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《传感器原理及应用(修订版)》pdf

发布日期:2020-10-11 08:03

  传感器原理及应用 (修订版) 王化祥 张淑英 编著 天津大学出版社 内 容 提 要 本书以非电量的电测技术为主要内容,以信息的变 换与处理为编写体系。全书共两篇,上篇有九章,可分为 三部分:第一部分重点介绍了传感器的基本概念及传感 器的静、动态特性;第二部分介绍了各类传感器的变换原 理、特性、测量电路及应用;第三部分对传感器的标定方 法作了相应的介绍。下篇为习题部分,每章包括:基本要 求、例题分析、思考题与习题。 本书可作为高等院校工业自动化仪表专业的教材及 有关专业的教学参考书,也可供从事自动化仪表工作的 工程技术人员参考。 图书在版编目( )数据 犆犐犘 传感器原理及应用(修订版)/王化祥,张淑英编著 — 版(修订版)—天津: . 2 . 天津大学出版社, ( 重印) 1999.72002 犐犛犅犖756181142犡 传… 王… 张… 传感器 Ⅰ. Ⅱ.① ② Ⅲ. Ⅳ.犜犘212 教学参考资料 Ⅳ.犎350.42 中国版本图书馆 数据核字( )第 号 犆犐犘 1999 29230 出版发行 天津大学出版社 出 版 人 杨风和 地 址 天津市卫津路 号天津大学内(邮编: ) 92 300072 电 话 发行部: 邮购部: 022 022 印 刷 河北省昌黎人民胶印厂 经 销 全国各地新华书店 开 本 / 787犿犿×1092犿犿 116 印 张 16 字 数 千 400 版 次 年 月第 版 年 月第 版 1988 9 1 1999 2 2 印 次 年 月第 次 2002 8 6 印 数 — 26001 31000 定 价 元 2700 修订再版前言 《传感器原理及应用(修订版)》自 年再版后,选用该书的一些 1998 兄弟院校建议作者增补“热电式传感器”有关内容,并迫切希望出版一 本与本教材配套的习题集。基于广大读者要求,本书决定增补第七章 热电式传感器,主要内容包括温度测量广泛应用的热电偶、热电阻、半 导体集成式温度传感器,并将原书中固态传感器一章中“热敏电阻”一 节并入本章。使本书内容更为广泛、系统,有利于从事自动化专业的学 生及工程技术人员选用和参考。 此外,为了更好地满足教学以及选用该教材广大师生的要求,本书 再版时重新系统地编写了相关章节的例题解答及习题,最后给出部分 习题的参考答案,以便读者更深入系统地掌握传感器技术的基本原理 和实际应用技能。 衷心感谢兄弟院校对本书的选用和建议,并恳请广大读者继续提 出宝贵意见。 作者 年 月于天津大学 2002 3 目 录 上篇 传感器原理及应用 绪论 ( …………………………………………………………………………………………… ) 1 …………………………………………………………………第 章 传感器的一般特性 ) ( 1 4 …………………………………………………………………传感器的静态特性) ( §1?1 4 …………………………………………………………………传感器的动态特性) ( §1?2 9 ………………………………………………………………………第 章 应变式传感器 ) ( 2 19 ………………………………………………………………金属应变片式传感器) ( §2?1 19 ………………………………………………………………………压阻式传感器) ( §2?2 35 ………………………………………………………………………第 章 电容式传感器 ) ( 3 45 …………………………………………………………电容式传感器的工作原理) ( §3?1 45 …………………………………………………………电容式传感器的测量电路) ( §3?2 50 …………………………………………………………电容式传感器的误差分析) ( §3?3 58 ………………………………………………………………电容式传感器的应用) ( §3?4 60 第 ………………………………………………………………………章 电感式传感器 ) ( 4 67 ………………………………………………………………………自感式传感器) ( §4?1 67 …………………………………………………………………………差动变压器) ( §4?2 77 ……………………………………………………………………电涡流式传感器) ( §4?3 87 第 ………………………………………………………………………章 压电式传感器 ) ( 5 97 ……………………………………………………………………………压电效应) ( §5?1 97 …………………………………………………………………………压电材料 ) ( §5?2 102 ………………………………………………………压电式传感器的测量电路 ) ( §5?3 105 ……………………………………………………………压电式传感器的应用 ) ( §5?4 110 第 ………………………………………………………………………章 数字式传感器) ( 6 114 ……………………………………………………………………码盘式传感器 ) ( §6?1 114 ………………………………………………………………………光栅传感器 ) ( §6?2 119 ……………………………………………………………………振弦式传感器 ) ( §6?3 126 ………………………………………………………………………第 章 热电式传感器) ( 7 137 ……………………………………………………………………………热电偶 ) ( §71 137 ……………………………………………………………………………热电阻 ) ( §72 145 …………………………………………………………………集成温度传感器 ) ( §73 147 …………………………………………………………………………热敏电阻 ) ( §74 150 …………………………………………………………………………第 章 固态传感器) ( 8 160 ………………………………………………………………………磁敏传感器 ) ( §8?1 160 1 ………………………………………………………………………光敏传感器 ) ( §8?2 180 ……………………………………………………………………电荷耦合器件 ) ( §8?3 