目录■LM 6.5工程项目设计实例一压电传感器 思考题与习题… 249 在齿轮箱故障诊断中的应用… .149 拓展阅读参考资料列表 ,254 思考题与习题 157第11章数字式位置传感器 256 拓展阅读参考资料列表 159 11.1位置测量方式… 256 第7章超声波传感器 160 11.2 角编码器 258 7.1超声波的物理基础 160 11.3光播传感器 264 7,2 超声波换能器及耦合技术 11.4磁栅传感器 7.3超声波传感器的应用… ,168 11.5工程项目设计实例 一鞋粒机的 7.4无损探伤 172 数字化逆向制造系统 275 7.5工程项日设计实例—超声波传感器 思斯颗与习顺 280 在铁路钢轨探伤中的应用 176 拓展阅读参考资料列表 思考题与习题 第12章检测系统的抗干扰技术 ,285 拓展阅读参考资料列表 ,183 12.1 噪声及防护 285 第8章霍尔传感器 184 122检测技术中的电磁兼容原理 288 8.1霍尔元件的工作原理及特性 12.3几种电磁兼容控制技术 8,2霍尔集成电路…… 186 12.4 工程项目设计实例 一K型热电偶 83霍尔传感器的应用… 抗干扰放大器的设计 310 8.4 工程项目设计实例一油、气管道 思考题与习题 315 腐蚀及裂纹的漏磁法探伤检测· 193 拓展阅读参考资料列表 318 思考题与习题 198 第13章传感器在现代检测系统中的 拓腰阅读参考资料列表 200 综合应用 第9章热电偶传感器 13.1现代检测系统的基本结构 320 9.1温度测量的基本概念… 201 13.2基于虚拟仪器的检测系统 331 9,2热电偶的工作原理 13. 传感器在汽车中的应用 338 9.3热电偶的种类及结物… 206 134传感器在数机床中的应用 343 9.4热电偶冷端的延长。 209 13.5 传感器在机器人中的应用 346 9.5热电偶的冷端温度补偿及集成 13.6传感器在智能楼宇中的应用 350 温度传成器。 211 思考题与习题 9.6热电偶的应用及配套仪表 213 拓展阅读参考资料列表 359 9.7工程项目设计实例—热电偶在 附录 360 热力学法测量水泵效率中的应用 216 附录A常用传感器的性能与 思考题与习题 220 应用领域 360 拓展阅读参考资料列表 222 附录B压力单位转换对时照表 362 第10章光电传感器 223 附录C工业执由阳分度表 ·363 10.1光电效应及光电元件 223 附录D镍铬镍硅（镍铝）K型热 10.2光电元件的基本应用电路 231 电偶分度表……… .36d 10.3光电传感器的应用… 234 部分习题参考答案… ,368 10.4光电开关与光电断续器 242 参考文献 ·369 10.5工程项目设计实例 一光电传成器 在带钢开卷机纠偏控制中的应用 24
绪论 检测(Detection)是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装 置，将生产、科研、生活等各个方面的有关信息通过检查与测量的方法赋 予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为 自动检测技术 在信息社会的一切活动领域中，从日常生活、生产活动到科学实验，绪论拓展 时时处处都离不开检测。现代化的检测手段在很大程度上决定了生产、科阅读资料 学技术的发展水平，而科学技术的发展又为自动检测技术提供了新的理论基础和制造工艺 同时又对自动检测技术提出了更高的要求。 0.1 检测技术在国民经济中的地位和作用 检测技术是现代化领域中的重要技术，在工农业生产、生活和科研中有广泛的应用。 在机械制造行业中，通过对机床的许多静态、动态参数如工件的加工准确度、切削速度、 床身振动等进行在线检测，从而控制加工质量。在化工、电力等行业中，如果不随时对生产工 艺过程中的温度、压力、流量等参数进行自动检测，生产过程就无法控制进而产生危险。在交 通领域，现代汽车中的传感器就有几十种之多，分别用来检测车速、方位、负载、振动、油 压、油量、温度、燃烧过程等。在国防科研中，检测技术的应用更广泛，许多尖端的检测技术 都是因国防工业的需要而发展起来的。例如，研究飞机的强度，就要在机身、机翼上贴上几百片 应变片并进行动态测量：在导弹和航天器的研制中，检测技术就更为重要，必须对它们的每个构 件进行强度和动态特性的测试、EC试验等。近年来，随着家电行业的迅猛发展，检测技术也进 入了人们的日常生活中，例如，自动检测并按需调节房间温度和湿度的空调机；自动检测衣服污 度和重量、采用模糊技术的智能洗衣机：通过W摄像头远程监视房间情况的手机系统等。 近几十年来，自动控制理论和计算机技术迅速发展，并已应用到生产和生活的各个领 域。但是，作为“感觉器官”的传感器技术并没有与计算机技术协调发展，出现了信息处 理功能发达，检测功能不足的局面。目前许多国家已投入大量人力、物力，发展各类新型传 感器，检测技术在国民经济中的地位也日益提高。 0.2工业检测技术的内容 自动检测技术的内容较为广泛，常见的自动检测涉及的内容如表0-1所示
