傳感器技術基礎（王豐）

為了加強在國際市場上的競爭力，中國制造業急需進行全新的升級和轉變，以實現由制造大國向制造強國的歷史跨越。2015年發布的“中國制造2025”是強化高端制造業的國家戰略計劃，其指導思想是以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為制造強國建設的主攻方向。若要實現智能制造，需要包括感知層、網絡層、執行層和應用層在內的多個層次上的技術產品支持。其中，處于感知層的傳感器技術是實現智能制造的基石和關鍵所在。通過各類傳感器，制造系統具備了能夠賦予其智能的各種“器官”，使其能夠在生產過程中實時采集各種數據，并快速地進行處理和傳輸，以便及時調整自身的加工狀態，從而生產出符合要求的高質量產品。
黨的二十大報告指出，教育是國之大計、黨之大計。育人的根本在于立德。因此，如何在教材建設中充分體現立德樹人的教育理念，是筆者傾心考慮并積極努力的一個方向。傳感器技術在智能制造領域中的應用十分廣泛，其中蘊含的思政元素也極其豐富，本書在密切關注傳感器技術在智能制造領域的典型應用和最新發展的同時，深入挖掘專業知識中包含的思想價值和精神內涵，并盡可能在章前的思維導圖中為學生提供關于思政的思考方向，以達到知識體系和思想政治教育有機融合的目的。
本書以傳感器基本概念和基本原理、工業機器人中的傳感器及先進技術三條主線展開，專業脈絡清晰。全書分為3篇，共12章，包括傳感器基礎知識、傳感器基本原理及其在智能制造中的典型應用實例，以及無線傳感器網絡和多傳感器信息融合等豐富的內容，使學生能夠對傳感器技術及其在智能制造中的工程應用有清晰、系統、全面的了解，為其未來從事智能制造創新設計或工程應用工作打下堅實的基礎。
全書由王豐統稿和定稿，參與人員包括王豐、張總、王志軍和馮永利，具體分工為第1、2、9～11章由張總編寫，第3～8章由王豐編寫，第12章由馮永利和王志軍共同編寫。
在編寫過程中，筆者參閱了大量的相關書籍和學術論文，在此對所有作者一并表達最真摯的謝意。由于智能制造及傳感器技術學科知識豐富且發展迅速，囿于筆者水平，書中難免存在不妥之處，敬請各位高校同仁及讀者批評指正，筆者將感激之至。

編著者 

王豐，華北理工大學機械工程學院，教授，研究生導師。長期從事傳感與測試相關技術的研究與教學工作。主持科研項目省級3項、市級5項，發明專利3項，發表學術論文40余篇；主持科研項目“高溫液體連續測溫系統”獲市級科技進步獎；主講課程有機械工程測試技術、機電一體化系統設計、機電傳動與控制等。

本書是“高等院校智能制造人才培養系列教材”之一，面向智能制造相關專業。
本書分為3篇，共12章，包括基礎篇（緒論、傳感器的特性及標定、電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器）、工業機器人篇（工業機器人中的傳感器）及先進技術篇（無線傳感器網絡、多傳感器信息融合技術）。章中設置有思維導圖、學習目標、案例引入、拓展閱讀材料（二維碼）、本章小結及習題與思考題等內容。
本書可作為高等院校智能制造工程、機械設計制造及其自動化、機械電子工程、機械工程、車輛工程、包裝工程、工業工程、過程裝備與控制工程等專業的本科生和研究生教材，也可供從事相關工作的工程技術人員參考。

基礎篇
第1章　緒論	2
1.1 傳感器的基本概念	4
1.1.1 傳感器的定義	4
1.1.2 傳感器的分類	5
1.2 傳感器技術的應用領域與發展趨勢	7
1.2.1 傳感器技術的應用領域	7
1.2.2 傳感器技術的發展趨勢	8
1.3 智能制造中常用的傳感器	10
1.3.1 加工系統中的傳感器	10
1.3.2 物流系統中的傳感器	10
1.4 傳感器在智能制造中的作用與地位	11
1.4.1 傳感器的作用	12
1.4.2 傳感器的地位	12
本章小結	13
習題與思考題	13

