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传感器与检测技术(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载

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书名:传感器与检测技术(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:徐科军编

出版社:电子工业出版社

出版时间:2011-09-01

书籍编号:30466724

ISBN:9787121146534

正文语种:中文

字数:182869

版次:3

所属分类:互联网+-人工智能

全书内容:

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第3版前言


在工农业生产、科学研究、国防建设和日常生活中,人们需要测量外部世界的一些非电量,例如,位移、速度、加速度、力、力矩、温度、压力、流量和成分等,以便及时、准确地获得信息,这就必须合理选择和善于应用各种传感器和检测仪表。对于电气信息类专业和自动化专业,信息是基础,而传感器是获取信息的器件;控制是核心,而自动检测是实现控制的前提和条件;立足于系统,而检测系统是系统的反馈环节。在过程控制中,需要检测温度、压力、物位、流量和成分;在运动控制中,需要检测位置、转速和力矩;所以,有“无传感器,就无控制”之说。本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材和2009年普通高等教育国家精品教材,是作者在多年从事传感器及仪器仪表教学和科学研究的基础上编写的。本书在讲清基本概念、基本理论的基础上,强调工程的概念,从工程的角度出发来编写教材,而不仅仅作为知识点的介绍,同时注重近年来本领域理论和技术的发展,根据本科教学的需要,有选择性地将部分新方法和新技术编入本教材中。


全书内容分4个部分。第一部分介绍自动检测技术的基本知识,包括测量误差和数据处理的基本知识、传感器静动态特性及标定知识;第二部分系统地介绍各种传感器的原理、结构和应用,目的在于培养学生使用各类传感器的能力;第三部分介绍传感器在工程检测中的应用,将传感器和工程检测方面的知识有机地结合起来,以温度检测、流量检测和成分检测为例,使学生能够进一步应用传感器方面的知识解决工程检测中的具体问题;第四部分介绍自动检测中的共性技术和新发展。


本书的第1版作为“新编电气与电子信息类本科规划教材”之一于2004年出版。天津大学检测技术与自动化装置国家重点学科带头人、博士生导师王化祥教授担任主审。王化祥教授仔细审阅了书稿,并提出了许多宝贵的指导意见。在第1版编写中,合肥工业大学陈荣保副教授和王文博讲师以及安徽大学孙伟副教授对本书提出了许多好的建议。本书第1版和第2版出版后,被国内很多高校选作教材,使用情况及效果良好,受到同行和专家好评。为了适应传感器与检测技术发展形势的需要,以及适应新形势下本科教育的需求,我们对第2版进行了修订,从有利于学生系统地掌握传感器与检测技术的理论知识和提高实际动手能力出发,较大篇幅地修改了“电荷耦合器件”、“热电偶传感器”、“超声流量计”、“质量流量计”部分,使其内容更加准确和更容易理解;删除了“压磁传感器”和“磁性氧量分析仪”部分;增加了“测量不确定度”;将“变阻抗式传感器”改为“变电抗式传感器”,考虑到电涡流传感器也是基于变互感原理的,所以将电涡流传感器放在电感式传感器后面介绍;增加了“测量不确定度”。在此次修订中,合肥工业大学鲁照权教授和内蒙古科技大学杨立清副教授提出了许多宝贵的建议和意见。


本书由合肥工业大学徐科军担任主编,浙江大学宁波理工学院马修水、太原理工大学李晓林、内蒙古科技大学李文涛和天津理工大学李莲担任副主编。马修水编写1.1~1.3节、3.1~3.2节、3.4节和第8章;李晓林编写第5章、6.3节和7.1~7.3节、7.5~7.7节;李文涛编写1.4~1.5节、第2章、6.2节和9.2节;李莲编写3.3节和第4章;徐科军编写6.1节、6.4节,7.4节、9.1节和9.3~9.6节。全书由合肥工业大学徐科军统稿。


