传感器原理及检测技术

传感器原理及检测技术传感器原理及检测技术王君凌振宝编吉林大学出版社内容简介本教材主要讲述物理量喻测中所使用的传感器,主要内容为各种传感器的工作原理、传感器的结构、主要参数、检测司路及其典型应用本教材共分为九章:第一章绪论,论述∫传感器的地位和作用、定义、分类、发展嶝势、选用原则、一般特性等一些基础知识。第二平至第六章分别介绍了磁敏传感器、温度传感器、光电传感器、力敏传感器和一些其他类型的传感器。第七章介绍了多传感器信息融合技术。第八章介绍了传慼器与处理电路接口所箭的检测电路,讨论了各种放大器电路。第九章介绍了现代检测系统。本教材适用于本科测控技术与仪器、电子信息工程、电气工程及其自动化等专业使用。也可供相关专业的教师、学生及工程技术人员参考。图书在版编目(CmP)蠍据传感器原理及检测技术)凌振宅编着,长春:吉林太学出版社,2003.9ISBN7561—2925-传…Ⅱ.凌…I传感器高等学校一教材Iv. TP212中国版本图书馆CP数据核字(2第07156号传感器原理及检测技术王君凌振笔编责任编辑、责江校对:唐万新封面设计:孙群吉林大学出版社出版吉林大学出版社发行〈长春市明德路3号)吉林农业大学印刷厂印刷开本:783×9毫米1/62003年9月第1版印张:23.375203年9月第1次印刷字数:490千字印数:1-3000册IsBN75601-2925-0TN·17定价:300元前言本教材是根据吉林大学“十五”教材规划立项而编写的随着科学技术的发,传感器技术越来越备受重视、广泛应用在日常生活、航空、航天交通运输,机械制遺、化工、轻工、生物医学工程、自动化检测工程及计量等各领域:末来社会是信息社会,而信息技术的三大基础是信息的采集、传输和信息的处理,也就是传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器技术已成为信息技术发展的瓶颈问题,因此,目前传感器技术在日、美、俄等发达国家及我国都被列为重点发展技术。考虑到专业课程设置的安排和传感器的特殊性,在本教材中加入了检测技术方面的内容,所以将其定名为传感器原理及检测技术》。本课程的前身《传感器原理》管被学校评为一类课,获长春科技大学教学等奖,1993年和99年分别由地质出版社出版了“八五”规划教材和配套的音像教材。本教材是在2002年校内教材的基础上整理编写的。本教材主要讲述物理量检测屮所使用的传感器,主要内容为各传感器的作原理、传感器的结构、主要参数、检测电路、典型应用及检测技术本教材共分为九章:第一章绪论,论述了传感器的地位和作用、定义、分类、发展趋势选用原则、一般特性等一些基础知训;第二章至第六章分别介绍了磁敏传感器、温度传感器、光电传感器、力敏传感器和其他类型的传感器:第七章介绍了多传感器融合信息技术;第八章介绍了传感器处理电路接口所需的检测电路,讨论了各种放大器电路;第九章介绍了现代检测系统,使读者刈传感器技术与检测技术的现状和木来发展勺全面的了解本教材的特色在于:第·,将传感器及检测技术有机地结合在一起,使学生能够更全面地学习和掌握传感器工作原理、信号采集、信号变换、信号处理及信号传输的整个过程;第,在所介绍的传感器中,对不同种类的磁敏传感器结合其应用做了较为详细的介绍;第三,与本教材配套有《传感器原理及检测技术——实验指导书与习题集》一书,使学生更容易学习和掌握本课程的内容本教材适用于本科测控技术与仪器、电子信息工程、电气工程与自动化等专业使用。也可供相关专业的教师、学生及工程技术人员参考。参加本教材编写工作的有古林大学的王君、凌振宝;长春理工大学的刘智参与第四章的部分内容编写。刘希芳教授刈本教材的整体结构和内容进行了深人细约的审阅,并提出了宝贵的修政意见。本教材在编写过程中参阅和引用了大墨有关文献和教材。在此,谨向这些套考资料的作者和所有给予本教材以帮助的人表示衷心感谢由于編者水平所限,书中难免有错误和不妥之处,恳请读者予以指正并提出修改意。编者于吉林大学科学仪器系2002午12月目录箅一章绪论……第一节传感器的地位和作用第二节传感器的定义第三节传感器的组成第四节传感器的分类123甲■甲●D甲●日p甲《唱p■■pd唱■■看Dd画e口血自唱c第五节传感器的发展趋势b■血晶山h(第六节传感器的选用原则甲日昏↓鲁『昏亻4矗1■b■鲁1h鲁昏晶_b1第七节传感器的一穀特性…10)第二章磁敏传盛器…第一节质子旋进式磁敏传感器…會1雪■■1■■會會血【個(20第二节光泵式藏敏传感器·自鲁和日·中甲中··會P甲1P平冒平平P129)第三节SQUD磁敏传感器42)第四节磁通门式磁敏传感器中·:=L(S5)第五节感应式磁敏传感器…(64)第六节半导体磁敏传感器………(7)第七背祝硪式磁敏传感器·94)第二章潤度传毖器〔97)第节概论…………p甲甲■甲看………(97)第二节热电偶温度传感器(102)第三节热敏电阻温度传感器甲!·甲·早P··譬早4平■■■日4}1b日bb卜如日■日b·■··番1C113)第四节温庭传感器(23)第五节其他温康传感器(130第四章光电传盛(136)第·节慨述(B36)第二节外光电效应器件…………………………………………〔l44)第三节内光电效应器件……………………;"……"……:…∴(147第四节其他光电传感器………………………………!