光机电一体化丛书--光电传感器及其应用

没有传感器技术就没有“现代科学技术”的观点已为全世界所公认。传感器技术是关于传感器及其敏感元件与材料的一门综合型技术。随着光机电一体化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、测试中不可缺少的重要技术工具，传感器技术的应用已遍及国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等和日常生活的各个领域。现代社会已步入信息时代，传感器技术、计算机技术与信息技术一起已成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。如果没有高度保真和性能可靠的传感器及其应用技术，那么信息的准确获取就成了一句空话，信息技术和计算机技术也就成了无源之水。本书论述了光电传感器的原理、特点和作用,介绍了传感器的研究状态以及应用情况,并给出了其在许多领域的应用实例。
本书是《光机电一体化丛书》的一册，全书共分14章,第1章对传感器的定义、构成、分类、作用以及发展趋势进行了阐述；第2章较为详细地讨论了电阻应变式传感器的原理、测量电路及其应用；第3章对电容式传感器原理以及应用进行阐述；第4章介绍了电感式传感器原理、等效电路的分析和应用实例；第5章对压电式传感器原理和应用进行了阐述；第6章对磁敏传感器的原理和应用范围进行了讨论；第7章简要地介绍了磁电式传感的原理以及应用；第8章主要介绍了温度传感器的原理、特点以及应用；第9章讨论了光学传感器原理、性能与特点；第10章扼要介绍了光栅传感器性能、特点以及应用；第11章重点论述了光电式传感器原理、特点和应用；第12章对光纤传感器的原理、基本构成和主要调制技术进行了系统介绍，并列举了应用实例；第13章主要介绍了红外传感器原理以及在工业和军事上的应用；第14章阐述了固态图像传感器的原理、特点以及在工业上的应用。
本书的特色是较全面地论述了光电传感器的原理和实际应用, 可供希望了解或使用光电传感器的工程技术人员阅读，也可供高等工科院校有关专业的研究生和本科学生作为教材和参考书使用。
本书的编写过程中，作者参阅和引用了大量书籍、期刊以及技术资料，可以说没有这些论著及文献，本书是不可能完成的。在此对有关作者表示衷心的感谢，对他们的辛勤工作表示崇高的敬意。对于有些遗漏、未能列出的文献和资料，编者向其作者表示诚挚的感谢。
本书编写过程中，刁岩斌、董毅、肖强、成玲、胡佳豪、滕兵、张良春、范岩、任华建参与了资料收集、绘图、制表和文字校对工作；李恩光副教授、马小健副教授、丁彩红副教授、陈家新博士、诸龙根老师和徐青老师给予大力协助，在此，编者一一向他们表示感谢。
由于编者学识水平有限，成书时间仓促，书中肯定存在一些错误和不恰当之处，恳请广大读者给予批评指正。

编者２００４年3月

传感器是获取信息的工具，它涉及整个科学技术、国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等和日常生活的各个领域，是现代信息技术的重要支柱技术之一。本书较为详细地阐述和分析了光电传感器的原理、特点和作用，介绍了传感器的研究状态以及应用情况，并给出了其在许多领域的应用实例。

第1章绪论１
１．１概述１
１．２传感器在科学技术领域中的重要性２
１．３传感器的分类２
１．４传感器的基本性能３
１．５传感器技术的发展趋势４
第2章电阻应变式传感器６
２．１电阻应变式传感器的工作原理６
２．１．１基本原理６
２．１．２金属材料与半导体材料的应变效应７
２．2电阻应变片的结构与分类９
２．３电阻应变片的特性１０
２．３．１静态特性１０
２．３．２动态特性１２
２．４电阻应变片的变换电路１４
２．４．１直流电桥的原理与平衡条件１４
２．４．２电压灵敏度与对称电桥１５
２．４．３电桥的分析１６
２．４．４非线性误差及其补偿１８
２．４．５交流电桥平衡的原理与条件１９
２．４．５．１输出电压及平衡条件１９
２．４．５．２交流电桥的输出特性及零位平衡２０
