檢測技術及應用

本書從理論及工程應用的角度, 系統地介紹了傳感器原理､ 檢測技術及其應用｡ 全書由 6 章組成｡ 第 1 章介紹了檢測技術的基本概念､ 誤差處理技術和檢測系統設計方法等基礎知識｡ 第 2 章介紹了傳感器的基本原理､ 靜動態特性, 常見的､ 應用廣泛的以及新型的傳感器, 如電阻式､ 電容式､ 電感式､ 壓電式､ 壓阻式､ 光纖傳感器和化學､ 生物傳感器等｡ 第3 章則重點闡述了獲得測量信號後, 如何對其進行變換和處理, 以獲得期望的工程數據｡ 第 4､ 6 章介紹了各種物理量的測量方法, 如温度､ 流量､物位､ 位移､ 壓力､ 成分與含量等及檢測技術工程應用實例｡ 第 5 章簡要介紹了現代檢測新技術, 以使讀者瞭解當前檢測技術的新發展｡ ^[1] 

本書既可作為自動化､ 電氣､ 電子專業的本科教材, 也可作為碩士研究生及相關工程技術人員的參考書｡

序 前

言

第 1 章 檢測技術基礎知識 1

1.1 檢測技術 1

1.1.1 檢測系統的基本結構和類型 1

1.1.1.1 檢測系統的類型 4

1.1.1.2 檢測系統的基本結構 5

1.1.2 檢測系統的設計原則 6

1.1.3 檢測系統的設計方法 7

1.1.4 檢測技術的現狀與發展 12

1.2 測量誤差及其分析 13

1.2.1 測量誤差的基本概念 14

1.2.2 測量誤差的分類 17

1.2.2.1 測量誤差的分類方法 17

1.2.2.2 精密度､ 正確度和準確度與

誤差的關係 18

1.2.3 檢測結果的數據分析及其處理 19

1.2.3.1 隨機誤差的處理 19

1.2.3.2 系統誤差的處理 23

1.2.3.3 粗大誤差的處理 24

第 2 章 傳感器原理 27

2.1 傳感器基礎知識 27

2.1.1 傳感器的定義 27

2.1.2 傳感器的組成 28

2.1.3 傳感器的分類 28

2.1.4 傳感器的基本特性 29

2.1.4.1 靜態特性 29

2.1.4.2 動態特性 34

2.2 阻抗型傳感器 40

2.2.1 電阻式傳感器 40

2.2.1.1 電位器式傳感器 40

2.2.1.2 應變式傳感器 42

2.2.1.3 熱電阻和熱敏電阻温度

傳感器 45

2.2.2 電容式傳感器 46

2.2.2.1 電容式傳感器的工作原理及

結構 47

2.2.2.2 電容式傳感器的等效電路 50

2.2.3 電感式傳感器 51

2.2.3.1 自感式傳感器 51

2.2.3.2 互感式電感傳感器 54

2.2.3.3 電渦流式傳感器 57

2.3 電壓型傳感器 59

2.3.1 磁電式傳感器 59

2.3.1.1 工作原理和結構形式 59

2.3.1.2 基本特性 61

2.3.2 壓電式傳感器 61

2.3.2.1 壓電效應及壓電材料 62

2.3.2.2 壓電式傳感器的等效電路 64

2.3.3 熱電偶温度傳感器 66

2.3.3.1 熱電效應 66

2.3.3.2 熱電偶基本定律 68

2.3.3.3 熱電偶結構和類型 69

2.3.3.4 熱電偶的測温電路及冷

端補償 70

2.3.4 光電式傳感器 73

2.3.4.1 光電效應 73

2.3.4.2 光電器件 75

2.3.4.3 光電器件特性 77

2.3.4.4 光電式傳感器的基本組成 80

2.3.5 霍爾式傳感器 81

2.3.5.1 霍爾效應和霍爾元件 81

2.3.5.2 霍爾式傳感器的基本測量電路及

連接方式 83

2.3.5.3 霍爾式傳感器的誤差分析與

補償 83

2.4 新型傳感器 85

2.4.1 光纖傳感器 85

2.4.1.1 光纖的基本知識 85

2.4.1.2 光纖傳感器的工作原理､

構成及分類 85

2.4.2 MEMS 傳感器 86

2.5 圖像傳感器 87

2.5.1 CCD 圖像傳感器 87

2.5.1.1 CCD 的 MOS 結構及存儲

電荷原理 87

2.5.1.2 CCD 的電荷的轉移與傳輸 88

2.5.1.3 CCD 的電荷讀出 89

2.5.1.4 CCD 攝像原理 90

2.5.2 CMOS 圖像傳感器 90

2.5.2.1 無源像素被動式傳感器 91

2.5.2.2 有源像素主動式傳感器 92

2.5.2.3 CMOS 圖像傳感器與 CCD 圖像

傳感器比較 92

2.5.2.4 固態圖像傳感器的

應用設計 93

2.6 半導體集成傳感器 94

2.6.1 半導體集成數字温度傳感器

DSB1820 的原理及應用 95

2.6.1.1 DSB1820 引腳結構及

性能特點 95

2.6.1.2 DSB1820 的工作原理 95

2.6.1.3 DSB1820 存儲器 96

2.6.1.4 DSB1820 的 ROM 指令 97

2.6.1.5 DSB1820 與單片機的接口

電路 98

2.6.1.6 基於 AT89S51 單片機與

DSB1820 的測温實例 98

2.6.2 數字温度傳感器 AD590 98

2.6.2.1 AD590 的主要功能特性 99

2.6.2.2 AD590 的工作原理 100

