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作者：戴蓉,刘波峰等编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2013-01-01

书籍编号：30467139

ISBN：9787121189463

正文语种：中文

字数：185899

版次：1

所属分类：互联网+-人工智能

版权信息

书名：传感器原理与工程应用

作者：戴蓉　刘波峰

ISBN：9787121189463

版权所有 · 侵权必究

《全国高等院校仪器仪表及自动化类“十二五”规划教材》编委会名单

主 任：许贤泽

副主任：谭跃刚

刘波峰 郝晓剑 杨述斌 付 华

委 员：赵 燕 黄安贻 郭斯羽 武洪涛

靳 鸿 陶晓杰 杨书仪 李志华

秦 斌 王 欣 李德俊 孙士平

冯先成 白福忠 张国强 王后能

张雪飞 谭保华 郑红霞

前言

传感器作为信息获取的工具，在当今信息时代的重要性越来越为人们所认识。传感器技术是现代信息技术的支柱，是自动测控系统工作的重要保障。随着科学技术的发展，现代工业生产自动化程度的提高，以及人类对智能、舒适生活环境的追求，各领域对传感器的依赖性会越来越大。因此，传感器与传感器技术的研究、发展和应用已成为国内外重点发展的高技术领域，传感器技术也成为新技术革命的关键因素。掌握和应用传感器原理与技术，是相关工程技术人员必须具备的基本技能与素养。因此在高等院校的仪器科学与技术、机电工程、电信工程、自动化等学科专业都开设了传感器类课程。

本书在编写过程中，根据传感器理论及其技术的特点和专业基础课程的性质，遵循由浅入深、循序渐进的认知规律，打破国内同类教材的编写风格，将每章内容分为A、B两部分（除第9章外）。A部分按工作原理分类讲述传感器的工作原理、基本结构、特性参数、转换电路等基本知识，B部分结合传感器的工程应用对象讨论传感器应用中的共性技术、不同传感器的应用特点及系统构成原理，培养读者的实践应用能力和创新思维能力，为其日后从事测控技术及相关领域的工作奠定坚实的基础。同时，注重在内容上充分反映国内外传感器的最新发展和新型器件的应用。

本书一改传统的平铺直叙的写作方式，每章均用“引例”开篇，并配以相应的实物照片，图文并茂。在正文中用“特别提示”、“例题”、“应用示例”、“引例分析”等栏目对关键问题、重点内容、易混淆的概念进行提示和强化，并配合一定量的习题帮助读者更好地掌握每章的内容。此外，穿插于每章正文中的“阅读资料”栏目提供了传感器的发展历史、发展趋势、新产品等简介，使读者得以拓展知识面和掌握传感器的发展全貌。本书适合研究型、应用型等不同层次的高等教育要求，对工程技术人员也具有使用和参考价值。

全书共9章，第1、7章由武汉理工大学赵燕编写，第2、9章由武汉理工大学戴蓉编写，第3章由武汉理工大学陈霞编写，第4、8章由湖南大学刘波峰编写，第5章由武汉理工大学陈国良编写，第6章由湖北工业大学谭保华编写。全书由戴蓉和赵燕统稿。

本书承蒙武汉理工大学博士生导师谭跃刚教授主审，谭教授提出了很多宝贵意见和建议，在此表示诚挚的谢意！

本书在编写过程中参考并引用了同行和传感器生产企业的一些文献资料，在此对所引用的文献资料的作者表示衷心感谢！

传感器种类多，技术发展快，应用领域广。编者的学识水平有限，书中难免有疏漏、失误之处，恳请读者给予批评指正。

编 者

2012年5月

第1章 初识传感器

【教学要求】

通过本章学习，掌握传感器的作用和构成，掌握传感器的基本特性、技术指标及其选用原则等知识，了解传感器的发展动向及应用领域。

【引例】

什么是传感器?最原始最天然的传感器之一就是生物体的感官。在人体这个目前世界上最完美的“自动控制系统”之中，其“五官传感器”——眼、耳、鼻、舌和皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉的“感知”功能。人的大脑神经中枢通过“五官传感器”的神经末梢接受外界的信息，经过大脑的思维活动（信息处理），做出相应的动作或行为。人类要想获得更为丰富的信息，需要对研究对象、生产过程及产品研发中的各种物理现象和物理量进行观察与测量，这时依靠人的五官感知外界信息的能力就显得非常有限了，例如人眼就不是“千里目”。因此，各种类型的传感器就应运而生。

