传感器技术与应用是自动化、测控仪器等专业的专业课。随着我国物联网相关产业的蓬勃发展,传感器技术也在同时拓展着自身的应用领域。本书的编者们怀着培养应用型人才的愿望,编写了《传感器技术与应用》这本书。
本书在介绍传感器技术的同时,注重理论联系实际;在表达方式上力求做到语言通俗、简洁易懂,以提高学生的学习兴趣。
本书共19章。第1至17章介绍了传感器的基础知识,以及电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热电式传感器、流量检测仪表、压电传感器、光电式传感器和集成式温度传感器等内容。这一部分围绕着基本原理、测量电路和应用实例三个方面进行介绍,使学生在掌握基本原理的基础上,学会将传感器得到的微弱信号通过测量电路转换成可测量的信号的方法。第18章和第19章介绍了温度和力学量参数的检测技术,使学生在掌握前面传感器的基础知识之后,能够扩展一下思路。
为了方便教学,本书还配有电子课件等教学资源包,任课教师和学生可以登录“我们爱读书网”(www.ibook4us.com)免费注册下载,也可以发邮件至hustpeiit@163.com索取。
本书可作为高等院校,特别是应用型本科院校的自动化

第1章 传感器基础知识
1.1 概述
1.2 传感器的基本特性
1.3 传感器的基本测量电路
思考与练习题
第2章 电阻式传感器
2.1 电阻应变式传感器
2.2 压阻式传感器
2.3 热电阻式传感器
2.4 气敏电阻
2.5 湿敏电阻
思考与练习题
第3章 电容式传感器
3.1 电容式传感器
3.2 电容式传感器的等效电路及输出电路
3.3 影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施
3.4 电容式传感器的应用
思考与练习题
第4章 电感式传感器
4.1 自感式传感器
4.2 差动变压器式互感式传感器
4.3 电涡流式传感器
4.4 电感式传感器的应用
思考与练习题
第5章 热电式传感器
5.1 热电偶温度传感器
5.2 PN结型温度传感器
思考与练习题
第6章 压电传感器
6.1 压电效应
6.2 压电材料
6.3 压电传感器的等效电路和测量电路
6.4 压电传感器的应用
思考与练习题
第7章 光电式传感器
7.1 光电效应
7.2 光电器件
7.3 光电式传感器的应用
思考与练习题
第8章 超声波传感器
8.1 超声检测的物理基础
8.2 超声波传感器
8.3 超声波检测技术的应用
思考与练习题
第9章 流量检测仪表
9.1 流量检测基础知识
9.2 节流式流量计
9.3 转子流量计
9.4 涡街流量计
9.5 电磁流量计
9.6 容积式流量计
9.7 质量流量计
思考与练习题
第10章 物位传感器
10.1 概述
10.2 浮力式液位传感器
10.3 静压式物位传感器
10.4 超声波物位传感器
思考与练习题
第11章 磁敏传感器
11.1 磁敏电阻器
11.2 磁敏电阻器的应用
11.3 磁敏二极管和磁敏三极管
11.4 磁敏传感器
11.5 磁敏传感器的应用
思考与练习题
第12章 红外传感器
12.1 红外辐射的基本知识
12.2 红外探测器
12.3 红外探测器的应用
思考与练习题
第13章 成分测量传感器
13.1 湿度及其测量
13.2 气体成分测量
13.3 浓度的测量
13.4 湿敏传感器的应用
思考与练习题
第14章 集成式温度传感器
14.1 AD590集成式温度传感器
14.2 DS18B20集成式温度传感器
思考与练习题
第15章 光纤传感器
15.1 光纤的基本知识
15.2 光纤传感器的结构与分类
15.3 光纤传感器的应用
思考与练习题
第16章 化学传感器
16.1 气体传感器
16.2 湿度传感器
思考与练习题
第17章 智能传感器
17.1 概述
17.2 智能传感器的设计
17.3 传感器的智能化实例
17.4 智能式传感器
17.5 智能结构
思考与练习题
第18章 温度检测仪表
18.1 概述
18.2 热电偶温度计