197 ………………………………………………………………………气体传感器 ) ( §8?4 213 ………………………………………………………………………湿度传感器 ) ( §8?5 224 第 …………………………………………………………………章 光导纤维式传感器) ( 9 237 ………………………………………………………光导纤维导光的基本原理 ) ( §9?1 237 ……………………………………………………光纤传感器结构原理及分类 ) ( §9?2 239 ………………………………………………………光纤传感器的主要元器件 ) ( §9?3 243 ………………………………………………………………光纤传感器的应用 ) ( §9?4 247 第 ……………………………………………………………………章 传感器的标定 ) ( 10 259 …………………………………………………………压力传感器的静态标定) ( §10?1 259 …………………………………………………………压力传感器的动态标定) ( §10?2 261 ……………………………………………压力传感器的安装及引压管道影响) ( §10?3 267 下篇 传感器原理及应用例题解答及习题 第 …………………………………………………………………章 传感器的一般特性) ( 1 270 基本要求 ( …………………………………………………………………………………… ) 270 ……………………………………………………………………………………例题分析) (270 思考题与习题 ( ……………………………………………………………………………… ) 273 第 ………………………………………………………………………章 应变式传感器) ( 2 275 …………………………………………………………………………………… ) 基本要求 (275 例题分析 ( …………………………………………………………………………………… ) 275 ………………………………………………………………………………思考题与习题) (280 第 ………………………………………………………………………章 电容式传感器) ( 3 284 ……………………………………………………………………………………基本要求) (284 ……………………………………………………………………………………例题分析) (284 思考题与习题 ( ……………………………………………………………………………… ) 288 ………………………………………………………………………第 章 电感式传感器) ( 4 292 基本要求 ( …………………………………………………………………………………… ) 292 例题分析 ( …………………………………………………………………………………… ) 292 ………………………………………………………………………………思考题与习题) (298 ………………………………………………………………………第 章 压电式传感器) ( 5 302 ……………………………………………………………………………………基本要求) (302 例题分析 ( …………………………………………………………………………………… ) 302 ………………………………………………………………………………思考题与习题) (305 ………………………………………………………………………第 章 数字式传感器) ( 6 307 基本要求 ( …………………………………………………………………………………… ) 307 ……………………………………………………………………………………例题分析) (307 ………………………………………………………………………………思考题与习题) (308 2 ………………………………………………………………………第 章 热电式传感器) ( 7 309 ……………………………………………………………………………………基本要求) (309 ……………………………………………………………………………………例题分析) (309 思考题与习题 ( ……………………………………………………………………………… ) 311 第 …………………………………………………………………………章 固态传感器) ( 8 313 ……………………………………………………………………………………基本要求) (313 例题分析 ( …………………………………………………………………………………… ) 313 ………………………………………………………………………………思考题与习题) (316 …………………………………………………………………第 章 光导纤维式传感器) ( 9 318 基本要求 ( …………………………………………………………………………………… ) 318 ……………………………………………………………………………………例题分析) (318 ………………………………………………………………………………思考题与习题) (319 ………………………………………………………………………第 章 综合练习题 ) ( 10 320 填空练习题 ( ………………………………………………………………………………… ) 320 …………………………………………………………………………………计算分析题) (322 ……………………………………………………………………………部分习题参考答案) (326 参考文献 ( ……………………………………………………………………………………… ) 328 3 上篇 传感器原理及应用 绪 论 一、传感器的作用 随着现代测量、控制和自动化技术的发展,传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近 年来,由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要,传感器在各个领域中的作用也日益显著。 在工业生产自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开发的各种 传感器,不仅能代替人的感官功能,并且在检测人的感官所不能感受的参数方面创造了十分有 利的条件。工业生产中,它起到了工业耳目的作用。