在本书编写的过程中,参阅了许多专家的教材、著作和论文,还得到国内外有关企业和同行的支持,在此一并表示衷心的感谢。


本书提供配套的电子课件,可登录电子工业出版社的华信教育资源网:www.hxedu.com.cn,注册后免费下载。


对于本版中存在的错误和不妥之处,继续恳请广大读者批评指正。


编者


2011年8月

第1章 绪论


本章简要介绍自动检测技术和传感器的基本知识,重点介绍误差分析和数据处理、传感器静动态特性和标定方法。


1.1 自动检测技术概述


1.1.1 自动检测技术的重要性


在科学研究过程中,一些研究成果,必须要通过实验证实,这就需要一定的测试手段完成;在工农业生产中,为了保证能正常、高效地生产,要有一定的测试手段进行生产过程的检查和监视。这些测试手段就是仪器仪表。


关于仪器仪表,最早得到广泛应用的是机械式仪器仪表,以后发展到光学的、电学的仪器仪表等。仪器仪表也是随着科学技术的发展而发展的,每当科学技术前进一步,就要求能够提供新的测试手段,从而促进了仪器仪表的发展,而科学技术的成果也为发展新型的仪器仪表提供了条件。


由于微电子技术、计算机技术、通信技术及网络技术的迅速发展,对电量的测量技术相应地得到提高,如准确度高、灵敏度高、反应速度快、能够连续进行测量、自动记录、远距离传输和组成测控网络等。可是,在工程上所要测量的参数大多数为非电量,如机械量(位移、尺寸、力、振动、速度等)、热工量(温度、压力、流量、物位等)、成分量(化学成分、浓度等)和状态量(颜色、透明度、磨损量等),因而促使人们用电测的方法研究非电量,即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表,研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。


非电量电测量技术具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可进行遥测、便于自动记录、可与计算机连接进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等优点,在国民经济各部门得到广泛应用。


在机械制造业中,需要测量位移、尺寸、力、振动、速度、加速度等机械量参数,利用非电量电测仪器,监视刀具的磨损和工件表面质量的变化,防止机床过载,控制加工过程的稳定性。此外,还可用非电量电测单元部件作为自动控制系统中测量反馈量的敏感元件(如光栅尺、容栅尺等)控制机床的行程、启动、停止和换向。在化工行业需要在线检测生产过程的温度、压力、流量、物位等热工量参数,实现对工艺过程的有效控制,确保生产过程能正常高效地进行,确保生产安全,防止事故发生。在烟草行业,如卷烟包装等自动化生产线,利用非电量电测技术监控产品质量,剔除废品,并在线统计产品的产量、合格率等管理信息,为生产自动化、管理现代化提供可靠的技术保障。在环境保护等部门需要检测物质的化学成分、浓度等成分量。在现代物流行业,如在控制搬运机器人作业过程中,需要实时地检测工件安放的位置参数,以便准确地控制执行机构工作,可靠地安放货物。在科学研究和产品开发中,将非电量电测技术应用于逆向设计和逆向加工,可缩短产品设计和开发的周期。甚至在文物保护领域,研究人员已开始用非电量电测技术进行文物的保护和修复。


综上所述,自动检测技术与人们的生产、生活密切相关,它是自动化领域的重要组成部分,尤其在自动控制中,如果对控制参数不能有效准确地检测,控制就成为无源之水、无本之木。


1.1.2 自动检测系统的组成


在自动检测系统中,各组成部分常以信息流的过程来划分,一般可分为:信息的获取、转换、处理和输出几部分。它首先要获取被检测的信息,把它变换成电量,然后把已转换成电量的信息进行放大、整形等转换处理,再通过输出单元(如指示仪和记录仪)把信息显示出来,或者通过输出单元把已处理的信息送到控制系统其他单元使用,成为控制系统的一部分等,其组成框图如图1.1.1所示。

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图1.1.1 检测系统的组成

在检测系统中,传感器是把被测非电量转换成为与之有确定对应关系,且便于应用的某些物理量(通常为电量)的检测装置。传感器获得信息的正确与否,关系到整个检测系统的精度,如果传感器的误差很大,即使后续检测电路等环节精度很高,也难以提高检测系统的精度。