第2章　傳感器的特性與標定	14
2.1 靜態特性及性能指標	16
2.1.1 線性度	17
2.1.2 遲滯	18
2.1.3 重復性	19
2.1.4 靈敏度	19
2.1.5 漂移和穩定性	20
2.1.6 分辨率和閾值	20
2.2 動態特性及性能指標	21
2.2.1 傳感器動態誤差	21
2.2.2 傳遞函數	22
2.2.3 一階傳感器系統	24
2.2.4 二階傳感器系統	26
2.3 測量誤差的基本概念	28
2.3.1 測量誤差及其分類	29
2.3.2 誤差的表示形式	31
2.4 傳感器的標定	32
2.4.1 傳感器的靜態標定	32
2.4.2 傳感器的動態標定	33
2.5 傳感器的選擇	36
本章小結	37
習題與思考題	38

第3章　電阻式傳感器	39
3.1 電位器式傳感器	41
3.1.1 電位器式傳感器的工作原理與特性	41
3.1.2 電位器式傳感器的結構形式與特點	42
3.1.3 電位器式傳感器的測量電路	43
3.2 電阻應變式傳感器	43
3.2.1 金屬電阻應變片	44
3.2.2 半導體應變片	47
3.2.3 固態壓阻式傳感器	48
3.2.4 電阻應變式傳感器的測量電路及溫度補償	50
3.3 電阻式傳感器在智能制造中的典型應用	52
3.3.1 切削力測量	52
3.3.2 裝配預緊力測量	53
本章小結	54
習題與思考題	55

第4章　電感式傳感器	57
4.1 自感式傳感器	59
4.1.1 自感式傳感器的工作原理	59
4.1.2 單圈式自感傳感器	60
4.1.3 差動式自感傳感器	61
4.1.4 自感式傳感器的測量電路	62
4.2 互感式傳感器	63
4.2.1 互感式傳感器的工作原理	63
4.2.2 互感式傳感器的測量電路	64
4.3 渦流式傳感器	65
4.3.1 高頻反射式渦流傳感器	65
4.3.2 低頻透射式渦流傳感器	66
4.3.3 渦流式傳感器的測量電路	67
4.4 感應同步器	68
4.4.1 感應同步器的結構與工作原理	68
4.4.2 感應同步器輸出信號的處理方式	70
4.5 磁柵傳感器	71
4.5.1 磁柵傳感器的結構與工作原理	71
4.5.2 磁柵傳感器輸出信號的處理方式	72
4.6 電感式傳感器在智能制造中的典型應用	73
4.6.1 位移測量	73
4.6.2 無損檢測	74
4.6.3 數字位置測量	74
本章小結	76
習題與思考題	77

第5章　電容式傳感器	79
5.1 電容式傳感器的基本原理	81
5.2 電容式傳感器的種類及其特性	81
5.2.1 極距變化型電容傳感器	81
5.2.2 面積變化型電容傳感器	83
5.2.3 介電常數變化型電容傳感器	85
5.3 電容式傳感器的測量電路	86
5.3.1 橋式電路	86
5.3.2 調頻電路	87
5.3.3 運算放大器電路	87
5.4 容柵傳感器	87
5.4.1 直線容柵	88
5.4.2 圓容柵	88
5.5 電容式傳感器在智能制造中的典型應用	89
5.5.1 位移測量	89
5.5.2 數顯量具	89
本章小結	90
習題與思考題	91

第6章　壓電式傳感器	92
6.1 壓電式傳感器的工作原理	93
6.1.1 壓電效應	93
6.1.2 壓電式傳感器的基本結構與等效電路	95
6.2 壓電式傳感器的測量電路	97
6.2.1 電壓放大器	97
6.2.2 電荷放大器	98
6.3 壓電式傳感器在智能制造中的典型應用	99
6.3.1 振動加速度測量	99
6.3.2 切削力測量	99
本章小結	101
習題與思考題	101

第7章　磁電式傳感器	102
7.1 磁電感應式傳感器	103
7.1.1 磁電感應式傳感器的工作原理	103
7.1.2 動圈式磁電感應傳感器	104
7.1.3 動鐵式磁電感應傳感器	104
7.1.4 磁阻式磁電感應傳感器	104
7.2 霍爾式傳感器	105
7.2.1 霍爾式傳感器的工作原理	105
7.2.2 霍爾式傳感器的集成化	107
7.3 磁電式傳感器在智能制造中的典型應用	108
7.3.1 振動速度測量	108
7.3.2 轉速測量	109
7.3.3 工件缺陷漏磁檢測	109
7.3.4 AGV磁性導航	110
本章小結	110
習題與思考題	111