(160)第五节光电传感器的应用举例■_山啬啬b凸·■(16s)第五章力敏传器……(171)第一节应变式传感器……171)第二节电感式传感器…………(195)第三节电容式传感器…甲甲P口甲……………(223)第四节压电式传感器甲4甲!■1冒【P■4…………(234)第六章其他种类的传…(251)第一节光纤传感器血■■●■咖萨■咖■甲■呻晷『q■着■即_甲■■4■■■L■着■』着■郾■山↓—■着■(251)第二节气敏传感器……………(267)第三节湿度传感器…(278第七章多传盛舒倍息醢含技术………………(291)第一节概述(291)第二节传感器信息恧合的分类和结构山L■q喜L(292)第三节传感器信息融合的一般方法(295第四节传感器信息融合的实例298)第八章检划电路…(302第一节电压和电流放大电路……(302第二节测量电桥及其放大电路……咖申p·D自幽自白■自■血聊■p看幽·白■■甲·甲·即1·口『甲■罪即即 d罪●p啁(310第三节低溟移直流放大器……■■;■bd··■旷■晶血吾dh·h甲D■西■■………·〔312第四苦高输入阻抗放大器………328〕第五节低噪声放太电路■山■▲336第九章现代检测统……………346)第一节计算机检测系统的基本组成……………(346)第二节总线技术……………………………(351)第三节虚拟仪器……359)第四节网络化检测仪器……p■………………………(363)参考文献…(367第一章绪论第一节传感器的她位和作用人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官,而单人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了.为适应这种情况,就需要传感器.因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官新技术革命的到来,世界开始进人信息时代.在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取推确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产域中信息的主要途径与手段在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来检测、监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量.因北可以说,没有众多种类的伏良的传感器,现代化生产也就失去了基础在基学科研究中,传感器更具有突出的地位.现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上观察小到M0-13cm的粒子世界,纵向上要观察长达数十力年的天体演化,短到10s的瞬间反应.此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高超高真空、超强磁场、超弱磁场等等.显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息没有相适应的传感器是不可能的许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破.一些传感器的发展,往往是…些边缘学科开发的先驱传感器早已滲透釗诸奶工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境倸护、资源查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域.可以毫不夸张地说,从茫茫的太空鉗浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项日,都离不开各种各样的传感器由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的.世界各国都十分重视这-领域的发展.相信木久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平第二节传感器的定义我国国家标准(GB7665-87中对传感器( Transducer/Sensor)的定义是:“能够感受规定的被测量并按照定规律转换成可用输出信号的器件或装置”它是一种以一定的精确庋把被测量(被测信息)转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置或器件这一定义包含」以下几方面的意思:①传感器是测量装置,能完成检测任务;②它的输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等;③它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等等,这种量可以是气、光、电物理量,但主要是电物理量;④输出输入有对应关系,且应有·定的精确程度关于传感器,我国曾出现过多种名称,如发送器、传送器、变送器、检测器、探头等,它们的内涵相同或相似,所以近来已逐渐趟向统一,大都使用传感器这一名称了,从字面上可以作如下解释:传感器的功用是一感二传,即感受被测信息并传送出去第三节传感器的组成传感器一般由敏慼元件、转换元件、基本转换电路三部分组成,组成框图见图13-1被测重「敏感元件转换元件基本转换电路电囝L.3传盛语组成框图敏感元件:它是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件.