检测电路的作用是把传感器输出的变量变换成电压或电流信号,使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录;或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。检测电路的种类通常由传感器类型而定,如电阻式传感器需用一个电桥电路把电阻值变换成电流或电压输出,由于电桥输出信号一般比较微弱,常常要将电桥输出信号加以放大,所以在测量电路中一般还带有放大器。


输出单元可以是指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。若输出单元是显示器或记录器,则该测试系统为自动检测系统;若输出单元是计数器或累加器,则该测试系统为自动计量系统;若输出单元是报警器,则该测试系统为自动保护系统或自动诊断系统;若输出单元是数据处理电路,则该测试系统为部分数据分析系统,或部分自动管理系统或部分自动控制系统。


1.1.3 自动检测技术的发展趋势


随着微电子技术、通信技术、计算机网络技术的发展,对自动检测技术也提出了越来越高的要求,并进一步推动了自动检测技术的发展,其发展趋势主要有以下几个方面。


① 不断提高仪器的性能、可靠性,扩大应用范围。随着科学技术的发展,对仪器仪表的性能要求也相应地提高,如提高其分辨率、测量精度,提高系统的线性度、增大测量范围等,使其技术性能指标不断提高,应用领域不断扩大。


② 开发新型传感器。开发新型传感器主要包括:利用新的物理效应、化学反应和生物功能研发新型传感器,采用新技术、新工艺填补传感器空白,开发微型传感器,仿照生物的感觉功能研究仿生传感器等。


③ 开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。新型敏感元件材料的开发和应用是非电量电测技术中的一项重要任务,其发展趋势为:从单晶体到多晶体、非晶体,从单一型材料到复合型材料、原子(分子)型材料的人工合成。其中,半导体敏感材料在传感器技术中具有较大的技术优势,陶瓷敏感材料具有较大的技术潜力,磁性材料向非晶体化、薄膜化方向发展,智能材料的探索在不断地深入。智能材料指具备对环境的判断和自适应功能、自诊断功能、自修复功能和自增强功能的材料,如形状记忆合金、形状记忆陶瓷等。


在开发新型传感器时,离不开新工艺的采用。如把集成电路制造工艺技术应用于微机电系统中微型传感器的制造。


④ 微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合,构成新一代智能化测试系统,使测量精度、自动化水平进一步提高。


⑤ 研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。传感器集成化主要有两层含义,一是同一功能的多元件并列化,即将同一类型的单个传感元件在同一平面上排列起来,排成一维构成线型传感器,排成二维构成面型传感器(如CCD)。另一层含义是功能一体化,即将传感器与放大、运算及误差补偿、信号输出等环节一体化,组装成一个器件(如容栅传感器动栅数显单元)。


传感器多功能化是指一器多能,即用一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。多功能化不仅可以降低生产成本、减小体积,而且可以有效地提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。


传感器的智能化就是把传感器与微处理器相结合,使之不仅具有检测功能,还具有信息处理、逻辑判断、自动诊断等功能。


1.2 传感器概述


1.2.1 传感器的定义


传感器是一种以一定精确度把被测量(主要是非电量)转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量(主要是电量)的测量装置。这一定义包含了以下几方面的含义: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,如物理量、化学量、生物量等;③它的输出是某种物理量,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;④输出与输入间有对应关系,且有一定的精确度。


在有些学科领域,传感器又称为敏感元件、检测器、转换器、发讯器等。这些不同提法,反映了在不同的技术领域中,只是根据器件的用途,对同一类型的器件使用着不同的术语而已,它们的内含是相同或相似的。


1.2.2 传感器的组成


传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成,组成框图如图1.2.1所示。

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图1.2.1 传感器组成框图

① 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。


② 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数。


③ 转换电路,将上述电路参数接入转换电路,便可转换成电量输出。


实际上,有些传感器很简单,有些则较为复杂,大多数是开环系统,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,它感受被测量时直接输出电量,如热电偶传感器。有些传感器由敏感元件和转换元件组成,没有转换电路,如压电式加速度传感器

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