1、 职业教育 职业培训 改革创新教材 全国高等职业院校、技师学院、技工及高级技工学校规划教材 传感器应用技术 张跃东 姚 卫 主 编 鲍 敏 李锦霞 林海翔 张海艳 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 副主编 内 容 简 介 本书遵循学生职业能力培养的基本规律，将典型传感器的基础知识和应用技术按项目进行整合，主要介绍传感器的基本概念及特性，温度测量系统、压力测量系统、物位测量系统的设计与调试，位移传感器的使用，以及各种光敏及气敏传感器的工作原理及应用。在传感器应用实例中，分别介绍传感器在机器人中的应用、传感器在楼宇智能化中的应用、
2、车用传感器，以及传感器在医学领域中的应用。本书内容以工程应用为载体，各项目融合常用传感器的基础知识和实际应用，知识讲解简明扼要、原理分析通俗易懂，并配备相应的插图和实践方案。在内容安排上也是由简到繁，逐步深入，便于读者理解，起到举一反三的效果。本书可作为高职和中职电子技术应用专业、数控及自动化专业、机电一体化专业等课程的教材，也可作为机电工程技术人员的参考书和自学用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 传感器应用技术张跃东，姚卫主编.北京：电子工业出版社，2015.5 ISBN 978-7-121-25293-8 .传.张姚
3、.传感器高等学校教材.TP212 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 305557 号 策划编辑：施玉新 责任编辑：李 蕊 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：10.5 字数：268.8 千字 版 次：2015 年 5 月第 1 版 印 次：2015 年 5 月第 1 次印刷 定 价：26.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务
4、热线：（010）88258888。前 言 本书贯彻专业与产业、职业岗位对接，专业课程内容与职业标准对接，教学过程与生产过程对接的职教理念，在内容编排上遵循学生职业能力培养的基本规律，以真实工作任务及其工作过程为依据，整合教学内容，科学设计学习性工作任务。全书由六个项目和传感器应用实例组成，参考学时 60 学时（含实验、实训）。项目一介绍传感器的基本概念及特性等。项目二项目四分别介绍温度测量系统、压力测量系统、物位测量系统的设计与调试。项目五介绍位移传感器的使用。项目六介绍各种光敏及气敏传感器的工作原理及应用。传感器应用实例中介绍了传感器在机器人中的应用、传感器在楼宇智能化中的应用、车用传感器，
5、以及传感器在医学领域中的应用。本书项目一、项目二、传感器应用实例由江苏省南京工程高等职业学校姚卫编写，项目三由泰兴中等专业学校鲍敏编写，项目四由仪征工业学校李锦霞编写，项目五由扬州高等职业技术学校林海翔编写，项目六由连云港市高级技工学校张海艳编写。全书由江苏省南京工程高等职业学校张跃东、姚卫主编。由于时间仓促且编者水平有限，书中难免有错误与不足，恳请广大读者批评指正。编 者 2015 年 2 月 V 目 录 上篇 传感器项目应用 项目一 认识传感器 （1）项目二 温度测量系统的设计与调试 （8）项目三 压力测量系统的设计与调试 （22）项目四 物位测量系统的设计与调试 （45）项目五 位移传感
6、器的使用（58）项目六 光敏及气敏传感器（68）下篇 传感器应用实例 实例一 传感器在机器人中的应用（82）实例二 传感器在楼宇智能化中的应用（91）实例三 车用传感器 （98）实例四 传感器在医学领域中的应用 （100）附录 A 热电偶、热电阻分度表 （103）附录 B 传感器选型表（107）参考文献（162）项目一 认识传感器 1 上篇 传感器项目应用 项目一 认识传感器 我们生活的世界是由物质组成的，一切物质都处在永恒不停的运动之中。物质的运动形式很多，它们通过化学现象或物理现象表现出来。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。人的体力劳动是通过人体五官（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉
7、）接收来自外界的信息，并将这些信息传递给大脑，在大脑中对这些信息进行运算、处理，然后传给肌体（如手足等）来执行某些动作。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律是远远不够的。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的外延，又称为电五官。表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。电量一般是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量则指除电量之外的一些参数，如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等。非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，因为一般电工仪表和电子仪器要求输入的信号
8、为电量信号。在由电子计算机控制的自动化系统中，要求输入的信息也为电量信号。一些在特殊场合下的非电量，如炉内的高温、带有腐蚀性液体的液位、煤矿内瓦斯的浓度等无法进行直接测量，这也需要将非电量转换成电量进行测量。这种把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法就是非电量电测法。实现这种转换的器件叫传感器。采用传感器技术的非电量电测法，是目前应用最广泛的测量技术。随着科学技术的发展，也出现了将光通量、化学量等作为可测量的传感器。现代科学技术使人类社会进入了信息时代，来自自然界的物质信息都需要通过传感器进行采集才能获取。传感器不仅充当着计算机、机器人、自动化设备的感觉器官及机电结合的接
