湿度传感器原理与应用
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水位传感器原理与应用
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第1章 绪论 1
1.1 传感器与现代测量系统 1
1.2 传感器的定义与组成 1
1.3 传感器的分类 2
1.4 传感器的基本特性 4
1.4.1 传感器的静态特性 4
1.4.2 传感器的动态特性 6
1.5 传感器的应用领域 13
1.6 传感器的发展趋势 14
本章小结 14
课堂互动内容 15
习题 15
第2章 光敏传感器 16
2.1 光敏传感器的基本效应 16
2.1.1 外光电效应 16
2.1.2 内光电效应 17
2.2 光敏二极管 18
2.2.1 基本结构与工作原理 18
2.2.2 光敏二极管的基本特性 19
2.2.3 典型元件(2DU系列) 19
2.2.4 典型电路设计举例 20
2.3 光敏电阻 20
2.3.1 基本工作原理 20
2.3.2 典型元件 20
2.3.3 典型电路设计举例 21
2.4 色敏传感器 22
2.4.1 基本工作原理 22
2.4.2 典型元件 23
2.4.3 典型电路设计举例 23
2.5 红外热释电传感器 24
2.5.1 基本工作原理与结构 24
2.5.2 典型元件 25
2.5.3 典型电路设计举例 25
本章小结 26
课堂互动内容 26
习题 26
第3章 电阻式传感器 28
3.1 电阻应变式传感器 28
3.1.1 基本工作原理 28
3.1.2 典型元件 36
3.1.3 典型电路设计举例 37
3.2 热电阻与热电偶 39
3.2.1 基本工作原理 39
3.2.2 典型元件 45
3.2.3 典型电路设计举例 46
3.3 热敏电阻 48
3.3.1 基本工作原理 48
3.3.2 典型元件 49
3.3.3 典型电路设计举例 49
本章小结 51
课堂互动内容 51
习题 52
第4章 电容式传感器 54
4.1 电容式传感器的工作原理 54
4.1.1 变极距型电容传感器 54
4.1.2 变面积型电容传感器 56
4.1.3 变介质型电容传感器 57
4.1.4 电容传感器的灵敏度 59
4.2 电容式传感器的测量电路 61
4.2.1 桥式电路 61
4.2.2 调频电路 62
4.2.3 差动脉冲宽度调制电路 62
4.3 电容式传感器的特点及误差分析 64
4.3.1 电容式传感器的特点 64
4.3.2 电容式传感器的误差分析 65
4.4 电容式传感器的应用 67
4.4.1 差动式电容压力传感器 67
4.4.2 差动式电容加速度传感器 68
4.4.3 差动式电容测厚传感器 69
4.4.4 电容式料位传感器 69
4.4.5 电容式液位传感器 70
4.4.6 电容式物位传感器 72
本章小结 73
课堂互动内容 73
习题 73
第5章 电感式传感器 75
5.1 自感式传感器 75
5.1.1 气隙型电感传感器 75
5.1.2 螺管型电感传感器 80
5.2 差动变压器式传感器 85
5.2.1 工作原理 86
5.2.2 特性分析 88
5.2.3 测量电路 90
5.3 电涡流式传感器 93
5.3.1 工作原理 94
5.3.2 等效电路 95
5.3.3 结构特点 96
5.3.4 测量电路 97
本章小结 100
课堂互动内容 100
习题 100
第6章 压电式传感器 103
6.1 压电式传感器概述 103
6.1.1 压电式传感器的作用 103
6.1.2 压电效应概念 103
6.1.3 压电传感器的特点 104
6.2 压电材料 104
6.2.1 石英晶体 104
6.2.2 压电陶瓷 106
6.3 压电材料及压电元件的结构 107
6.3.1 压电材料 107
6.3.2 压电元件的常用结构形式 108
6.4 压电式传感器测量电路 109
6.4.1 压电式传感器的等效电路 109
6.4.2 压电式传感器的测量电路 109
6.5 压电式传感器基本结构和应用特点 111
6.6 影响压电式传感器工作的主要因素 112
本章小结 114
课堂互动内容 114
习题 114
第7章 传感器接口电路 115
7.1 传感器信号的处理方法 115
7.1.1 传感器信号的特点 115
7.1.2 传感器信号的处理方法 116
7.2 传感器的典型接口电路 116
7.2.1 电桥电路 116
7.2.2 信号放大接口电路 122
7.2.3 A/D转换接口电路 132
7.3 噪声抑制电路 141
7.3.1 噪声来源分析 141
7.3.2 噪声抑制的方法 143
本章小结 145
课堂互动内容 145
习题 146
第8章 其他类型传感器 147
8.1 磁电式传感器 147
8.1.1 磁电式传感器的工作原理 147
8.1.2 磁电式传感器的作用 149
8.2 光纤传感器 150
8.2.1 光纤的结构及传光原理 150
8.2.2 光纤传感器应用 151
8.3 超声波传感器 152
8.3.1 超声波的基本知识 152
8.3.2 超声波传感器工作原理 154
8.3.3 超声波传感器的应用 154
8.4 CCD传感器 156
8.4.1 CCD的工作原理 157
8.4.2 CCD的应用 160
8.5 生物传感器 163
本章小结 166
课堂互动内容 166
习题 166
第9章 集成数字式传感器 167
9.1 DS18B20数字温度传感器 167
9.1.1 结构和工作原理 167
9.1.2 典型电路设计举例 169
9.1.3 基于单片机的软件编程 170
9.2 光强传感器TSL256x 174
9.2.1 结构和工作原理 174
9.2.2 典型电路设计举例 176
9.2.3 基于单片机的软件编程 177
9.3 MEMS数字集成加速度传感器 178
9.4 MPL115A数字集成压力传感器 179
9.4.1 结构和工作原理 179
9.4.2 MPL115A接口板电路 181
本章小结 182
课堂互动内容 183
习题 183
第10章 多传感器信息融合技术 184
10.1 多传感器信息融合技术概述 184
10.1.1 多传感器信息融合技术的概念 184
10.1.2 多传感器信息融合技术的发展 185
10.1.3 多传感器信息融合技术的应用领域 186
10.2 类型、数据特征及基本原理 187
10.2.1 传感器的类型及数据特征 187
10.2.2 多传感器信息融合的基本原理 187
10.3 结构层次与功能模型 188
10.3.1 多传感器信息融合的结构模型 188
10.3.2 多传感器信息融合的层次模型 189
10.3.3 多传感器信息融合的功能模型 189
10.4 多传感器信息融合的方法 190
10.4.1 多传感器信息融合的方法分类 190
10.4.2 随机类方法 190
10.4.3 计算智能方法 193
10.5 多传感器信息融合的发展 194
本章小结 195
课堂互动内容 196
习题 196
第11章 物联网技术 197
11.1 物联网概述 197
11.1.1 物联网概念 197
11.1.2 物联网形成过程 197
11.1.3 物联网功能特征 198
11.1.4 物联网与互联网 199
11.2 物联网技术体系框架 200
11.2.1 感知延伸层技术 201
11.2.2 网络层技术 201
11.2.3 应用层技术 202
11.2.4 共性支撑技术 202
11.2.5 物联网架构EPCglobal和UID 202
11.3 物联网关键技术与相关技术 204
