传感器技术基础（王丰）

为了加强在国际市场上的竞争力，中国制造业急需进行全新的升级和转变，以实现由制造大国向制造强国的历史跨越。2015年发布的“中国制造2025”是强化高端制造业的国家战略计划，其指导思想是以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为制造强国建设的主攻方向。若要实现智能制造，需要包括感知层、网络层、执行层和应用层在内的多个层次上的技术产品支持。其中，处于感知层的传感器技术是实现智能制造的基石和关键所在。通过各类传感器，制造系统具备了能够赋予其智能的各种“器官”，使其能够在生产过程中实时采集各种数据，并快速地进行处理和传输，以便及时调整自身的加工状态，从而生产出符合要求的高质量产品。
党的二十大报告指出，教育是国之大计、党之大计。育人的根本在于立德。因此，如何在教材建设中充分体现立德树人的教育理念，是笔者倾心考虑并积极努力的一个方向。传感器技术在智能制造领域中的应用十分广泛，其中蕴含的思政元素也极其丰富，本书在密切关注传感器技术在智能制造领域的典型应用和最新发展的同时，深入挖掘专业知识中包含的思想价值和精神内涵，并尽可能在章前的思维导图中为学生提供关于思政的思考方向，以达到知识体系和思想政治教育有机融合的目的。
本书以传感器基本概念和基本原理、工业机器人中的传感器及先进技术三条主线展开，专业脉络清晰。全书分为3篇，共12章，包括传感器基础知识、传感器基本原理及其在智能制造中的典型应用实例，以及无线传感器网络和多传感器信息融合等丰富的内容，使学生能够对传感器技术及其在智能制造中的工程应用有清晰、系统、全面的了解，为其未来从事智能制造创新设计或工程应用工作打下坚实的基础。
全书由王丰统稿和定稿，参与人员包括王丰、张总、王志军和冯永利，具体分工为第1、2、9～11章由张总编写，第3～8章由王丰编写，第12章由冯永利和王志军共同编写。
在编写过程中，笔者参阅了大量的相关书籍和学术论文，在此对所有作者一并表达最真挚的谢意。由于智能制造及传感器技术学科知识丰富且发展迅速，囿于笔者水平，书中难免存在不妥之处，敬请各位高校同仁及读者批评指正，笔者将感激之至。

编著者 

王丰，华北理工大学机械工程学院，教授，研究生导师。长期从事传感与测试相关技术的研究与教学工作。主持科研项目省级3项、市级5项，发明专利3项，发表学术论文40余篇；主持科研项目“高温液体连续测温系统”获市级科技进步奖；主讲课程有机械工程测试技术、机电一体化系统设计、机电传动与控制等。

本书是“高等院校智能制造人才培养系列教材”之一，面向智能制造相关专业。
本书分为3篇，共12章，包括基础篇（绪论、传感器的特性及标定、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、热电式传感器）、工业机器人篇（工业机器人中的传感器）及先进技术篇（无线传感器网络、多传感器信息融合技术）。章中设置有思维导图、学习目标、案例引入、拓展阅读材料（二维码）、本章小结及习题与思考题等内容。
本书可作为高等院校智能制造工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程、机械工程、车辆工程、包装工程、工业工程、过程装备与控制工程等专业的本科生和研究生教材，也可供从事相关工作的工程技术人员参考。

基础篇
第1章　绪论	2
1.1 传感器的基本概念	4
1.1.1 传感器的定义	4
1.1.2 传感器的分类	5
1.2 传感器技术的应用领域与发展趋势	7
1.2.1 传感器技术的应用领域	7
1.2.2 传感器技术的发展趋势	8
1.3 智能制造中常用的传感器	10
1.3.1 加工系统中的传感器	10
1.3.2 物流系统中的传感器	10
1.4 传感器在智能制造中的作用与地位	11
1.4.1 传感器的作用	12
1.4.2 传感器的地位	12
本章小结	13
习题与思考题	13

