.4.3 光纤传感器的应用 /134
任务3.5 光、磁学量传感器的应用及特性测试 /136
3.5.1 光学量传感器的特性测试 /136
3.5.2 光电式转速控制系统调试 /137
3.5.3 霍尔传感器测位移 /138
3.5.4 霍尔传感器测转速 /138
3.5.5 电磁感应式传感器测转速 /139
3.5.6 光纤传感器测位移 /139
3.5.7 光纤传感器测转速 /140
习题 /141

项目4
位移传感器与物位传感器 /144
任务4.1 电位器式传感器 /145
4.1.1 电位器式传感器的结构及工作原理 /145
4.1.2 电位器式传感器的应用 /146
任务4.2 电感式传感器 /146
4.2.1 自感式传感器 /147
4.2.2 差动变压器式位移传感器 /152
4.2.3 自感式与差动变压器式传感器的应用 /154
4.2.4 电涡流式传感器及其应用 /157
任务4.3 电容式传感器 /161
4.3.1 电容式传感器的工作原理和特性 /161
4.3.2 电容式传感器的转换电路 /166
4.3.3 电容式传感器的应用 /168
任务4.4 超声波传感器 /171
4.4.1 超声波及其物理性质 /172
4.4.2 超声波传感器的结构及分类 /173
4.4.3 超声波传感器的发射和接收电路 /174
4.4.4 超声波传感器的应用 /175
任务4.5 数字式位移传感器 /181
4.5.1 编码器及其应用 /181
4.5.2 光栅传感器及其应用 /184
4.5.3 磁栅传感器 /187
4.5.4 其他电磁感应式位移传感器 /188
任务4.6 物位传感器 /189
4.6.1 接触式物位传感器 /190
4.6.2 接近开关的类型及工作原理 /190
4.6.3 接近开关的特点及主要性能指标 /193
4.6.4 接近开关的选型及应用 /193
任务4.7 位移传感器的应用及特性测试 /194
4.7.1 差动螺线管式传感器的标定及频率特性测试 /194
4.7.2 差动变压器式传感器的标定及频率特性测试 /195
4.7.3 电涡流式传感器的标定及频率特性测试 /196
4.7.4 电容式传感器的标定及位移特性测试 /197
4.7.5 超声波传感器的标定及位移特性测试 /198
习题 /198

项目5
力学量传感器 /202
任务5.1 电阻应变式传感器 /202
5.1.1 应变片的构成及工作原理 /203
5.1.2 应变片的布片和组桥形式 /204
5.1.3 温漂及其补偿 /206
5.1.4 应变片的选用与粘贴 /207
5.1.5 电阻应变式传感器的应用 /207
任务5.2 压电式传感器 /209
5.2.1 压电式传感器的工作原理 /210
5.2.2 压电材料 /210
5.2.3 压电式传感器的转换电路 /211
5.2.4 压电式传感器的应用 /214
任务5.3 其他力敏传感器 /216
5.3.1 谐振式力敏传感器 /216
5.3.2 压磁式力敏传感器 /217
5.3.3 差动变压器式力敏传感器 /217
5.3.4 电容式力敏传感器 /218
任务5.4 力学量传感器的应用及特性测试 /218
5.4.1 金属箔式应变式传感器称重 /219
5.4.2 半导体压阻式传感器测压力 /220
5.4.3 压电式传感器的标定 /220
习题 /221

项目6
化学传感器与生物传感器 /224
任务6.1 气体传感器 /225
6.1.1 气体传感器的分类 /225
6.1.2 电阻式气体传感器 /226
6.1.3 气体传感器的应用 /227
任务6.2 湿度传感器 /229
6.2.1 湿度及其表示 /229
6.2.2 湿度的测量 /230
6.2.3 湿度传感器的应用 /231
任务6.3 离子传感器 /233
6.3.1 离子传感器的结构与分类 /233
6.3.2 电极型离子传感器 /234
6.3.3 场效应晶体管型离子传感器 /234
6.3.4 离子传感器的应用 /234
任务6.4 生物传感器 /235
6.4.1 生物传感器概述 /236
6.4.2 生物传感器的发展历程 /236
6.4.3 生物传感器的特点 /237
6.4.4 典型生物传感器及其应用 /238
6.4.5 生物传感器的发展趋势 /239
任务6.5 气体传感器与湿度传感器的特性测试 /239
6.5.1 气体传感器的特性测试 /240
6.5.2 电阻式湿度传感器的特性测试 /240
习题 /241

项目7
传感器技术综合应用 /243
任务7.1 传感器与智能家居 /243
7.1.1 智能家居的发展历程 /244
7.1.2 基于物联网的智能家居 /244
7.1.3 智能家居中的传感器 /246
7.1.4 智能家居的发展趋势 /248
任务7.2 传感器与现代汽车 /248
7.2.1 传感器在汽车发动机中的作用 /249
7.2.2 传感器在底盘控制中的应用 /251
7.2.3 传感器在车身控制中的应用 /251
7.2.4 传感器在汽车环境感知中的应用 /252
7.2.5 传感器在汽车自动驾驶中的应用 /252
7.2.6 汽车传感器的发展趋势 /253
任务7.3 传感器与机器人 /254
7.3.1 机器人的概念、构成及分类 /254
7.3.2 机器人中的传感器 /256
7.3.3 机器人内部传感器 /257
7.3.4 机器人外部传感器 /258
7.3.5 机器人及其传感器的发展 /262
习题 /262

附录 /265