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作者：张传友,张一等编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2011-02-01

书籍编号：30466487

ISBN：9787121128615

正文语种：中文

字数：200759

版次：3

所属分类：互联网+-人工智能

版权信息

书名：感测技术基础（第3版）

作者：张传友　张一

ISBN：9787121128615

版权所有 · 侵权必究

前言

本教材把“传感器技术”、“自动检测技术”和“电子测量技术”三门内容联系紧密课程的主要内容有机地整合为一门课程。这样“整合”不仅加强了课程内容间的“联系与综合”，“避免脱节和不必要的重复”，大大节省了教学学时，而且也有利于“拓宽学生的专业面，培养学生的创新能力”。本教材在内容编排上又特别注意归纳共性、总结规律，化“多而繁”为“少而简”，启发和诱导学生的创新思维。因此，受到中国工程院院士、天津大学叶声华教授等专家和广大师生的好评，被遴选为“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”和湖北省精品课程教材。目前，本书第1版和第2版累计已印刷11次，销售量达35000册之多，已有数十所高校选用本书作为教材，有些重点大学还指定本书为硕士生入学考试参考书或博士生入学考试参考书。

为了使本书能跟上感测技术的发展，更好地适应今后的教学工作，本书第3版在保持前两版的特色和体系基本不变的前提下，对第2版的内容进行了修订，增加了感测新技术简介和CCD数码照相机等内容。此外，为了方便教师教学和学生自学，第3版书后还汇集了各章例题解答和全部习题的详细解答。

我们建议学生在做作业时，先不要看书后答案，自己独立思考地做完后，再与课后答案对比，自己给自己的作业批改和打分，自己发现学习中的问题自己纠正。任课教师可以检查和记录学生自己完成和批改作业的情况，利用课堂小测验和期末考试考核学生学习的效果。这样把作业主动权交给学生，有利于培养学生的自学能力和提高学生的学习自觉性。

我们建议学生不要只忙于应付作业和考试，而要在课外多收集一些感测技术应用的实例进行剖析，自己动手搞一些小制作小发明，还可把自己的研究心得撰写成论文在科技期刊上发表甚至申报专利，多创造些社会认可的成果以提升自己今后在人才市场的竞争力。

为此，我们除了编写与本教材配套的CAI课件、电子教案、实验指导、例题汇集、试题汇集等教辅资料外，还收集整理了案例教学、双语教学、论文选读、参考图书、产品说明，以及学生学习本课程后发表的论文和作品等大量参考资料。所有这些资料都全部挂在“感测技术”精品课程网站上，供师生和读者免费下载。网站网址是：

http：//dxxy.yangtzeu.edu.cn：81/或http：//dxxy.yangtzeu.edu.cn/gcjc/

本书绪论和第1～11章由张一编写，其余章节和例题、习题解答均由孙传友编写。全书由长江大学孙传友教授和辽宁石油化工大学张一教授主编，长江大学李涛博士主审。李涛博士对本书的修订提出了很多宝贵意见，而且一直负责“感测技术”精品课程网站的建设和维护，作者借此机会对他表示衷心的感谢。

本课程建设过程中，先后得到西安交通大学万明习教授、华中科技大学杨坤涛教授和天津大学叶声华院士的大力支持和帮助。本书在编写和修改过程中，参考了80多种有关文献。在此，谨向这些专家、领导及参考文献的作者，一并表示诚挚的谢意。

由于作者水平有限，缺点和错误在所难免，恳请广大读者批评指正。

E-mail请寄scy321＠126.com。

作 者

2011年1月

绪论

一、现代感测技术的地位和作用

测试是人类认识世界和改造世界必不可少的重要手段。在科学技术的发展过程中，人们根据对客观事物所做的大量的试验和测量，形成定性和定量的认识，总结出客观世界的规律；通过试验和测量进一步检验这些规律是否符合客观实际；在利用这些客观规律改造客观世界的过程中，又通过试验和测量来检验实际效果。科学的发展、突破是以测试技术的水平为基础的。例如人类在光学显微镜出现以前，只能用肉眼来分辨物质。16世纪出现的光学显微镜，使得人们能够借助显微镜来观察细胞，从而大大推动了生物科学的发展。而到20世纪30年代出现了电子显微镜，又使人们的观察能力进入微观世界，推动了生物科学、电子科学和材料科学的发展……

“测试”既包括定量的测量，也包括定性的试验。“测试”与“检测”基本上是同义语。就被测对象而言，工业上需要测试或检测的量有电量和非电量两大类，非电量种类比电量的种类多得多。

非电量早期多用非电的方法测量，例如用尺测量长度，用水银温度计测量温度。但是随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度都提出了新的要求，尤其对动态变化的物理过程进行测量，以及对物理量的远距离测量，用非电的方法已经不能满足要求了，必须采用电测法。

电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性。

（1）便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围（量程）。

（2）电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围（频带）。

（3）把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。

（4）把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。

非电量电测法涉及两个基本问题：一是怎样用传感器将非电量转换为电量，二是怎样对电量进行测量。因此，非电量电测法同传感器技术、电子测量技术是紧密联系、不可分割的。我们把传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为传感器与测试技术，简称感测技术。