18.3 热电阻温度计
18.4 其他接触式温度检测仪表
18.5 非接触式温度检测仪表
思考与练习题
第19章 力学量检测技术
19.1 压力的测量
19.2 力的测量
19.3 转矩的测量
19.4 称重系统
思考与练习题
附录A 标准化热电偶分度表
附录B 钨铼热电偶分度表
附录C 热电阻分度表
参考文献

电容式传感器是能把某些非电量物理量的变化通过一个可变电容器,转换成电容量的变化的装置。电容式传感器不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量,还应用于压力、压差、液位、成分含量等方面的测量。电容式传感器结构简单、体积小、分辨率高、本身发热小,因而十分适合于非接触测量。这些优点随着电子技术,特别是集成电路技术的迅速发展,得到了进一步的体现,而它的分布电容、非线性等缺点也将不断得到改善。因此,电容式传感器在非电量测量和自动检测中有着良好的应用前景。
3.1电容式传感器
3.1.1基本工作原理
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。在多数场合下,电容是由两个金属平行极板组成的,并且以空气为介质,图3?1平板电容器如图3?1所示。两个平行板组成的电容器的电容为C=εAd=ε0εrAd(3?1)式中:A为极板的相对覆盖面积;d为极板间的距离;εr为介质材料的相对介电常数;ε0为真空介电常数,ε0=8.85 pF/m;ε为电容极板间介质的介电常数;C为电容量。
当被测参数使得式(3?1)中的A,ε或d发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中的一个参数,就可以把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。因此,电容量变化的大小随着被测参数的大小而变化。电容式传感器根据工作原理可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
改变平行极板的间距d的电容式传感器可以测量微米数量级的位移,而改变极板间相对覆盖面积A的电容式传感器则适用于测量厘米数量级的位移,改变介电常数的电容式传感器适用于液位、厚度、温度和组分含量等的变化的测量。
3.1.2电容式传感器的线性及灵敏度
1. 变极距(间距)型电容式传感器
图3?2所示为变极距型电容式传感器的原理图。图3?2(a)中的极板1为静止极板(一般称为定极板),而极板2为与被测体相连的动极板。当动极板2因被测参数的改变而移动时,就改变了两极板的距离d,从而改变两极板间的电容C。由式(3?1)可知,电容量C与极间距d不是线性关系,而是如图3?3所示的双曲线关系。图3?2(b)是直接利用被测物作为动极板的情形。极板面积为A,初始距离为d0,以空气为介质(εr=1),则电容器的电容为C0=ε0Ad0(3?2)图3?2变极距型电容式传感器原理图图3?3C?d特性曲线关系若电容器极板间距离初始值d0减小Δd(Δd?d0),其电容量增加ΔC,即C0+ΔC=ε0Ad0-Δd=C011-Δdd0(3?3)由式(3?3),电容的相对变化量为ΔCC0=Δdd01-Δdd0-1(3?4)因为Δd/d0?1,按幂级数展开得ΔCC0=Δdd01+Δdd0+Δdd02+Δdd03+…(3?5)由式(3?5)可知,输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间的关系是非线性的,当Δd/d0?1时可略去非线性项(高次项),则可得近似的线性关系式ΔCC0≈Δdd0(3?6)而电容式传感器的灵敏度为K=ΔCC0/Δd=1d0(3?7)电容式传感器灵敏度系数K的物理意义是:电容器的极板的单位位移引起的电容量的相对变化量的大小。