２．５电阻应变式传感器２２
251电阻应变式力传感器２２
２．５．１．１柱式力传感器２２
２．５．１．２梁式力传感器２４
２．５．２电阻应变式压力传感器２５
２．５．３电阻应变式加速度传感器２９
２．６电阻应变式传感器的应用２９
２．６．１平面膜片式压力传感器应用２９
２．６．２电阻应变片在轧制力检测中的应用３０
２．６．３应变传感器在衡器中的应用３１
第3章电容式传感器３４
３．１电容式传感器的工作原理３４
３．１．１工作原理３４
３．１．２平行板电容式传感器的工作方式３４
３．２电容式传感器的信号变换电路３９
３．２．１交流不平衡电桥４０
３．２．２二极管环形检波电路４２
３．２．３差动脉冲宽度调制电路４３
３．２．４运算放大器测量电路４５
３．３电容式传感器的应用４７
３．３．１电容式差压变送器４７
３．３．２膜片电极式压力传感器４８
３．３．３电容式测微仪５０
３．３．４电容式液位计５０
３．３．５电容测厚仪５３
３．３．６利用电容量变化效应的温度传感器５４
第4章电感式传感器５５
４．１变气隙自感式传感器的工作原理５５
４．２变气隙自感式传感器的等效电路５７
４．２．１等效电路５７
４．２．２等效电路的分析５７
４．３开磁路螺线管式电感传感器５９
４．４开磁路差动式电感传感器６１
４．５电感式传感器的信号变换电路６２
４．６互感式电感传感器６５
４．７电涡流式传感器６７
４．７．１高频反射式涡流传感器６７
４．７．２低频透射式电涡流传感器６９
４．７．３电涡流式传感器的测量电路７1
４．８电感式传感器的应用７３
４．８．１变磁阻式传感器的应用７３
４．８．２电涡流式传感器的应用７７
第5章压电式传感器８０
５．１压电式传感器的工作原理８０
５．１．１压电效应８０
５．１．２压电常数和表面电荷的计算８２
５．２压电材料８４
５．２．１压电晶体８４
５．２．２压电陶瓷８４
５．３压电式传感器的等效电路８５
５．４压电式传感器的信号调节电路８７
５．４．１电压放大器(阻抗变换器)８７
５．４．２电荷放大器９０
５．５压电式加速度传感器９１
５．５．１工作原理９１
５．５．２灵敏度９２
５．５．３频率特性９２
５．５．４压电式加速度传感器的结构９４
５．６压电式测力传感器９５
５．７压电式传感器的应用９６
第6章磁敏传感器９８
６．１霍尔传感器９８
６．１．１霍尔效应９８
６．１．２霍尔元件９９
６．１．３霍尔元件的应用１００
６．２集成霍尔传感器１０４
６．３磁敏电阻１０６
６．３．１磁敏电阻的工作原理与特性１０６
６．３．２磁敏电阻基本应用电路１０７
６．４磁敏二极管和磁敏三极管１０９
６．４．１磁敏二极管的结构和工作原理１０９
６．４．２磁敏三极管的结构和工作原理１１２
６．５磁敏式传感器应用１１４
第7章磁电式传感器１１９
７．１磁电式传感器的工作原理１１９
７．２动圈式磁电传感器１１９
７．２．１动圈式磁电传感器工作原理１１９
７．２．２动圈式磁电传感器结构１２０
７．２．３信号变换电路１２１
７．３磁阻式磁电传感器１２１
７．３．１工作原理１２１
７．３．２转速脉冲变换电路１２２
７．４磁电式传感器的频率响应特性１２３
７．５磁电式传感器的应用１２４
７．５．１磁电式振动速度传感器１２４
７．５．２磁电式转速传感器１２５
７．５．３磁电式扭矩仪１２５
７．５．４机载振动检测系统１２５
第8章温度传感器１２７
８．１热电偶１２７
８．１．１热电偶的基本原理１２７
８．１．２热电偶的结构与类型１３１
８．１．３热电偶的冷端温度补偿１３２
８．１．４热电偶实用测温电路１３４
８．２热电阻传感器１３６
８．２．１金属热电阻１３６
８．２．２热电阻的测量电路１３７
８．３半导体热敏电阻１３７
８．３．１热敏电阻的主要特性１３８
８．３．２热敏电阻的应用１４０
８．４晶体管和集成温度传感器１４４
８．４．１晶体管温度传感器１４４
８．４．２集成温度传感器１４５
第9章光学传感器１４９
９．１光学传感器类型以及特性参数１４９
９．１．１光学传感器类型１４９
