传感器技术及其应用实例

本书详细介绍了常见传感器的工作原理和基本特性，并针对每一类传感器给出了具体的应用实例。同时介绍了传感器应用中经常遇到的信号处理、线性化、与微处理器的连接以及抗干扰等实用技术，对新兴的传感器网络的系统构成、工作原理及应用实例也进行了详细介绍。全书内容共12章，其中第1～9章主要以测量对象种类为主线，依次全面系统地介绍了温度、湿度、红外、超声波、气敏、磁敏、光电、压电及压力等各类传感器的原理、结构、性能指标及其应用电路的设计；第10章介绍了传感器应用技术；第11章介绍了传感器网络的系统构成和工作原理，并给出了详细的应用实例；第12章结合通用传感器开发实验平台的实际案例，详细介绍了平台的设计、开发过程，进一步强化了实用的技术细节，增强了本书的实用性。
本书可供从事与传感器技术相关的研究开发、生产与应用的工程技术人员阅读，还可作为仪器仪表、工业自动化、自动控制、计算机及电子信息等专业的大学本专科学生和研究生的教材参考用书。

前言
第1章温度传感器1
1.1温度传感器的类型1
1.2电阻式温度传感器2
1.2.1金属测温电阻器2
1.2.2半导体热敏电阻5
1.3热电偶8
1.3.1热电偶的工作原理8
1.3.2热电偶的应用技术10
1.3.3热电偶应用实例14
1.4集成温度传感器17
1.4.1AD590及其应用17
1.4.2LM35及其应用20
1.4.3LM335/LM336及其应用23
1.4.4其他集成温度传感器及其应用25
1.5其他类型温度传感器29
1.5.1晶体振荡温度传感器29
1.5.2弹性表面波温度传感器30
1.5.3光纤温度传感器33
第2章湿度传感器37
2.1概述37
2.1.1湿度及其表示37
2.1.2湿度传感器的类型37
2.2湿度传感器的工作原理38
2.2.1湿敏电阻传感器38
2.2.2湿敏电容传感器39
2.2.3电解质式湿度传感器39
2.3湿度传感器的应用技术40
2.3.1湿度传感器应用电路设计要点40
2.3.2湿度传感器应用电路框图41
2.4湿度传感器的应用实例42
第3章红外传感器46
3.1红外传感器的原理46
3.1.1红外发光二极管（LED）和PIN光敏二极管46
3.1.2热电堆47
3.1.3热释电传感器51
3.2红外传感器的基本电路53
3.3热释电传感器的应用实例57
第4章超声波传感器61
4.1超声波传感器的原理与特性61
4.1.1超声波传感器的原理61
4.1.2超声波传感器的特性63
4.2超声波传感器的检测方式64
4.3常用超声波传感器66
4.3.1超声波流量传感器66
4.3.2超声位移传感器66
4.3.3超声温度传感器67
4.4超声波传感器的应用实例69
第5章气敏传感器76
5.1气敏传感器的类型及必备条件76
5.1.1气敏传感器的类型76
5.1.2气敏传感器的必备条件77
5.2气敏传感器的原理77
5.2.1半导体气敏传感器77
5.2.2固体电解质气敏传感器79
5.2.3红外线吸收式气敏传感器79
5.3气敏传感器的应用实例81
第6章磁敏传感器84
6.1霍尔传感器84
6.1.1霍尔元件的原理及特性84
6.1.2霍尔元件的基本电路85
6.1.3霍尔集成元件87
6.2磁阻元件89
6.2.1磁阻元件的结构与特性89
6.2.2磁阻元件的基本电路90
6.3磁敏二极管和磁敏晶体管91
6.3.1磁敏二极管的原理与特性91
6.3.2磁敏晶体管的原理与特性93
6.4其他磁敏传感器95
6.4.1舌簧触点元件95
6.4.2差动变压器96
6.4.3涡流式传感器97
6.5磁敏传感器的应用实例98
6.5.1霍尔元件的应用98
6.5.2磁阻元件的应用102
6.5.3磁敏二极管和磁敏晶体管的应用103
第7章光电传感器105
7.1概述105
7.2光敏二极管106
7.2.1光敏二极管的原理与类型106
7.2.2光敏二极管的特征及参数107
7.2.3光敏二极管的基本应用电路107
7.3光敏晶体管108
7.3.1光敏晶体管的结构和原理108
7.3.2光敏晶体管的特性109
7.3.3光敏晶体管的应用111