例如,冶金工业中连续铸造生产过程中的 钢包液位检测,高炉铁水硫磷含量分析等方面就需要多种多样的传感器为操作人员提供可靠 的数据。此外,用于工厂自动化柔性制造系统( )中的机械手或机器人可实现高精度在线 犉犕犛 实时测量,从而保证了产品的产量和质量。在微型计算机广为普及的今天,如果没有各种类型 的传感器提供可靠、准确的信息,计算机控制就难以实现。因此,近几年来传感器技术的应用 研究在许多工业发达的国家中已经得到普遍重视。 二、传感器及传感技术 传感器( 或 )是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规 狋狉犪狀狊犱狌犮犲狉 狊犲狀狊狅狉 律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。 过去人们习惯地把传感器仅作为测量工程的一部分加以研究,但是自 年代以来,随着 60 材料科学的发展和固体物理效应的不断发现,目前传感器技术已形成了一个新型科学技术领 域,建立了一个完整的独立科学体系———传感器工程学。 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术,它是检测(传感)原理、材 料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。 检测(传感)原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理,各种功 能材料则是传感技术发展的物质基础,从某种意义上讲,传感器也就是能感知外界各种被测信 号的功能材料。传感技术的研究和开发,不仅要求原理正确,选材合适,而且要求有先进、高精 度的加工装配技术。除此之外,传感技术还包括如何更好地把传感元件用于各个领域的所谓 传感器软件技术,如传感器的选择、标定以及接口技术等。总之,随着科学技术的发展,传感技 术的研究开发范围正在不断扩大。 三、传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,有时还需要加辅助电源,用方 块图表示,如图 所示。 1 敏感元件(预变换器):在完成非电量到电量的变换时,并非所有的非电量都能利用现有手 段直接变换为电量,往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量,然后再 1 非电量 电量 → 敏感元件 → 转换元件 → 测量电路 → ↑ ↑ 辅助电源 图 传感器的组成方块图 1 变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件,又称预变换器。如在传感器中各种类型 的弹性元件常被称为敏感元件,并统称为弹性敏感元件。 转换元件:将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件,例如压电晶体、热电 偶等。 需要指出的是,并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件,如热敏电阻、光电器件等。 而另外一些传感器,其敏感元件和转换元件可合二为一,如固态压阻式压力传感器等。 测量电路:将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路 称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定,经常采用的有电桥电路及其他特殊 电路,如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡回路等。 四、传感器的分类 传感器的种类很多,目前尚没有统一的分类方法,一般常采用的分类方法有如下几种。 按输入量分类 1. 如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时,则相应的传感器称为温 度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。这种分类方 法给使用者提供了方便,容易根据测量对象选择所需要的传感器。 按测量原理分类 2. 现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的原理, 相应的有电位器式、应变式传感器;根据变磁阻的原理,相应的有电感式、差动变压器式、电涡 流式传感器;根据半导体有关理论,则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。 按结构型和物性型分类 3. 所谓结构型传感器,主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化,将外界被测参数转换 成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化,从而检测出被测信号,这种传感器目前应用得最为 普遍。物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量,它是以半导体、电介 质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。 五、传感器的发展趋向 近年来,由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段,各种制造工艺和材料性能的研究 已达到相当高的水平。这为传感器的发展创造了极为有利的条件。从发展前景来看,它具有 以下几个特点。 传感器的固态化 1. 物性型传感器亦称固态传感器,目前发展很快。它包括半导体、电介质和强磁性体三类, 其中半导体传感器的发展最引人注目。它不仅灵敏度高、响应速度快、小型轻量,而且便于实 现传感器的集成化和多功能化。如目前最先进的固态传感器,在一块芯片上可同时集成差压、 静压、温度三个传感器,使差压传感器具有温度和压力补偿功能。 2 传感器的集成化和多功能化 2. 随着传感器应用领域的不断扩大,借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密细微 加工及组装技术等,使传感器从单个元件、单一功能向集成化和多功能化方向发展。