2.6.2.3 AD590 的應用電路 100

2.6.2.4 AD590 測量温度電路實例 102

2.7 化學､ 生物傳感器 104

2.7.1 化學傳感器 104

2.7.1.1 離子電極 104

2.7.1.2 極譜法 107

2.7.2 生物傳感器 107

2.7.2.1 生物學反應 107

2.7.2.2 生物傳感器 108

2.7.2.3 組成結構及功能 109

第 3 章 信號調理及數據處理 111

3.1 電橋電路 112

3.1.1 直流電橋 112

3.1.2 交流電橋 117

3.2 放大電路 119

3.2.1 對放大電路的要求 119

3.2.2 橋式放大電路 126

3.2.3 高輸入阻抗放大器 128

3.2.4 隔離放大器 139

3.2.5 可編程序增益放大器 144

3.2.6 電荷放大器 147

3.2.7 零漂移放大器 149

3.3 濾波電路 151

3.3.1 濾波器概述 152

3.3.2 典型有源濾波器 154

3.4 信號轉換電路 159

3.4.1 C /F 轉換和 R /F 轉換電路 159

3.4.2 V /F 和 F /V 轉換電路 160

3.4.3 V /I 轉換電路 163

3.5 計算機軟件處理 ( 誤差修正技術) 165

3.5.1 數字濾波技術 165

3.5.1.1 程序判斷濾波 166

3.5.1.2 中位值濾波 167

3.5.1.3 算術平均算法濾波 168

3.5.1.4 遞推平均濾波法 168

3.5.1.5 加權平均濾波法 169

3.5.1.6 低通濾波 170

3.5.1.7 高通濾波 171

3.5.1.8 複合濾波 171

3.5.2 非線性校正 172

3.5.2.1 非線性特性分類 173

3.5.2.2 改善非線性特性的方法 173

3.5.3 零點漂移的處理 176

3.5.3.1 方差､ 平均值法 177

3.5.3.2 零點漂移的處理方法 177

3.5.3.3 軟件算法設計 178

第 4 章 非電量測量 180

4.1 温度測量 180

4.1.1 測温方法 180

4.1.2 接觸式測温法 181

4.1.3 非接觸式測温法 183

4.1.4 温度變送器 185

4.2 物位測量 187

4.2.1 測量方法 188

4.2.2 靜壓式物位測量 189

4.2.3 浮力式物位測量 192

4.2.4 電容式物位測量 193

4.2.5 超聲波物位測量 194

4.3 流量測量 196

4.3.1 概述 196

4.3.2 容積式流量計 198

4.3.3 差壓式流量計 199

4.3.4 轉子流量計 204

4.3.5 渦輪流量計 206

4.3.6 電磁流量計 206

4.3.7 渦街流量計 209

4.3.8 超聲波流量計 210

4.4 壓力測量 211

4.4.1 概述 211

4.4.2 彈性元件式壓力錶 213

4.4.3 活塞式壓力計 216

4.4.4 壓力傳感器 217

4.4.5 壓力計的校驗和使用 221

4.5 位移測量 222

4.5.1 歐姆龍 E6A2 旋轉式編碼器在

角位移測量系統中的應用 222

4.5.1.1 歐姆龍 E6A2 旋轉式編碼器的

性能特點 223

4.5.1.2 關於歐姆龍 E6A2 旋轉式編碼

器測量角位移的應用 224

4.5.1.3 歐姆龍編碼器測量旋轉角位移

的應用電路及相關程序 224

4.5.2 電渦流式位移傳感器在線位移測量

中的應用 228

4.6 力與荷重的測量 234

4.6.1 力與荷重測量的主要誤差 234

4.6.2 力與荷重傳感器的選用原則 235

4.7 速度､ 轉速､ 加速度的測量 236

4.8 成分與含量的測量 238

4.8.1 濕度測量 238

4.8.2 氣體成分測量 239

4.8.3 液體成分 ( 離子､ 生物大分子､非溶性成分) 的測量 240

4.8.4 固體成分測量 241

第 5 章 現代檢測新技術 243

5.1 虛擬儀器 243

5.2 網絡化儀器和網絡化傳感器 245

5.3 多傳感器數據融合 245

第 6 章 檢測技術的應用實例 248

6.1 飛思卡爾智能車系統中的傳感器的

選擇及應用 248

6.1.1 路徑檢測傳感器 248

6.1.1.1 光電式傳感器 248

6.1.1.2 圖像傳感器 252

6.1.1.3 電磁式傳感器 254

6.1.2 測速傳感器 258

6.1.2.1 霍爾式傳感器檢測 258

6.1.2.2 光電編碼器 258

6.2 温室環境檢測系統中的傳感器

選擇及應用 261

6.2.1 温度檢測 261

6.2.2 濕度檢測 264

6.2.3 光照檢測 267

6.2.4 CO2檢測 267

附錄 269

附錄 A 鉑銠 10 - 鉑熱電偶 ( S 型)

E( t) 分度表 269

附錄 B 鎳鉻—鎳硅熱電偶 ( K 型)

E( t) 分度表 270

附錄 C Pt100 熱電阻分度表 272

附錄 D Cu50 熱電阻分度表 275

參考文獻 276