7.4光敏电阻113
7.4.1光敏电阻的结构和原理113
7.4.2光敏电阻的特性和参数113
7.4.3光敏电阻的应用115
7.5光电位置检测传感器（PSD）117
7.5.1PSD的结构和原理117
7.5.2PSD的特性119
7.5.3PSD的应用119
7.6太阳电池123
7.6.1太阳电池的原理与特征123
7.6.2太阳电池的特性123
7.6.3太阳电池应用实例127
7.7色敏传感器128
7.7.1色敏传感器的原理128
7.7.2色敏传感器的应用129
第8章压电传感器130
8.1压电效应130
8.1.1石英晶体压电特性130
8.1.2压电常数132
8.1.3石英晶片的应变形式134
8.2压电材料135
8.2.1压电晶体135
8.2.2压电陶瓷136
8.2.3新型压电材料137
8.3等效电路与测量电路138
8.3.1等效电路138
8.3.2测量电路139
8.4压电传感器的应用141
8.4.1压电传感器中压电片的连接142
8.4.2压电式力传感器142
8.4.3压电式压力传感器143
8.4.4压电式加速度传感器144
8.4.5压电传感器的应用实例146
第9章电阻应变式传感器149
9.1应变片的结构与类型149
9.2电阻应变式传感器的原理151
9.3应变式传感器的测量电路153
9.3.1电桥电路153
9.3.2电桥的线路补偿156
9.3.3应变式传感器性能分析157
9.4应变式传感器的应用设计实例160
9.4.1各种弹性元件的特性分析160
9.4.2应变式传感器的设计163
9.4.3应变式传感器的标定164
9.4.4供桥电压的选择165
9.4.5应变式传感器的电路补偿165
9.4.6称重电子秤设计实例167
第10章传感器的应用技术179
10.1传感器的供电电源179
10.1.1电池179
10.1.2直流稳压电源179
10.1.3直流电压变换器180
10.1.4偏置电路180
10.2传感器的放大电路181
10.2.1电流放大电路181
10.2.2电流-电压变换电路182
10.2.3反相放大电路182
10.2.4同相放大电路182
10.2.5差动放大电路182
10.2.6低漂移放大电路183
10.3滤波器电路184
10.3.1滤波器的种类184
10.3.21次和2次滤波器184
10.4同步整流187
10.4.1同步整流的主要用途187
10.4.2同步整流的方法187
10.5线性化188
10.5.1电阻补偿法188
10.5.2折线近似法189
10.5.3幂级数近似法189
10.5.4对数变换方式191
10.5.5正反馈法192
10.5.6查表法193
10.5.7软件和硬件结合的方法193
10.6传感器与微处理器的结合194
10.6.1传感器输出信号的类型194
10.6.2传感器输出的模拟信号的处理194
10.6.3传感器与计算机的接口199
10.6.4传感器中的数据处理201
10.7抗干扰技术204
第11章无线传感器网络209
11.1无线传感器网络概况209
11.1.1无线传感器网络的发展历程209
11.1.2无线传感器网络特点209
11.1.3无线传感器网络体系结构210
11.1.4无线传感器网络的应用211
11.2ZigBee无线传感器网络211
11.2.1ZigBee网络拓扑结构211
11.2.2ZigBee网络构建原理212
11.2.3ZigBee基本技术原理215
11.2.4ZigBee协议栈Z-Stack217
11.3ZigBee无线传感器网络开发环境221
11.3.1ZigBee协议栈Z-Stack开发环境配置221
11.3.2建立ZigBee新工程222
11.3.3建立和添加ZigBee应用程序224
11.3.4工程配置227
11.3.5程序的编译和下载228
11.4ZigBee无线传感器网络的应用实例228
第12章通用传感器实验平台开发实例239
12.1通用传感器实验平台概述239
12.2STC12C5A60S2单片机简介239
