《传感器原理与检测技术/普通高等教育“十三五”规划教材》的主要内容分为三大部分:传感器的组成与工作原理;光电探测系统的组成与工作原理;传感器与光电探测系统中信号处理电路的低噪声电子设计原理和抗干扰技术。《传感器原理与检测技术/普通高等教育“十三五”规划教材》共分18章,第1章概要介绍了在检测领域中常用的传感器和光电探测系统这两类重要的检测装置,并对二者作了比较。接着,运用“信号与系统”的基本原理,对二者的静态特性、动态特性、频域特性、稳定特性和不失真特性进行了介绍和讨论。其余各章对上述三大部分内容进行了详细的分析和讨论。《传感器原理与检测技术/普通高等教育“十三五”规划教材》配有较多的例题和设计实例,便于读者自学。《传感器原理与检测技术/普通高等教育“十三五”规划教材》可供电类各专业学生作教材使用,也可供相关专业研究生阅读以及硬件系统设计工程师参考。

第1章概述
第1章
概述

现代社会已经全面进入信息化时代,传感器与检测技术已经深入我们生活的方方面面。传感器与检测系统是从自然和生产领域获取信息的重要设备和工具。它们有许多相同之处,也有一些不同之处,本章首先介绍二者的基本结构,然后将二者进行对比,讨论它们的异同点,以便在实际工作中更好地选用它们。

1.1传感元件与传感器
中华人民共和国**标准《传感器通用术语》(GB/T 7665—2005)3.1节对传感器(transducer/sensor)的定义为:“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信��的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。”其又进一步解释:“敏感元件(sensing element),指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件(transducing element),指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。”还指出:“当输出为规定的标准信号时,则称为变送器(transmitter)。”
按照**标准的定义,传感器仅由敏感元件和转换元件组成,这里的传感器,实际上是一个元器件,可理解为狭义的传感器。在实际工作中,仅含有敏感元件和转换元件,多数情况下不可能按一定的规律转换成可用输出信号,在转换元件后面一般都连接有信号调理与转换电路,并且还必须配以适当的电源。电源不仅供信号调理与转换电路使用,有时还得供转换元件使用。这样一来,通常所说的传感器,其组成框图如图1.1.1所示。


图1.1.1传感器的组成框图



由图1.1.1可以看出,传感器实际上应由四部分组成,分别是敏感元件、转换元件、信号调理与转换电路和电源等。当输出为规定的标准信号时,则称为变送器。由此可见,传感器或变送器都是一种前端检测设备,要得到一个完整的检测仪表或控制系统,在信号调理与转换电路后面还要增加相应的功能模块,如显示模块或功率驱动模块,以便实现信息的显示和设备的自动控制。
传感器的工作过程具体如下。
(1) 当敏感元件感受到被测量时,将其传送给转换元件。
(2) 转换元件在电源的帮助下(有的传感元件不需要)将敏感元件感受到的被测量的信息转换成电信号输出。
(3) 信号调理与转换电路将转换元件送来的微弱电信号进行初步的放大和处理。
实际上,在图1.1.1中,有时敏感元件和转换元件是合在一起无法区分的,因此可以把敏感元件和转换元件组成的传感器基本部分称为传感元件(或狭义传感器)。传感元件输出的信号十分微弱,往往只有μA、μV数量级,有的甚至只有nA、nV数量级。因此,后面的信号调理与转换电路中的前置放大器必须采用低噪声前置放大器和抗干扰技术。

注意:
在有些情况下,传感器在测温现场,而信号调理和转换电路在距离较远的中控室,传感元件输出的微弱信号要通过较长的导线才能传输到信号调理和转换电路,若不采取一定的抗干扰措施,是无法获得真实有用的信号的。

本书中后面用到“传感器”这个词时,既是指传感元件(或狭义传感器),还是指图1.1.1所示的传感器,读者可根据上下文来理解,有时也会在文中相应的位置注明。
传感器种类繁多,常用的有如下几大类:电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、超声波式传感器、光纤传感器等。
1.2光电探测器与光电探测系统
归纳有关文献对光电探测器的论述,可得出光电探测器的定义如下:光电探测器是一类能接收调制光或非调制光,在辅助电源的帮助下(有些不需要),将其转换成电信号输出的器件。常用的这类器件有光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、热电探测器、热释电探测器、光电二极管、 光电三极管、 PIN光电二极管、光电成像器件等。
在光电探测器的输出端接上低噪声前置放大器及相应的信号处理电路,就构成了光电探测系统。光电探测系统的组成框图如图1.2.1所示。


