传感器与检测技术应用(微课版)

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