11.3.1 物联网四大关键技术 204
11.3.2 物联网相关技术 208
11.4 物联网终端 211
11.4.1 物联网终端原理与作用 212
11.4.2 物联网终端的分类 212
11.4.3 物联网终端推广 212
11.5 物联网标准体系 213
11.5.1 标准化对象划分 213
11.5.2 标准化体系划分 213
11.5.3 物联网标准化研究进展 214
11.6 物联网应用与现状 215
11.6.1 物联网技术三大应用 215
11.6.2 全球物联网市场快速增长 216
11.6.3 中国物联网市场与应用 217
11.7 物联网应用案例 219
11.7.1 物联网解决方案的关键要素 219
11.7.2 具体物联网服务解决方案 219
11.8 未来展望——人类将进入物联网时代 222
11.8.1 具体物联网服务解决方案 222
11.8.2 “物联网”给物体赋予智能 222
11.8.3 实现“智能互联城市” 223
本章小结 223
课堂互动内容 224
习题 224
本书全面讲述了各类传感器工作原理，通过原理与应用实例相结合的方式，对各类传感器的典型电路设计举例进行了详细介绍。主要内容包括：电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电传感器、常用其他新型传感器。并在此基础上对多传感器融合技术以及物联网技术的发展进行了探讨，使读者对传感器技术发展与新技术应用情况有个全面了解。
本书内容丰富，取材新颖，技术实用，既可作为高等学校控制、检测、电工、机电一体化、计算机应用及相关专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，同时也可以作为广大从事控制和检测的研发工程师、专业技术人员，以及相关专业人员的工具书或培训教材。
按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为： 1.电学式传感器电学式传感...
原理及特点火电厂目前采用的料位传感器主要有重锤式、核辐射式、超声波式和电容式。1、重锤式料位传感器重锤式料位传感器由伺服电念头、悬有重锤的钢丝绳、料位发信装置以及带微机的显示仪表所组成。起动后，微机发...
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器. 该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面...
湿度传感器原理与应用
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水位传感器原理与应用
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水位传感器原理与应用
本书全面讲述了各类传感器工作原理，通过原理与应用实例相结合的方式，对各类传感器的典型电路设计举例进行了详细介绍。主要内容包括：电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电传感器、常用其他新型传感器。并在此基础上对多传感器融合技术以及物联网技术的发展进行了探讨，使读者对传感器技术发展与新技术应用情况有个全面了解。
本书内容丰富，取材新颖，技术实用，既可作为高等学校控制、检测、电工、机电一体化、计算机应用及相关专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，同时也可以作为广大从事控制和检测的研发工程师、专业技术人员，以及相关专业人员的工具书或培训教材。
内容简介
《传感器原理设计与应用》全面而系统地论述了各种传感器的基本原理、基本特性、信号调节电路以及它们在物理量、化学量、生物量、电量等测量中的应用。全书共22章。第一、二、三章为传感技术总论，介绍了传感器的基本概念、基本理论，传感器特性分析方法与标定方法；第四至第十章论述常见的、应用广泛的传感器，它们是电阻应变式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式和光电式等传感器；第十一至二十二章介绍国内外近年来研制与开发的新型传感器，它们是智能、光纤、图像、气体、湿度、红外、固态压阻、微波、超导、液晶、生物和机器人等传感器，反映了当代传感器技术的新发展与新成就。
《传感器原理设计与应用》可作为检测技术与仪器、自动控制、自动化仪表等专业的教材，亦可作为有关专业科学研究与工程技术人员的参考书。
1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。
金属电阻应变片的内部结构
电阻应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意:阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示:
式中:ρ--金属导体的电阻率(Ω·cm2/m)
S--导体的截面积(cm2)
L--导体的长度(m)
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压)，即可获得应变金属丝的应变情况。
2、陶瓷压力传感器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0~70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40~135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
3、扩散硅压力传感器原理及应用
工作原理
被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
4、蓝宝石压力传感器原理与应用
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。
蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变;蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性(1000 OC以内)，因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。
用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
表压压力传感器和变送器由双膜片构成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上(接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起)。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。
传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出(0-5，4-20mA或0-5V)。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。
5、压电压力传感器原理与应用
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失(这个高温就是所谓的"居里点")。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
传感器原理与应用内容提要