当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统产业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。

现代信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术（感测技术），二是信息的传输技术（通信技术），三是信息的处理技术（计算机技术）。

所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过感测技术实现的，因此感测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。

众所周知，在工业生产中采用自动化技术是提高劳动生产率和经济效益最有效的措施。采用自动检测系统进行实时测量及分析产品性能，采用自动控制系统对产品加工过程进行实时控制，则是提高产品质量的现代化方法。可以说，一个国家现代化水平是用自动化水平来衡量的，而在自动化技术中，现代感测技术同样有极其重要的地位和作用。

图0-1（a）和图0-1（b）是自动化检测系统和自动化控制系统的简化框图。将图0-1（a）与图0-1（b）对比可见，自动控制系统只不过在自动检测系统中增加了一个“控制器”。因此可以认为现代感测技术是自动检测系统和自动控制系统公用的基础技术，从这个意义上说，现代感测技术也是自动化技术的重要支柱。

图0-1 自动化检测与控制系统对比

除此之外，军事国防、航空航天、海洋开发、生物工程、医疗保健、商检质检、环境保护、安全防范、家用电器，等等，几乎每一个现代化项目都离不开感测技术。

二、传感器与敏感器

传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的接口。在非电量测量中，传感器是必不可少的转换元件。

传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性识别、测定生物和化学物质的传感器。这两类传感器广泛应用于化学工业、环保监测和医学诊断。因篇幅所限，本书不涉及化学型、生物型传感器，只介绍应用于工业测控技术领域的物理型传感器。

按构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器是利用其转换元件物理特性变化实现信号转换，例如热敏电阻、光敏电阻等。结构型传感器是利用其转换元件的结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电容传感器、变气隙型电感传感器等。

根据能量观点，物理型传感器又可分为能量转换型和能量控制型两类。前者将非电能量转换为电能量，不需要外电源，故又称为有源传感器，也称为换能器。压电式、磁电式传感器和热电偶等就属于这一类。另一类传感器需要外部电源供给能量，故又称无源传感器。这类传感器本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。电阻式、电感式和电容式传感器等阻抗型传感器都属于这一类。

按输出信号表示形式，物理型传感器又可分为模拟式和数字式两类。模拟式传感器又可分为阻抗型（输出量为阻抗）和电压型（输出量为电压）。

如果所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转换出来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用（例如热电偶测温度时产生的热电势可以驱动动圈式毫伏计），那么，就只要由传感器和显示仪表便可构成一个非电量测量系统。这真是再简单不过的了。

然而，很多情况下，我们所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传感器能够接受和转换的非电量（即可用非电量）的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置我们称之为敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称为预变换器。例如，用电阻应变片测压力时就要将应变片粘贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为电阻变化。这里应变片便是传感器，而弹性元件便是敏感器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是像传感器那样把非电量转换成电量。

由于传感器的种类很多，敏感器的种类也很多，传感器和敏感器的组合方式更多，因此，一种非电量常常可以用多种电测方法来测量。尽管非电量的电测方法很多，但就其转换关系而言可以归纳为两大类：直接法和间接法。

直接法就是用传感器直接将被测非电量x转换为电量y。直接法所使用的传感器的可用非电量必须正好是被测量，而且其输出电量y应是被测量x的单值函数，即

直接法所使用的这种传感器本书称之为直接传感器。

间接法就是先用敏感器将被测量x转换为传感器的可用非电量z，再用传感器将可用非电量z转换为电量y。设传感器的转换关系为

敏感器的转换关系为

由敏感器与传感器组合成的非电量x的电测装置的转换关系便为复合函数

按照传感器定义，这种敏感器与传感器的组合装置仍可称为传感器，但不是原来的非电量z的传感器，而是被测量x的传感器。因为其转换关系为复合函数，故本书称之为复合传感器或间接传感器。

传感器与被测对象的关联方式有接触式和非接触式两种。接触式的优点是传感器与被测对象视为一体，传感器的标定无须在使用现场进行，缺点是传感器与被测对象接触会对被测对象的状态或特性不可避免地产生或多或少的影响。非接触式则没有这种影响，但是非接触式传感器的输出会受到被测对象与传感器之间介质或环境的影响。因此传感器标定必须在使用现场进行。

在很多情况下，传感器所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如电阻式应变传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能像热电偶产生的热电势那样被电压显示仪表所接受。这就需要用某种电路来对传感器转换出来的电量进行变换和处理，使之成为便于显示、记录、传输或处理的可用电信号。接在传感器后面具有这种功能的电路，我们称之为测量电路或传感器接口电路。例如电阻应变片接入电桥，将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。

很多介绍传感器的书把我们这里所说的敏感器、直接传感器和测量电路分别称为敏感元件、传感元件（或转换元件）和转换电路，并把这三部分作为传感器的三个组成部分。本书为了突出共性，避免重复，把接口电路相近的传感器归并为一类，同时把各类传感器接口电路归并到内容相近的电量测量的有关章节。把敏感器和传感器应用按被测非电量分类后归并到非电量电测法的有关章节。

三、

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