第2章　传感器的特性与标定	14
2.1 静态特性及性能指标	16
2.1.1 线性度	17
2.1.2 迟滞	18
2.1.3 重复性	19
2.1.4 灵敏度	19
2.1.5 漂移和稳定性	20
2.1.6 分辨率和阈值	20
2.2 动态特性及性能指标	21
2.2.1 传感器动态误差	21
2.2.2 传递函数	22
2.2.3 一阶传感器系统	24
2.2.4 二阶传感器系统	26
2.3 测量误差的基本概念	28
2.3.1 测量误差及其分类	29
2.3.2 误差的表示形式	31
2.4 传感器的标定	32
2.4.1 传感器的静态标定	32
2.4.2 传感器的动态标定	33
2.5 传感器的选择	36
本章小结	37
习题与思考题	38

第3章　电阻式传感器	39
3.1 电位器式传感器	41
3.1.1 电位器式传感器的工作原理与特性	41
3.1.2 电位器式传感器的结构形式与特点	42
3.1.3 电位器式传感器的测量电路	43
3.2 电阻应变式传感器	43
3.2.1 金属电阻应变片	44
3.2.2 半导体应变片	47
3.2.3 固态压阻式传感器	48
3.2.4 电阻应变式传感器的测量电路及温度补偿	50
3.3 电阻式传感器在智能制造中的典型应用	52
3.3.1 切削力测量	52
3.3.2 装配预紧力测量	53
本章小结	54
习题与思考题	55

第4章　电感式传感器	57
4.1 自感式传感器	59
4.1.1 自感式传感器的工作原理	59
4.1.2 单圈式自感传感器	60
4.1.3 差动式自感传感器	61
4.1.4 自感式传感器的测量电路	62
4.2 互感式传感器	63
4.2.1 互感式传感器的工作原理	63
4.2.2 互感式传感器的测量电路	64
4.3 涡流式传感器	65
4.3.1 高频反射式涡流传感器	65
4.3.2 低频透射式涡流传感器	66
4.3.3 涡流式传感器的测量电路	67
4.4 感应同步器	68
4.4.1 感应同步器的结构与工作原理	68
4.4.2 感应同步器输出信号的处理方式	70
4.5 磁栅传感器	71
4.5.1 磁栅传感器的结构与工作原理	71
4.5.2 磁栅传感器输出信号的处理方式	72
4.6 电感式传感器在智能制造中的典型应用	73
4.6.1 位移测量	73
4.6.2 无损检测	74
4.6.3 数字位置测量	74
本章小结	76
习题与思考题	77

第5章　电容式传感器	79
5.1 电容式传感器的基本原理	81
5.2 电容式传感器的种类及其特性	81
5.2.1 极距变化型电容传感器	81
5.2.2 面积变化型电容传感器	83
5.2.3 介电常数变化型电容传感器	85
5.3 电容式传感器的测量电路	86
5.3.1 桥式电路	86
5.3.2 调频电路	87
5.3.3 运算放大器电路	87
5.4 容栅传感器	87
5.4.1 直线容栅	88
5.4.2 圆容栅	88
5.5 电容式传感器在智能制造中的典型应用	89
5.5.1 位移测量	89
5.5.2 数显量具	89
本章小结	90
习题与思考题	91

第6章　压电式传感器	92
6.1 压电式传感器的工作原理	93
6.1.1 压电效应	93
6.1.2 压电式传感器的基本结构与等效电路	95
6.2 压电式传感器的测量电路	97
6.2.1 电压放大器	97
6.2.2 电荷放大器	98
6.3 压电式传感器在智能制造中的典型应用	99
6.3.1 振动加速度测量	99
6.3.2 切削力测量	99
本章小结	101
习题与思考题	101

第7章　磁电式传感器	102
7.1 磁电感应式传感器	103
7.1.1 磁电感应式传感器的工作原理	103
7.1.2 动圈式磁电感应传感器	104
7.1.3 动铁式磁电感应传感器	104
7.1.4 磁阻式磁电感应传感器	104
7.2 霍尔式传感器	105
7.2.1 霍尔式传感器的工作原理	105
7.2.2 霍尔式传感器的集成化	107
7.3 磁电式传感器在智能制造中的典型应用	108
7.3.1 振动速度测量	108
7.3.2 转速测量	109
7.3.3 工件缺陷漏磁检测	109
7.3.4 AGV磁性导航	110
本章小结	110
习题与思考题	111