例图1-1所示是一款会骑自行车的小顽童机器人。别看个子小，它可是拥有许多独门绝活儿：可以超慢速直行、自动躲避障碍物、向后倒退、停而不倒……是什么技术让它能做到这些事情呢?原来在它身上安装了可保证在停止时不摔倒的陀螺传感器、能发现并回避障碍物的超声波传感器和感知路面高低差的振动传感器等。

例图1-1 骑自行车的小顽童机器人

小顽童机器人通过陀螺传感器测量水平方向的角速度和左右（摔倒）方向的角速度，计算出当前位置和倾斜度，就可在停止时利用放置于胸部的惯性轮的惯性力从而避免摔倒。陀螺传感器能敏锐地捕捉细微姿势变化，因此就算行走在独木桥上，它也能通过安装在眼睛位置的摄像头从图像中识别轨道的细微差别，从而能慢慢地直行。

当碰到凹凸不平的路面时，小顽童机器人的振动传感器将通过车身的振动来检测路面情况，帮助自行车慢速通过，这一技术也被用于实现笔记本电脑的硬盘保护功能。

当发现前方有障碍物时，安装在小顽童机器人胸部的第二副眼睛——超声波传感器能够发现并回避障碍物：右眼发出40kHz的超声波，左眼则捕捉这一反射波，通过其时间差来计算与障碍物之间的距离。该技术被广泛应用于汽车的倒车雷达等领域。

装在小顽童机器人胸前的MTC模块是利用双向无线通信技术的认证系统。携带内置MTC模块的无线钥匙，就可以自动验证个人身份，那么只要靠近小顽童机器人，“门”就会自动打开。在不久的将来，这种技术将成为安全管理的标准模式。

此外，小顽童机器人还装备有导航系统，可以按照预先设置好的路线行驶。这是利用陀螺传感器精确测定前进方向，并通过通信模块与控制计算机进行数据交换来实现的。

除了小顽童机器人身上的几种传感器的应用，例图1-2～例图1-4是我们在日常生活与生产实际中常见的几种传感器在不同设备中的应用。本书将向读者展示各种传感器在不同领域的神奇应用。

例图1-2 指纹锁

（指纹传感器）

例图1-3 安全带扣紧装置

（干簧管——磁传感器）

例图1-4 安全光幕视觉系统

（光电传感器）

A部分 传感器的基本概念

为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握，必须采取一系列检测技术措施来完成，这些措施的理论称为检测原理，其技术的物理实现就是检测装置或检测系统。一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。而传感器是自动检测系统的第一级装置，也是其核心部件。

1.1 传感器在自动测量中的作用

将人的行为动作控制与计算机自动控制过程作一比较，计算机相当于人的大脑，而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”），如图1.1所示。因此，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节和关键器件。

图1.1 人体与自动化测控系统的对应关系

图1.2展示的是大型桥梁的安全状况实时监测系统。通过光纤光栅传感器可以将温度、称重、斜拉索的索力、应变、线型、位移等多种反应桥梁安全状态的信号检测出来，通过数据层、信息层处理分析，可得到有巨大商业价值的应用层面。没有传感器，就无法获取数据和信息层，也就无法掌握桥梁安全状态。

图1.2 长江大桥安全检测系统

传感器除了广泛应用在航空航天、军事国防、海洋开发以及工业自动化等尖端科学与工程领域，同时也向着与人们生活密切相关的领域渗透。一辆中级轿车上装有50多个传感器，高级豪华轿车则需要100多个，这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统和导航系统中，包括压力传感器、位置和转速传感器、加速度传感器、距离传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。其中加速度传感器、振动传感器、速度传感器是汽车运动测量中的三种主要传感器。图1.3所示是汽车中应用的主要传感器示意。