9、口，而且已渗透到人类生产、生活的各个领域。传感器技术对现代化科学技术、现代化农业及工业自动化的发展起到基础和支柱的作用，已被世界各国列为关键技术之一。可以说，“没有传感器就没有现代化的科学技术，没有传感器也就没有人类现代化的生活条件”，传感器技术已成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一。近年来，随着家电工业的兴起，传感器技术也进入了人们的日常生活之中，如电冰箱中的温度传感器、监视煤气溢出的气敏传感器、防止火灾的烟雾传感器、防盗用的光电传感器等。在机械制造业中，通过对机床的加工精度、切削速度、床身振动等许多静态、动态参数进行在线测量，可控制加工质量；在化工、电力等行业中，如果不随时对生产工艺过
10、程中的温度、压力、流量等参数进行自动检测，在生产过程中就无法控制，甚至产生危险；在交通 传感器应用技术 2 领域，一辆现代化汽车所用的传感器多达数十种，用以检测车速、方位、转矩、震动、油压、油量、温度等，如图 1-1 所示；在国防科研中，传感器技术用得更多，许多尖端的检测技术都是因国防工业需要而发展起来的，如研究飞机的强度，就要在机身、机翼上贴几百片应变片，并进行动态特性的测试。图 1-1 汽车上的传感器 本项目力求通过对传感器的作用与分类、传感器的基本特性、传感器的测量误差与精度的简要介绍，使读者对传感器技术涉及的一些基本概念有一定了解。1传感器的组成 传感器通常由敏感元件和测量转换电路组成
11、，如图 1-2 所示。其中，敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分；传感元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很脆弱，所以需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式，这一部分一般称为测量转换电路。图 1-2 传感器的组成 传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器相配合。有些国家和学科领域，将传感器称为变换器、检测器或探测器等。项目一 认识传感器 3 应该说明，并不是所有的传感器都能明
12、显分清敏感元件、传感元件和测量转换电路三个部分，它们可能是三者合为一体。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的测量转换电路可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在统一芯片上。例如，半导体气体传感器、湿度传感器等，它们一般都是将感受到的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节。2传感器的定义和作用 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出信号（一般为电信号）的器件或装置。机电一体化技术是科学技术发展的必然产物，它使产品提高了自动化程度，提高了功能和经济效益。作为高科技代表的机电一体化系统一般由机械本体、传感器、控制装置和执行机构四部分组成。传感器将机械本体的工作状
13、态、生产过程等工业参数转换成电量，从而便于采用控制装置使控制对象按给定的规律变化，推动执行机构适时地调整机械本体的各种工作参数，使机械本体处于自动运行状态，并实行自动监视和自动保护。显然，传感器是机械本体与控制装置的“纽带”和“桥梁”，在机电一体化系统中起着重要作用。目前，传感器技术已成为一些发达国家的最重要的热门技术之一，其主要原因是它可以促进科学技术的飞跃发展，并给人们带来巨大的经济效益。可以说，自动化水平是衡量一个国家现代化水平的重要方面，而自动化水平是用传感器的种类、质量和数量来衡量的。3传感器的分类 传感器名目繁多，分类方法不尽相同，常见的分类方式有以下几种。1）按工作原理分类 按工
14、作原理可以分成参量传感器、发电传感器及特殊传感器。其中，参量传感器有触点传感器、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等；发电传感器有光电池传感器、热电偶传感器、霍尔式传感器、压电式传感器、磁电式传感器等；特殊传感器是不属于以上两种类型的传感器，如数字式传感器、光纤式传感器、红外探测器、激光检测等。这种分类方式的优点是可以把传感器按工作原理分类别的归纳起来，避免名目过多，且较为系统。2）按被测量性质分类 按被测量性质可以分成机械量传感器、热工作量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等。其中，机械量有力、长度、位移、速度、加速等；热工作量有温度、压力、流量等；成分量传感器是检测各气体
15、、液体、固体化学成分的传感器，如检测可燃性气体泄漏的气敏传感器；状态量传感器是检测设备运行的传感器，如由干簧管、霍尔元件做成的各种接近开关；探访传感器是用来检测金属制品内部的气泡和裂缝，检测人体内部器官的病灶等的各种传感器，如超声波探头、CT 探测器等。这种分类方法对使用者比较方便，容易根据测量对象的性质来选择所需用的传感器。3）按输出量种类分类 按输出量种类可分成模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器输出与被测量成一定关系的模拟信号，如果需要与计算机配合或用数字显示，还必须经过模/数（A/D）转换电路。传感器应用技术 4 数字式传感器输出的是数字量，可直接与计算机连接或作为数字显示，读取方
16、便，抗干扰能力强。4）按传感器的信号处理方法分类 按传感器的信号处理方法可以分成直接传感器、差动传感器和补偿传感器。直接传感器单独将被测量转换成所需要的输出信号，它的结构最简单，但灵敏度低，易受外界干扰。差动传感器把两个相同类型的直接传感器接在转换电路中，使两个传感器经受的相同干扰信号相减，而有用的被测量信号相加，从而提高了灵敏度和抗干扰能力，改善了特性曲线的线性度。补偿传感器要求显示装置的指示自动跟随被测量变化而变化，它一般把输出的电信号通过反向传感器变换成非电量，再与被测量进行比较，产生一个偏差信号。此偏差信号通过正向通路中的传感器变换成电量，经过测量、放大，然后输出供指示或记录，从而大大提高了测量精度和抗干扰能力。但这类传感器往往结构复杂，价格偏高，本书将介绍前两种结构形式的传感器。传感器常常按工作原理及被测量性质两种分类方式合二为一进行命名，如电感式位移传感器、光电式转速计、压电式加速度计等。这种命名使被测量与传感器的工作原理一目了然，便于使用者正确使用。4传感器的发展趋势 1）采用新技术、新材料的传感器 传感器工作的基本原理是建立在人们不断探索与发现各种新的物理现象、化学效应