略去高次项(非线性项)后引起的相对非线性误差为δ=ΔC-ΔC′ΔC=Δdd0-Δdd01+Δdd0Δdd0=Δdd0×****(3?8)可见极间距小,既有利于提高灵敏度,又有利于减小非线性。但d0过小时,容易引起电容器击穿。在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,大都采用差动结构。改善击穿条件的办法是在极板间放置高介电常数材料(如云母片等介电材料)。
1) 差动变间隙式的电容传感器
如图3?2(c)所示,在差动式电容传感器中,电容器C1的电容随位移Δd的减小而增大时,另一个电容器C2的电容则随着Δd的增大而减小。它们的特性方程分别为C1=C01+Δdd0+Δdd02+Δdd03+…和C2=C01-Δdd0+Δdd02-Δdd03+…总的电容变化量为ΔC=C1-C2=C02Δdd0+2Δdd03+…电容的相对变化量为ΔCC0=2Δdd01+Δdd02+Δdd04+…(3?9)略去高次项,则ΔC/C0与Δd/d0近似成线性关系。ΔCC0≈2Δdd0(3?10)则有差动式电容传感器的灵敏度系数为K′=ΔCC0Δd=2/d0(3?11)差动电容式传感器的相对非线性误差δ′近似为δ′=ΔC-ΔC′ΔC=2(Δd/d0)32(Δd/d0)=Δdd02×****(3?12)比较式(3?7)与式(3?11)、式(3?8)与式(3?12)可见,差动电容式传感器使灵敏度提高一倍,而非线性误差也大为减小,由于温度等环境因素所造成的影响也能得到有效的改善。
2) 固定介质与可变间隙式电容传感器
减小极间隙可提高灵敏度,但容易被击穿。为此,经常在两极板间加一层云母或塑料等介质,以改变电容的耐压性能。图3?4固定介质与可变间隙式电容传感器由此构成如图3?4所示的固定介质与可变间隙式电容传感器。
由已知,有C=C1C2C1+C2
C1=ε0ε1Ad1
C2=ε0ε2Ad2联立三式,可得C=ε0Ad1+d2ε2(3?13)当空气间隙减小Δd1,使电容增加ΔC时,有C+ΔC=ε0Ad1-Δd1+d2/ε2
ΔC=Cd1+d2/ε2d1-Δd1+d2/ε2-1(3?14)电容的相对变化量为ΔCC=Δd1d1+d2N111-N1Δd1/(d1+d2)(3?15)式(3?15)中N1=d1+d2d1+d2/ε2=1+d2/d11+(d2/d1)/ε2(3?16)当N1Δd1/(d1+d2)<1,即位移很小时,式(3?15)按幂级数展开可写成ΔCC=N1Δd1d1+N1Δd1d+N1Δd1d2+…(3?17)式中,d1+d2=d。
略去高次项后可近似得到ΔCC≈N1Δd1d(3?18)可见N1为非线性因子,若增大N1,则非线性增加。设固定介质与可变间隙电容式传感器的灵敏度系数为K=ΔC/CΔd1=N1d(3?19)同时,N1又是灵敏度因子,并且作为灵敏度因子与非线性因子是相互制约的。由式(3?16)所画出的曲线如图3?5所示,将厚度比d1/d2作为自变量,固定介质的介电常数ε2作为参变量,观察影响灵敏度和线性度的因子N1的变化。
图3?5不同ε2情况下的N1?d2/d1曲线因为ε2总是大于1的,所以N1总是大于1的。又因为ε2>1,随着厚度比d2/d1增加,N1增加。当d2/d1很大时,N1的极限为ε2;当d2/d1不变时,随着ε2增加,N1增加。
2. 变面积型电容式传感器
图3?6所示的是常见的变面积型电容式传感器的结构示意图。与变间隙型电容式传感器相比,它的测量范围更大,可测量较大范围的线位移和角位移。图3?6(c)中的1、3和图3?6(d)中的1为固定电极板;2为可动电极板。
图3?6常见的变面积型电容式传感器的结构示意图1) 线位移式电容传感器
线位移式电容传感器如图3?6(a)所示。极板起始覆盖面积为A=ab,沿活动极板宽度方向移动Δa,则改变了两极板间覆盖的面积,忽略边缘效应,改变后的电容量为C′=εb(a-Δa)d=C0-εbdΔa(3?20)电容的变化量为ΔC=C-C′=εbdΔa=C0Δaa(3?21)其灵敏度为KC=ΔC/C0Δa=1a(3?22)式(3?22)说明其灵敏度系数KC为常数,可见减小极板宽度a可提高灵敏度,而极板的起始覆盖长度b与灵敏度系数KC无关。但b不能太小,必须保证b?d,否则边缘处不均匀电场的影响将增大。