图1.2.1光电探测系统的组成框图



由图1.2.1可以看出,光电探测系统由五部分组成,分别是光调制(或聚焦)通道、光电探测器、低噪声前置放大器、信号处理电路和辅助电源等。
光调制通道由电机和调制盘组成,其作用是:当光通过调制通道时,被调制盘斩波,由连续光变成非连续光,即光由直流信号变为交流信号。聚焦通道则由一个或一组透镜组成,其作用是:当光通过聚焦通道后,可增强照射在光电探测器上光的强度,从而使光电探测器的输出信号增大。
光电探测系统的工作过程具体如下。
(1) 可见光或其他非可见光的电磁辐射经过调制通道的传输和调制后(有些系统是非调制通道,有些系统则是聚焦通道)到达光电探测器,在辅助电源的帮助下(有些不需要)产生微弱的电信号输出。
(2) 光电探测器输出的电信号十分微弱,往往只有μA、μV数量级,有的甚至只有nA、nV数量级。经过低噪声前置放大器放大后再送到信号处理电路进一步处理。
光电探测器输入的是光信号,输出的是电信号,光电探测器因此而得名。
根据光电探测系统所要完成功能的不同,信号处理电路会有很大的差异,但不管实现何种功能,低噪声前置放大器都是必不可少的。只有把光电探测器输出的微弱电信号放大到足够大,才能进行下一步的处理。有些情况下,仅用一级低噪声前置放大器是不够的,必须采用多级低噪声前置放大器的级联。在进行信号放大的同时,还必须采取防止内部串扰和外部干扰的相关措施。
1.3传感器与光电探测系统的比较
比较图1.1.1所示的传感器的组成框图和图1.2.1所示的光电探测系统的组成结构框图,可以发现传感器与光电探测系统的异同之处。
二者的相同之处如下。
(1) 传感器中由敏感元件感受被测物理量并由转换元件将其转换为微弱的电信号输出,同样,光电探测系统中由光电探测器接收光辐射的照射并将其转换为微弱的电信号输出。
(2) 传感器中连接在转换元件后面的是电子线路,同样,光电探测系统中连接在光电探测器后面的也是电子线路。
(3) 传感器中必须配备直流稳压电源,同样,光电探测系统中也必须配备直流稳压电源。
二者的不相同之处如下。
(1) 传感器中由敏感元件直接感受被测物理量,而光电探测系统中由光电探测器接收来自调制通道或聚焦通道的光辐射照射。
(2) 传感器中由转换元件输出的微弱信号一般直接送到信号调理与转换电路进行处理;而光电探测系统中由光电探测器输出的微弱信号一般必须先经过一级或多级低噪声前置放大器放大后,才能进一步处理。
如果在图1.2.1所示的光电探测系统的组成结构框图中,把低噪声前置放大器归于信号处理电路,把经过光调制或聚焦通道的输出作为光源,那么光电探测系统的组成就与传感器的组成没有区别,这时,光电探测器相当于传感器中的传感元件,它感受光的照射并把这种照射转换为微弱的电信号输出。鉴于此,**标准《传感器通用术语》(GB/T 7665—2005)中列入了三种常见的光电探测器,分别为3.1.27节的光导式传感器,3.1.28节的光伏式传感器和3.1.29节的热电式传感器。
对于使用传感元件或光电探测器来设计相关设备、产品的人员来说,重要的是掌握传感元件或光电探测器的外特性,以及在何种外部条件下才能获得佳性能。在设计前一定要对它们的外特性进行单独、反复的测试,并找到获得佳性能的外部条件,以便在设计中尽量满足此条件,达到获得佳性能的目的。
1.4传感器的一般特性
1.4.1静态特性
图1.1.1所示的传感器和图1.2.1所示的光电探测系统,都有各自的特性。但是,由“信号与系统”课程的知识可知,它们



图1.4.1用方框表示传感器

或光电探测系统


都符合“系统”的定义,即它们都是由若干相互联系、相互依赖的部件(或单元、元素)按一定规则组合而成,并能实现
一定功能的整体。因此,二者也有一些共性。若只考虑输入量和输出量之间的关系,而不计其内部的具体结构,二者都可以用图1.4.1所示的方框来表示,即它们都遵循“信号与系统”课程中所述“系统”所应遵循的一般规律。


图1.4.1中x(t)是传感器或光电探测系统的输入量,y(t)是输出量。这里的y(t)可以是系统的输出,也可以是传感元件或光电探测器的输出,因为可以把传感元件看成传感器的子系统,而将光电探测器看成是光电探测系统的子系统。
当输入量x(t)是常量x时,输出量y(t)也是对应的常量y。对于每一个常量x的输入,系统的输出都有一个常量y与之对应。若已知系统结构和元件参数,则可列出描述系统工作特性的数学方程,解这个方程即可求得输出和输入之间对应的函数关系如下。

第1章概述(1)
1.1传感元件与传感器(1)
1.2光电探测器与光电探测系统(2)
1.3传感器与光电探测系统的比较(3)
1.4传感器的一般特性(3)
习题1(11)

第2章金属丝应变片传感器(12)
2.1金属丝应变片传感器的结构框图(12)
2.2金属丝的应变效应(12)
2.3金属丝应变片的结构(14)
2.4金属丝应变片的主要特性和参数(16)
2.5金属丝应变片的测量与转换电路(19)
2.6金属丝应变片的温度误差及其补偿(28)
2.7金属丝应变片传感器的应用(30)
习题2(33)

第3章半导体压阻式传感器(35)
3.1概述(35)
3.2半导体应变片的工作原理、结构与特性(35)
3.3测量与转换电路(39)
3.4半导体压阻式传感器的应用(41)
习题3(44)