图1.3 汽车中应用的主要传感器

此外，家用电器、生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、网络家居等领域，传感器的应用也非常广泛，新型的传感器层出不穷，方便和丰富着我们的生活。

【阅读资料】

作为一种代替人的感官的工具，传感器的历史比近代科学的出现还要古老。古埃及人在七千多年以前，就使用一种悬挂式的双盘秤作为测重的工具来称麦子，一直沿用到现在。在中国，秤的出现也很早。春秋中晚期，楚国已经制造了小型的衡器—木衡·铜环权，用来称黄金货币。利用液体膨胀特性的温度测量方法在16世纪就已经出现。以电学的基本原理为基础的传感器是在近代电磁学发展的基础上产生的，这种类型的传感器在电子技术、计算机技术和自动控制技术发展的推动下得到了飞速发展。

1.2 传感器的定义与组成

1.2.1 传感器的定义

根据中华人民共和国国家标准GB7665—1987，传感器（Transducer/Sensor）的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。其定义包含以下几个方面的意思。

（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，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量（原因在下面论述）；

（4）输入与输出有对应关系，且应有一定的精确度。

由于测控系统中的信号种类极其繁多，为了对各种类型的信号进行检测，传感器就必须尽量将被测信号转变为简单和易于处理与传输的二次信号。这样的要求只有电信号能够满足。因为电信号能较容易地利用电子仪器和计算机进行放大、反馈、滤波、微分、存储、远距离操作等处理。因此传感器作为一种功能模块又可狭义地定义为“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件”。

【特别提示】

传感器的定义和内涵是随着科技的发展而演绎的。目前，信息领域处在由电信息时代向光信息时代迈进的进程中，由于光信号比电信号具有更快的传输速度和更大的传输容量及更好的抗干扰性，因此，在光信息时代，传感器的定义也许会发展为将外界的输入信号变换为光信号的一类元件。

1.2.2 传感器的组成

传感器一般由敏感元件、转换元件、信号转换电路三部分组成，如图1.4所示。

图1.4 传感器的组成框图

（1）敏感元件：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。

（2）转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数（如电阻R，电感L，电容C）或电流、电压等电量。

（3）信号转换电路：将转换元件输出的电路参数接入信号调理电路并将其转换成电量输出。

实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。

有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有信号转换电路。

有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。

包含有信号转换电路的传感器一般称为变换器。因此，在不同的技术领域，传感器又可被可称做检测器、变换器、换能器等。

1.3 传感器的分类

传感器一般是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的。由某一原理设计的传感器可以同时测量多种非电量，而有时一种非电量又可用几种不同的传感器测量，因此传感器的分类方法有很多，一般可按如下几种方法分类。

1）按输入物理量分类

按输入物理量的性质进行分类，如速度传感器、温度传感器、位移传感器等，见表1-1。这种分类方法是按输入物理量命名的。其优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者选用。但是这种分类方法是将原理互不相同的传感器归为一类，很难找出每种传感器在转换机理上有何共性和差异。

表1-1 按输入物理量来分类

2）按工作原理分类

这种分类方法是将物理、生物和化学等学科的原理、规律和效应作为分类依据，如压电式、热电式、电阻式、光电式、电感式等，见表1-2。

这种分类方法的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，利于对传感器进行深入分析和研究。

表1-2 按传感器的原理来分类

3）按物理现象分类

这种分类方法将传感器分为结构型传感器和物性型传感器。所谓结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并将其转换为电信号从而实现测量的。如电容式压力传感器，必须有按规定参数设计制成的电容元件，在被测压力的作用下电容极板间隙发生变化，从而导致电容值变化，由此实现对压力的测量。早期的传感器都是结构性传感器，一般具有较大的体积、复杂的结构，必须依靠精密设计制作的结构以保证其工作性能。随着新材料、新工艺的发展，结构性传感器在

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