平板式极板作线位移时*大的不足之处是对移动极板的平行度要求高,稍有倾斜就会导**间距d变化,影响测量精度。因此,在一般的情况下,变面积型电容式传感器常做成圆柱式的。
2) 圆柱式线位移电容传感器
图3?6(b)所示是圆柱式线位移电容传感器结构图,图3?6(c)所示是差动式线位移电容传感器结构图。由物理学相关知识可知,不计边缘效应影响时,圆柱式线位移电容传感器的电容量为C=2πεlln(r2/r1)(3?23)式中:l为外圆柱筒与内圆柱重叠部分的长度(高度);r2为外圆柱内径;r1为内圆柱外径。
动极板2(圆柱)沿轴线移动Δl时,电容的变化量为ΔC=2πεΔlln(r2/r1)=CΔll(3?24)其灵敏度为K=ΔC/CΔl=1l若采用如图3?6(c)所示的差动结构,动极板向上移动Δl,则使上面部分的电容量Ca增加,下面部分的电容量Cb减少,使输出为差动形式,有ΔC=Ca-Cb=2πε(l+Δl)ln(r2/r1)-2πε(l-Δl)ln(r2/r1)=2CΔll(3?25)其灵敏度为K=ΔC/CΔl=2l比较式(3?25)和式(3?24)可以看出,采用差动式结构,电容变化量增加一倍,则灵敏度也提高一倍,并且灵敏度为常数。
3) 角位移式电容传感器
如图3?6(d)所示为角位移式电容传感器。当两半圆极板重合时,其电容量为C=εSd=επr22d动极板2转过Δθ角,其电容量变为C′=εr2(π-Δθ)2d=εS(1-Δθ/π)d=C-CΔθπ则其电容变化量为ΔC=C-C′=CΔθπ(3?26)其灵敏度系数为KC=ΔC/CΔθ=1π(3?27)综合上述分析,变面积型电容式传感器不论被测量是线位移还是角位移,位移与输出电容都为线性关系(忽略边缘效应),并且传感器灵敏度系数为常数。
3. 变介电常数电容式传感器
图3?7所示为各种变介电常数电容式传感器的结构原理图。图3?7(a)所示结构用于测介电质的厚度δx;图3?7(b)所示结构用于测量位移量x;图3?7(c)所示结构用于测量液面位置和液量;图3?7(d)所示结构则根据介质的介电常数随温度、湿度、容量的改变而改变来测量温度、湿度、容量等参数。
图3?7变介电常数电容式传感器结构原理图如图3?8所示,厚度为d2的介质(介电常数为ε2)在电容器中移动时,电容器中介质的介电常数(总值)的改变使电容量改变,于是可用于测量位移量x。当C=CA+CB,d=d1+d2且无介质ε2时,有C0=ε1bl/d(3?28)式中:ε1为空气的介电常数;b为极板宽度;l为极板长度;d为极板间隙。
图3?8变介电常数电容式传感器当介质ε2移进电容器中x长度时,有CA=bxd1ε1+d2ε2(3?29)
CB=b(l-x)1d/ε1(3?30)
C=CA+CB=blε1d+bx1d1ε1+d2ε2-ε1d
=C0+C0xdlε2d1ε2+d2ε1-1d=C0+C01ldd1+ε1ε2d2-1x令A=1ldd1+ε1ε2d2-1,则有C=C0(1+Ax)(3?31)因式(3?31)中A是常数,电容量C与位移量x成线性关系。上述结论均忽略了边缘效应,实际上,由于边缘效应,将会产生非线性,使其灵敏度下降。
引起两极板间介质介电常数变化的因素,可以是介质含水量的变化、介质厚度或高度的变化或介质组分含量的变化。因此,变介电常数式电容传感器可以用来测量含水量、物位及介质厚度等物理参数。所要注意的是,当变介电常数电容式传感器的极板间存在导电物质时,极板表面应涂绝缘层(例如涂厚度为0.1 mm的聚四氟乙烯薄膜),防止极板短路。

在检测和自动控制领域,传感器是不可或缺的关键元件之一,学习和掌握各种类型传感器的特点特性,对于相关从业人员来说是非常重要的。本书的知识全面,内容详实,是一本****的介绍传感器技术的好书。

魏学业,北京交通大学教授,主要教授《检测技术》、《DSP技术及其应用》、《数据结构》、《**信号检测技术》、《现代检测技术》等课程,曾先后于2002年、2007年和2008年在日本千叶大学、英国利兹大学做访问学者。在相关领域有着丰富的教学和实践经验