12.2.1STC12单片机I/O口结构240
12.2.2STC12C5A60S2系列单片机的A-D转换器241
12.2.3STC12C5A60S2串口通信243
12.3通用传感器实验平台硬件电路243
12.3.1STC单片机开发板244
12.3.2LED数码管显示、键盘电路、LCD显示模块247
12.3.3DS18B20温度传感器250
12.3.4GaAs光强监测传感器模块253
12.3.5MQ-5烟雾传感器模块254
12.3.6RFID模块、时钟模块DS1302256
12.3.7U盘、SD/TF卡接口259
12.3.8VS1003音频解码模块、音频信号采样260
12.4软件开发262
12.4.1Keil开发环境262
12.4.2LED数码管显示266
12.4.3A-D采样程序、键盘程序267
12.4.4STC单片机程序下载ISP268
参考文献273

前言随着电子技术特别是计算机技术的发展，当今的社会已处于信息化社会的兴盛时期。作为信息化社会的每一个成员，人们时刻都在进行着信息的产生、采集、传输及处理的活动中，作为获取信息的手段——传感器技术得到了长足的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 一方面，由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制；另一方面，实用中的传感器都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求。只有通过对传感器的原理和传感器应用实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。由于传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，因此各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。 为了满足当前传感器技术学习和应用的需求，我们本着新颖、实用、广泛和典型的原则编写了本书。书中系统地将传感器的基础知识与其应用有机结合，在详细讲述应用面较宽的传感器原理(如温度传感器、湿度传感器、红外传感器、超声波传感器、气敏传感器、磁敏传感器、光电传感器、压电传感器以及电阻应变传感器等)及其实际应用电路的基础上，对每一类传感器都给出了详细的应用实例，还针对每一种类型介绍了一些新型传感器以开阔视野、扩大知识面。此外本书还针对传感器应用中的一些共性问题，如传感器的供电，信号滤波、放大，线性化矫正，传感器与微处理器的连接、传感器网络以及传感器系统抗干扰技术等做了详细和全面的介绍。 全书内容共12章，其中第1～9章主要以测量对象种类为主线，依次全面系统地论述了温度、湿度、红外、超声波、气敏、磁敏、光电、压电及压力等各类传感器的原理、结构、性能指标及其应用电路的设计；第10章介绍了传感器的应用技术，包括传感器的供电电源、放大电路、滤波器电路、同步整流、线性化、抗干扰技术以及传感器与微处理器的结合等；第11章详细介绍了无线传感器网络，内容包括无线传感器网络介绍、基本技术原理、无线传感器网络开发环境及传感器网络应用实例；第12章结合通用传感器开发实验平台的实际案例，详细介绍了平台的设计、开发过程，进一步强化了实用的技术细节，增强了本书的实用性。 全书由王卫兵、张宏、郭文兰编著。本书的第1～4、9、10章由王卫兵编写；第6～8章由郭文兰编写；第5、11、12章由张宏编写；全书由孙宏高级工程师主审。徐松源教授和高峻山教授参与和组织了本书的编写工作，并提出了许多指导意见，在此表示感谢。 本书内容丰富、实用性强，在注重理论性和系统性的同时，又突出了解决实际问题的实用性，适合作为电子信息、物理、仪器仪表、工业自动化、自动控制及机电类专业的大学本科高年级学生和研究生的教材，也可供从事传感器技术的研究与开发、生产与应用的科技工作者和工程技术人员参考。 由于本书内容涉及物理学、化学、生物学和电子学等多学科的知识，加之编著者水平有限，难免有不妥和错误之处，敬请广大读者批评指正。 编者2015年7月