图132是一种气体压力传感器的示意图.膜盒2的下半部与壳体1接,上半部通过连杆与磁芯4相连,磁芯4置于两个电感线團3中,后者接人转换电路5.这里的膜盒就是敏感元件,其外部与大气压力p相通,内部感受被测压力p.当p变化时,引起膜盒上半部移劬,即输出相应的位移量4转换元件:敏感元件的输出就是它的输入,它把输入转换成电路参量.在图132中,转换元件是可变电感线输團3,它把输入的位移量转换成电感的变化基本转换电路:上述电路参数接入基本转换电路(简称转换电路),便可转换成电量输出.传感器只完成被测204参数至电量的基本转换,然后输入到测控电路,进行放大、运算、理等进一步转换,以获得被测值或进行过程P控图132气体压力传感器亮体,2腻盒,3电感线圖,实际上,有些传感器很简单,有些则较复杂,大多数4磁芯5卖换电路是开环系统,也有些是带反馈的闭环系统最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量耐直接输出电量,如热电偶就是这样.如图1.33所示,两种不同的金属材料A和B,一端联接在一起,放在被测温度为T环境中,另端为参考,温度为T,则在回路中将产生一个与温度T,Tu有关的电动势,从而进行温度测量133电惘1.34压电式加還度传感器有些传感器由敏感元件和转换元件组成.如图134所示的压电式加速度传感器,其中质量块m是敏感元件,压电片块)是转换元件.因转换元件的输出已是电量,故无需转换电路有些传感器,转换元件不只…个,要经过若干次转换.敏感元件与转换元件在结构上常是组装在…起的,面转换电路为了减小外界的影响也希望和它们装在一起,不过由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中,因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号,从而决定了转换电路是传感器的组成环节之第四节传感器的分类传感器是知识密集、技术密集的行业,它与许多学科有关,它的种类十分繁多,为了很好地掌握它、应用它,需要有一个科学的分类方法下面将目前广泛采用的分类方法作一简单介绍,首先,按传感器的工作机理,可分为物埋型、化学型、生物型等本课程主要讲授物理型传感器,在物理型传感器中,作为传感器工作物理基础的基本定律有场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律等其次,按构成原理,可分为结构型与物性型两大类结构型传感器是利用暂理学中场的定律构成的,包括动力场的运动定律,电磁场的电磁定律等.物理学中的定律般是以方程式给出的,对于传感器来说,这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型.这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础,而不是以材料特性变化为基础物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等.物质定律是表示物质某种容观性质的法则.这种法则,大多数是以物质本身的常数形式给出.这些常数的大小,决定了传感器的主要性能,因此,物性型传感器的性能随材料的不同而异.例如,光电管就是物性型传感器,它利用了物质法则中的外光电效应,显然,其特性与涂在电极上的材料有着切的关系,又如,所有半导体传感器,以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导仁、陶瓷、合金等性能变化的传感器,都属于物性型传感器此外,也有基于守恒定律和统计定律的传感器,但为数较少第三,据传感器的能量转换情况,可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器飴量控制型传感器,在信总变化过程中,其能量需要外电源供给.如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器.基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应戳尔效应等的传感器也属于此类传感器能量转换型传感器,主要由能量变换元件构成,它不需耍外电源.如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器第四,按照物理原理分类,可分为()电参量式传感器.包括电阻式、电感式、电容式等二个基本型式(2)憾电式传感器.包括磁电感应式、霍耳式、磁栅式等(3)压电式传感器.(4)光电式抟感器.包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等(5)气电式传感器(6)热电式传感器