第8章　光电式传感器	112
8.1 光电效应	114
8.2 光电元件	114
8.2.1 光敏电阻	114
8.2.2 光电池	115
8.2.3 光敏管	116
8.3 光电开关	117
8.3.1 光电开关的组成与特点	117
8.3.2 光电开关的种类	117
8.4 光电编码器	118
8.4.1 增量式光电编码器	119
8.4.2 绝对式光电编码器	120
8.5 光纤传感器	121
8.5.1 光纤结构与传光原理	121
8.5.2 光纤传感器的工作原理与分类	122
8.6 光栅传感器	124
8.6.1 光栅的种类与构造	124
8.6.2 光栅的工作原理	124
8.6.3 光栅的辨向与细分技术	126
8.7 光电式传感器在智能制造中的典型应用	127
8.7.1 带材跑偏检测	127
8.7.2 零件表面缺陷检测	128
8.7.3 转速测量	128
8.7.4 工位编码	129
8.7.5 光栅数显表	130
本章小结	131
习题与思考题	131

第9章　热电式传感器	133
9.1 热电偶	134
9.1.1 热电偶的工作原理	134
9.1.2 热电偶的基本定律	136
9.1.3 热电偶的冷端补偿及测温线路	137
9.2 热电阻	140
9.2.1 金属热电阻	140
9.2.2 常用热电阻	141
9.3 热敏电阻	143
9.4 热电式传感器在智能制造中的典型应用	145
本章小结	146
习题与思考题	146


工业机器人篇
第10章　工业机器人中的传感器	148
10.1 视觉传感器	150
10.1.1 CCD传感器	150
10.1.2 CMOS传感器	153
10.1.3 机器视觉系统构成及工作原理	155
10.2 力觉传感器	156
10.2.1 力觉传感器的种类	156
10.2.2 多维力觉传感器及其工作原理	158
10.3 听觉传感器	159
10.3.1 听觉传感器的种类	159
10.3.2 听觉传感器的工作原理	161
10.4 触觉传感器	161
10.4.1 触觉传感器的种类	162
10.4.2 接触觉传感器的工作原理	162
10.4.3 滑觉传感器的工作原理	162
10.5 接近觉传感器	163
10.5.1 超声波测距传感器	164
10.5.2 激光测距传感器	165
10.5.3 红外测距传感器	165
本章小结	166
习题与思考题	166


先进技术篇
第11章　无线传感器网络	168
11.1 无线传感器网络的基本概念与体系结构	170
11.1.1 无线传感器网络及其体系结构	170
11.1.2 传感器节点结构	171
11.1.3 无线传感器网络协议栈结构	172
11.2 无线传感器网络的特点	173
11.2.1 与传统无线网络的区别	173
11.2.2 传感器节点的限制	173
11.2.3 无线传感器网络的特点	174
11.3 无线传感器网络的应用	175
11.4 无线传感器网络的关键技术	178
本章小结	183
习题与思考题	183

第12章　多传感器信息融合技术	184
12.1 多传感器信息融合的概念	185
12.2 多传感器信息融合的分类	186
12.2.1 基于信息融合阶段的分类	186
12.2.2 基于信息融合模型结构的分类	188
12.3 多传感器信息融合的常用算法	189
12.4 多传感器信息融合技术的实施	193
12.4.1 多传感器的布局及原则	193
12.4.2 多传感器的联合标定	194
12.4.3 多传感器信息融合过程	196
12.5 多传感器信息融合技术在智能制造中的应用	196
12.5.1 多传感器信息融合技术在移动机器人导航中的应用	197
12.5.2 多传感器信息融合技术在切削加工中的应用	198
12.5.3 多传感器信息融合技术在仓储管理中的应用	199
12.5.4 多传感器信息融合技术在机器故障诊断中的应用	200
12.6 多传感器融合技术的发展方向	200
本章小结	201
习题与思考题	201


参考文献	203