所谓集成 化,就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制作在同一芯 片上,如集成压力传感器、集成温度传感器、集成磁敏传感器等。多功能化则意味着传感器具 有多种参数的检测功能,如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。 传感器的图像化 3. 目前,传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量,而开始研究从一维、二维到三维空 间的测量问题。现已研制成功的二维图像传感器,有 型、 型、 型全固体式摄像 犕犗犛 犆犆犇 犆犐犇 器件等。 传感器的智能化 4. 智能传感器是一种带有微型计算机兼有检测和信息处理功能的传感器。它通常将信号检 测、驱动回路和信号处理回路等外围电路全部集成在一块基片上,使它具有自诊断、ag官方手机登录。远距离通 信、自动调整零点和量程等功能。使传感器向智能化方向前进了一大步。 3 第 章 传感器的一般特性 1 传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢 的信号(准静态)。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量或静态量,传 感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特 性。 §1?1 传感器的静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时,输出量和输入量之间的关系称为静态特性。 通常,要求传感器在静态情况下的输出—输入关系保持线性。实际上,其输出量和输入量 之间的关系(不考虑迟滞及蠕变效应)可由下列方程式确定 2 … 狀 ( ) 犢=犪 +犪 犡+犪 犡 + +犪犡 1?1 0 1 2 狀 式中 ———输出量; 犢 ———输入量; 犡 犪———零位输出; 0 ———传感器的灵敏度,常用 表示; 犪 犓 1 , ,…, ———非线性项待定常数。 犪 犪 犪 2 3 狀 由( )式可见,如果 ,表示静态特性通过原点。此时静态特性是由线 狀 和非线性项( ,…, )叠加而成,一般可分为以下 种典型情况。 犪 犡 犪犡 4 2 狀 ()理想线犪 ( ) 犢=犪 犡 1?2 1 ()具有 奇次阶项的非线 … ( ) 犢=犪 犡+犪 犡 +犪 犡 + 1?3 1 3 5 ()具有 偶次阶项的非线 … ( ) 犢=犪 犡+犪 犡 +犪 犡 + 1?4 1 2 4 ()具有 奇、偶次阶项的非线 … ( ) 犢=犪 犡+犪 犡 +犪 犡 +犪 犡 + 1?5 1 2 3 4 由此可见,除图 ()为理想线性关系外,其余均为非线性关系。其中具有 奇次项的 1?1犪 犡 曲线图 (),在原点附近一定范围内基本上是线犫 实际应用中,若非线性项的方次不高,则在输入量变化不大的范围内,用切线或割线代替 实际的静态特性曲线的某一段,使传感器的静态特性接近于线性,这称为传感器静态特性的线 性化。在设计传感器时,应将测量范围选取在静态特性最接近直线的一小段,此时原点可能不 在零点。以图 ()为例,如取 段,则原点在 点。传感器静态特性的非线犱 犪犫 犮 不能成比例地反映被测量的变化情况,而且,对动态特性也有一定影响。 4 图 传感器的 种典型静态特性 1?1 4 传感器的静态特性是在静态标准条件下测定的。在标准工作状态下,利用一定精度等级 的校准设备,对传感器进行往复循环测试,即可得到输出—输入数据。将这些数据列成表格, 再画出各被测量值(正行程和反行程)对应输出平均值的连线,即为传感器的静态校准曲线。 传感器静态特性的主要指标有以下几点。 一、线性度(非线性误差) 在规定条件下,传感器校准曲线与拟合直线间 最大偏差与满量程( ·)输出值的百分比称为线性 犉 犛 度(见图 )。 1?2 用 代表线性度,则 δ 犔 Δ犢 犿犪狓 ( ) δ =± ×100% 1?6 犔 犢 · 犉犛 式中 Δ犢 ———校准曲线与拟合直线间的最大偏 犿犪狓 差; ·———传感器满量程输出, · 犢 犢 =犢 - 犉犛 犉犛 犿犪狓 图1?2 传感器的线 由此可知,非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而,基准 直线不同,所得线性度也不同,见图 。 1?3 图1?3 基准直线 应当指出,对同一传感器,在相同条件下做校准试验时得出的非线性误差不会完全一样。 因而不能笼统地说线性度或非线性误差,必须同时说明所依据的基准直线。目前国内外关于 拟合直线的计算方法不尽相同,下面仅介绍两种常用的拟合基准直线方法。 (一)端基法 把传感器校准数据的零点输出平均值犪 和满量程 0 输出平均值 连成的直线 作为传感器特性的拟 犫 犪 犫 0 0 0 合直线(见图 )。其方程式为 1?4 ( ) 犢=犪 +犓犡 1?7 0 式中 犢———输出量; ———输入量; 犡 ——— 轴上截距; 犪 犢 0 图1?4 端基线性度拟合直线 由此得到端基法拟合直线方程,按( )式可算出端基线性度。这种拟合方法简单直观,但是 1?6 未考虑所有校准点数据的分布,拟合精度较低,一般用在特性曲线非线性度较小的情况。 (二)最小二乘法 用最小二乘法原则拟合直线,可使拟合精度最高。其计算方法如下。 令拟合直线方程为 。假定实际校准点有 个,在 个校准数据中,任一个 犢=犪 +犓犡 狀 狀 0 校准数据 与拟合直线上对应的理想值 间线差为 犢 犪 +犓犡 犻 0 ( ) ( ) Δ =犢 - 犪 +犓犡 1?8 犻 犻 0 犻 狀 狀 最小二乘法拟合直线 对 和 的一阶偏导数 ∑Δ ∑Δ 犓 犪 犻 犻 0 犻 犻 =1 =1 等于零,从而求出 和 的表达式 犓 犪 0  2 ( )( ) ΣΔ =2Σ 犢 -犓犡 -犪 -犡 =0 犓 犻 犻 犻 0 犻  2 ( )( ) ΣΔ =2Σ 犢 -犓犡 -犪 -1 =0 犪 犻 犻 犻 0 0 联立求解以上二式,可求出 和 ,即 犓 犪 0 狀 狀 狀 狀 犡犢 - 犡 · 犢 ∑ 犻 犻 ∑ 犻 ∑ 犻 犻=1 犻=1 犻=1 ( ) 犓 = 1?9 狀 狀 2 2 ( ) 狀 犡 - 犡 ∑ 犻 ∑ 犻

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