第4章气敏传感器与湿敏传感器(45)
4.1气敏传感器(45)
4.2湿敏传感器(50)
习题4(61)

第5章电容式传感器及其应用(62)
5.1概述(62)
5.2电容式传感器的工作原理与分类(62)
5.3变极距型电容式传感器(63)
5.4变面积型电容式传感器(65)
5.5变介质型电容式传感器(67)
5.6电容式传感器的等效电路与测量电路(69)
5.7电容式传感器的误差成因分析(74)
5.8电容式传感器的应用(75)
习题5(80)

第6章电感式传感器及其应用(82)
6.1自感式传感器(82)
6.2差动变压器式传感器(87)
6.3电涡流式传感器(90)
6.4电感式传感器的应用(93)
习题6(96)

第7章压电式传感器及其应用(97)
7.1电介质及其电偶极矩(97)
7.2石英晶体及其压电效应(98)
7.3压电材料及其压电效应(99)
7.4压电式传感器的等效电路与测量电路(100)
7.5压电式传感器的应用(105)
习题7(107)

第8章热电式温度传感器及其应用(108)
8.1热电偶(108)
8.2热电阻(118)
8.3PN结集成温度传感器(122)
8.4热敏电阻(129)
习题8(131)

第9章光纤传感器及其应用(133)
9.1概述(133)
9.2光纤的结构与种类(133)
9.3光纤的传光原理(135)
9.4光纤传感器的结构原理及分类(137)
9.5光纤传感器的主要元器件及选择(140)
9.6光纤传感器的应用(142)
习题9(145)

第10章光电探测器及其应用(146)
10.1光的基本性质与度量(146)
10.2光子探测器及其应用(151)
10.3光电导探测器及其应用(163)
10.4光伏探测器及其应用(169)
10.5光电耦合器件(182)
习题10(184)

第11章红外传感器及其应用(185)
11.1红外辐射的基本知识(185)
11.2红外探测系统的组成(187)
11.3红外探测器(188)
11.4典型的红外探测器及其构成的红外探测系统(191)
习题11(196)

第12章磁敏传感器及其应用(198)
12.1霍尔效应与霍尔元件(198)
12.2霍尔元件的激励电源与后置电压放大器(204)
12.3霍尔集成电路(205)
12.4霍尔传感器的应用(208)
12.5磁敏电阻及其应用(211)
12.6磁敏二极管及其应用(216)
12.7磁敏三极管及其应用(221)
习题12(225)

第13章智能传感器(227)
13.1智能传感器的发展史(227)
13.2智能传感器的定义、结构、优点与发展方向(227)
13.3智能传感器实例(230)
习题13(232)

第14章传感器网络简介(233)
14.1概述(233)
14.2传感器网络的结构(233)
14.3传感器网络信息交换体系(234)
14.4传感器网络的通信协议(236)
习题14(238)

第15章无线传感器网络(239)
15.1概述(239)
15.2无线传感器网络的结构(240)
15.3无线传感器网络的操作系统(241)
15.4无线传感器网络的特征(242)
15.5无线传感器网络的应用(244)
习题15(245)

第16章噪声与干扰的基本知识(246)
16.1引言(246)
16.2噪声与干扰的基本知识(247)
16.3噪声的关联与相加(250)
16.4含多个噪声源的电路及其计算法则(251)
16.5等效噪声带宽(252)
16.6噪声的基本属性(255)
16.7噪声对数字系统的影响(258)
习题16(261)

第17章低噪声前置放大器(262)
17.1放大器的噪声电压噪声电流(EnIn)模型(262)
17.2等效输入噪声及简化计算法则(262)
17.3噪声系数(263)
17.4佳源电阻Ropt与小噪声系数NFmin(265)
17.5噪声温度(266)
17.6多级放大器的噪声系数NF1,2,…,n(267)
17.7耦合网络的低噪声设计原则(268)
17.8低噪声前置放大器的选用(270)
17.9噪声参数的测量(272)
17.10低噪声前置放大器对电源的要求(276)
17.11低噪声集成运算放大器的选用(276)
17.12设计举例(278)
习题17(280)

第18章屏蔽接地技术(282)
18.1抗干扰方法(282)
18.2干扰源的种类及频谱分析(282)
18.3干扰对电路的作用形态(283)
18.4在干扰传播途径中**干扰的措施(285)
18.5正确选用电源及采用电源滤波器(294)
习题18(295)

参考文献(296)

本书的主要内容分为三大部分:传感器的组成与工作原理;光电探测系统的组成与工作原理;传感器与光电探测系统中信号处理电路的低噪声电子设计原理和抗干扰技术。本书共分18章,第1章概要介绍了在检测领域中常用的传感器和光电探测系统这两类重要的检测装置,并对二者作了比较。接着,运用“信号与系统”的基本原理,对二者的静态特性、动态特性、频域特性、稳定特性和不失真特性进行了介绍和讨论。其余各章对上述三大部分内容进行了详细的分析和讨论。本书配有较多的例题和设计实例,便于读者自学。本书可供电类各专业学生作教材使用,也可供相关专业研究生阅读以及硬件系统设计工程师参考。