９．１．２光学传感器的特性参数１４９
９．２光学传感器用光源１５０
９．２．１激光光源１５１
９．２．１．１半导体激光器１５１
９．２．１．２气体激光器１５３
９．２．２发光二极管(LED)１５３
９．２．３普通光源１５５
９．３半导体色敏光学传感器１５５
９．３．１色敏传感系统与色度学基础１５5
９．３．２半导体色敏传感器１５７
９．４集成光学传感器１５９
９．４．１光波导原理１５９
９．４．２平面波导传感器１６３
９．４．２．１致密型波导集成光学传感器１６３
９．４．２．２多微孔波导集成光学传感器１６６
９．４．３马赫泽德干涉型集成光学传感器１６７
９．４．４迈克耳逊干涉型集成光学传感器１６８
第10章光栅传感器１６９
１０．１计量光栅的基本原理１６９
１０．１．１光栅１６９
１０．１．２光栅的种类１６９
１０．１．３莫尔条纹１７０
１０．２光栅传感器的工作原理１７４
１０．２．１莫尔条纹测量位移原理１７４
１０．２．２辨向原理１７６
１０．３莫尔条纹细分原理１７７
１０．３．１光栅细分的方法１７７
１０．３．２直接细分１７７
１０．３．３细分电桥基本原理１７９
１０．４光栅传感器的应用１８１
第11章光电式传感器１８３
１１．１光电导传感器１８３
１１．１．１光敏电阻的特性１８３
１１．１．２光敏电阻的偏置电路１８７
１１．２光生伏特传感器１８８
１１．２．１光电池１８９
１１．２．２硅光电二极管１９０
１１．２．３硅光电三极管１９３
1124光电场效应管１９４
１１．３光电发射器件１９５
１１．３．１光电管１９５
１１．３．２真空光电倍增管的基本工作原理１９６
１１．３．３光电倍增管的倍增极１９７
１１．３．４光电倍增管的基本特性１９８
１１．４光电式传感器的应用２０１
１１．４．１模拟式光电传感器的应用２０１
１１．４．２脉冲式光电传感器的应用２０３
第12章光纤传感器２０４
１２．１光学纤维的结构和基本原理２０４
１２．２光强度调制型光纤传感器２０６
１２．２．１微弯效应的光强度调制技术２０７
１２．２．２光强度的外调制技术２１１
１２．２．３强度调制型光纤传感器２１４
１２．３相位调制型光纤传感器２２２
１２．３．１光纤光波干涉技术２２２
１２．３．２光纤干涉仪２２4
１２．３．３光波相位调制型光纤传感器２２６
１２．４光波偏振调制型光纤传感器２29
１２．４．１光波偏振调制型光纤传感器的工作原理２29
１２．４．２光纤电磁参量传感器２３1
第13章红外传感器２３5
１３．１红外传感系统和光学系统２３6
１３．１．１红外传感系统２３6
１３．１．２红外光学系统２３6
１３．２红外传感器２３7
１３．２．１热传感器２３7
１３．２．２光子红外传感器２４7
１３．３红外测温２49
１３．３．１红外测温的特点２49
１３．３．２红外测温原理２49
１３．３．３红外测温仪２49
１３．４红外成像２５0
１３．４．１红外成像原理２５0
１３．４．２红外成像仪２５2
１３．５红外分析仪２５3
１３．６红外无损检测２５4
１３．６．１焊接缺陷的无损检测２５4
１３．６．２铸件内部缺陷探测２５5
１３．６．３疲劳裂纹探测２５5
１３．７红外探测技术在军事上的应用２５5
１３．７．１红外侦察２５6
１３．７．２红外雷达２５6
第14章固态图像传感器２５7
１４．１ＣＣＤ的基本结构和工作原理２５8
１４．１．１ＣＣＤ的基本结构２５8
１４．１．２ＭＯＳ的工作原理２５8
１４．１．３ＣＣＤ电荷的产生和输出２６0
１４．２ＣＣＤ图像传感器２６2
１４．２．１线型固态图像传感器２６2
１４．２．２面型固态图像传感器２６5
１４．３ＣＣＤ图像传感器的主要特性２７1
１４．４红外固态图像传感器２７5
１４．４．１引言２７5
１４．４．２混合式ＩＲＣＣＤ传感器２７5
１４．４．３单片集成式ＩＲＣＣＤ传感器２７6
１４．５微光ＣＣＤ像传感器２７7
１４．６固态图像传感器的应用２７8
１４．６．１固态图像传感器输出的特点２７8
１４．６．２尺寸测量２７8
１４．６．３图像处理装置２８0
参考文献２８2