2帽自动检测技术及应用第3版 表0-1工业检测涉及的内容 被测量类型 被测量 被测量类型 被测量 温度、热量、比热容、热流、热分布 (压强)、差压、直空度 流量、 物体的性质 气体、液体、体的化学成分、浓度、黏 热工量 度、湿度 密度 酸碱度、浊度、 透明度 和成分量 速、物位、液位、界面 颜色 直线位移、角位移、速度、加速度、转 工作机械的运动状态（起停等）、生产 机械量2 速、应力、应变，力矩、振动、噪声。 状态量 备的异常状态（超温、过载、准稀，变形 量（重量）、机器人姿势 警损、堵塞、断裂等) 长度、厚度、角度、直径、间距、形状 电压、电流、功率、阻抗、率、脉宽 几何量列 平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料 电工量 相位、被形、顿谱、磁场强度、电场强度 缺陷 材料的磁性能 显然，在生产、科研、生活中，需要检测的量远不止表中所列举的项目。而且随着自动 化技术的发展，工业生产将对检测技术提出越来越高的要求。本书主要介绍非电量的检测， 对电工和电子课程中未讲述的一些电量的测量也做了简要介绍。 0.3自动检测系统的组成 非电量的检测多采用电测法，即首先将各种非电量转变为电量，然后经过一系列的处 理，将非电量参数显示出来，自动检测系统原理框图如图01所示 (1)系统框图系统框图(System Block Diagram)用于表示一个系统各部分和各环节之间 的关系，用来描述系统的输人、输出、中间处理等基本功能和执行逻辑过程的概念模式。在产品 说明书和科技论文中，系统框图能够清晰地表达比较复杂的系统各部分之间的关系及工作原理。 在检测系统中，将各主要功能或电路的名称画在框内，按信号的流程，将几个框用箭头 联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。对具体的检测系统或传感器而言，必须 将框图中的各项赋予具体的内容。 一显示器 非地基传珍器电址-位沙理电名.D数稀处寿装置 一执行机构 图0-1自动检测系统原理框图 (2)传感器传感器(Transducer）在本教材中是指一个能将被测非电量变换成电量的 器件（传感器的确切定义见第1.3节）。 (3)信号调理电路信号调理电路(Signal Conditioning)包括放大（或衰减）电路、 滤波电路、隔离电路等。放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能 力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。 (4)显示器目前常用的显示器(Monitor)有以下几种：模拟显示、数字显示、图像 显示及记录仪等。模拟量是指连续变化量：模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读
绪论■L3 数的，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。 数字显示目前多采用液品(LCD)和发光二极管)(LED)等，以数字的形式来显 示读数。LCD耗电少，集成度高，可以显示文字和曲线。有时还可用图表或彩色图等形式 来反映整个生产线上的多组数据。带背光板的LCD便于在夜间观看。ED亮度高、耐振动、 可活应较宽的温度范围。 记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程，常用的记录仪有笔式记录仪、高速打 印机、绘图仪、数字存储示波器、磁带记录仪、无纸记录仪等。 (5)数据处理装置数据处理装置(Data Processing)用来对测试所得的实验数据进行 处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果做频谱分析(Spectrum Analysis)等， 完成这些工作必须采用计算机技术。 数据处理的结果通常送到显示器和执行机构中去，以显示运算处理的各种数据或控制各 种被控对象。在不带数据处理装置的自动检测系统中，显示器和执行机构由信号调理电路直 接驱动，如图01中的虚线所示。 (6)执行机构所谓执行机构通常是指各种继电器(Relay)、电磁铁(Solenoid)、电磁 阀门)(Solenoid Valve)、电动调节阀(Solenoid Regulating Valve)、伺服电动机(Servo Moto）等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统 能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制系统的控制信号，去驱动这些执行 机构。 0.4自动检测系统举例 当代检测系统越来越多地使 用计算机或微处理器来控制执行 机构的工作。检测技术、计算机 技术与执行机构等配合构成各种 故大电路么-计算机☐ 自动控制系统。图0-2所示的自 动磨削测控系统就是自动检测的 显示器 一个典型例子。图中的传感器快 速检测出工件的直径参数D,计 算机一方面对直径参数做一系列 的运算、比较、判断等工作，然 图0.2自动磨削测控系统 后将有关参数送到显示器显示出 传感器2一被研磨工件3研磨盘 来；另一方面发出控制信号，控 制研磨盘的径向位移x,直到 工件加工到规定要求为止。该系统是一个自动检测与控制的闭环系统，也称反馈控制系统。 0.5检测技术的发展趋势 近年来，随着半导体、计算机技术的发展，新型或具有特殊功能的传感器不断涌现出
4自动检测技术及应用第3版 来，检测装置也向小型化、固态化及智能化方向发展，应用领域也越来越广。上至太空，下 至井下、海底，大到工业生产系统，小到家用电器、个人用品，人们都可以发现自动检测技 术的广泛运用。当前，检测技术的发展趋势主要体现在以下几个方面： 1,不断提高检测系统的测量准确度、扩大量程范围、延长使用寿命、提高可靠性 随着科学技术的不断发展，对检测系统测量精度的要求也相应地在提高。近年来，人们 研制出许多高准确度的检测仪器以满足各种需要。例如，用直线光栅测量直线位移时，测量 范围在十米以上，而分辨力可达微米级。人们已研制出能测量低至几个帕的微压力和高至几 千兆帕高压的压力传感器，开发了能够测出极微弱磁场的磁敏传感器等。 从20世纪60年代开始，人们对传感器的可靠性和故障率的数学模型进行了大量 的研究，使得检测系统的可靠性及寿命大幅度提高。现在许多检测系统可以在极其恶劣 的环境下连续工作数十万小时。目前人们正在不断努力进一步提高检测系统的各项性能 指标。 2.应用新技术和新的物理、化学效应，开拓检测领域 检测原理大多以各种物理效应为基础，近代物理学的进展如纳米技术、激光、红外、超 声、微波、光纤、放射性同位素等新成就都为检测技术的发展提供了更多的依据。如图像识 别、激光测距、红外测温、C型超声波无损探伤、放射性测厚、中子探测爆炸物)等非接 触测量得到迅速的发展。 20世纪70年代以前，检测技术主要用于工业部门。如今，检测领域正扩大到整个社会 的各个方面。不仅包括工程、海洋开发，字宙航行等尖端科学技术和新兴工业领域，而且已 涉及生物、医疗、环境污染监测、危险品和毒品的侦察、安全监测等方面，并且已开始渗透 到人们的日常生活之中。 3.发展集成化、功能化的传感器 随着半导体集成电路技术的发展，硅和砷化镓电子元器件的高度集成化大量地向传感器 领域渗透。人们将传感元件与信号调理电路制作在同一块硅片上，从而研制出体积更小、性 能更好、功能更强的传感器。例如，已研制出高准确度的P结测温集成电路。又如，人们 已能将排成阵列的上千万个光敏元件及扫描放大电路制作在一块芯片上，制成彩色CCD数 码照相机、摄像机以及可摄影的手机等。今后还将在光、磁、温度、压力等领域开发出新型 的集成度更高的传感器。 4.采用计算机技术，使自动检测技术更加智能化 自20世纪70年代微处理器问世以来，人们已将计算机技术应用到测量技术中，使检测 仪器智能化，从而扩展了功能，提高了准确度和可靠性，目前研制的检测系统大多都带有微 处理器。 5,发展机器人传感器 机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活： 具有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操作。机器人传感器在机器人的控制中起了 非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人的知觉功能和反应能力。 机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感 器、听觉传感器以及语言识别系统，使其能够完成复杂的工作