第8章　光電式傳感器	112
8.1 光電效應	114
8.2 光電元件	114
8.2.1 光敏電阻	114
8.2.2 光電池	115
8.2.3 光敏管	116
8.3 光電開關	117
8.3.1 光電開關的組成與特點	117
8.3.2 光電開關的種類	117
8.4 光電編碼器	118
8.4.1 增量式光電編碼器	119
8.4.2 絕對式光電編碼器	120
8.5 光纖傳感器	121
8.5.1 光纖結構與傳光原理	121
8.5.2 光纖傳感器的工作原理與分類	122
8.6 光柵傳感器	124
8.6.1 光柵的種類與構造	124
8.6.2 光柵的工作原理	124
8.6.3 光柵的辨向與細分技術	126
8.7 光電式傳感器在智能制造中的典型應用	127
8.7.1 帶材跑偏檢測	127
8.7.2 零件表面缺陷檢測	128
8.7.3 轉速測量	128
8.7.4 工位編碼	129
8.7.5 光柵數顯表	130
本章小結	131
習題與思考題	131

第9章　熱電式傳感器	133
9.1 熱電偶	134
9.1.1 熱電偶的工作原理	134
9.1.2 熱電偶的基本定律	136
9.1.3 熱電偶的冷端補償及測溫線路	137
9.2 熱電阻	140
9.2.1 金屬熱電阻	140
9.2.2 常用熱電阻	141
9.3 熱敏電阻	143
9.4 熱電式傳感器在智能制造中的典型應用	145
本章小結	146
習題與思考題	146


工業機器人篇
第10章　工業機器人中的傳感器	148
10.1 視覺傳感器	150
10.1.1 CCD傳感器	150
10.1.2 CMOS傳感器	153
10.1.3 機器視覺系統構成及工作原理	155
10.2 力覺傳感器	156
10.2.1 力覺傳感器的種類	156
10.2.2 多維力覺傳感器及其工作原理	158
10.3 聽覺傳感器	159
10.3.1 聽覺傳感器的種類	159
10.3.2 聽覺傳感器的工作原理	161
10.4 觸覺傳感器	161
10.4.1 觸覺傳感器的種類	162
10.4.2 接觸覺傳感器的工作原理	162
10.4.3 滑覺傳感器的工作原理	162
10.5 接近覺傳感器	163
10.5.1 超聲波測距傳感器	164
10.5.2 激光測距傳感器	165
10.5.3 紅外測距傳感器	165
本章小結	166
習題與思考題	166


先進技術篇
第11章　無線傳感器網絡	168
11.1 無線傳感器網絡的基本概念與體系結構	170
11.1.1 無線傳感器網絡及其體系結構	170
11.1.2 傳感器節點結構	171
11.1.3 無線傳感器網絡協議棧結構	172
11.2 無線傳感器網絡的特點	173
11.2.1 與傳統無線網絡的區別	173
11.2.2 傳感器節點的限制	173
11.2.3 無線傳感器網絡的特點	174
11.3 無線傳感器網絡的應用	175
11.4 無線傳感器網絡的關鍵技術	178
本章小結	183
習題與思考題	183

第12章　多傳感器信息融合技術	184
12.1 多傳感器信息融合的概念	185
12.2 多傳感器信息融合的分類	186
12.2.1 基于信息融合階段的分類	186
12.2.2 基于信息融合模型結構的分類	188
12.3 多傳感器信息融合的常用算法	189
12.4 多傳感器信息融合技術的實施	193
12.4.1 多傳感器的布局及原則	193
12.4.2 多傳感器的聯合標定	194
12.4.3 多傳感器信息融合過程	196
12.5 多傳感器信息融合技術在智能制造中的應用	196
12.5.1 多傳感器信息融合技術在移動機器人導航中的應用	197
12.5.2 多傳感器信息融合技術在切削加工中的應用	198
12.5.3 多傳感器信息融合技術在倉儲管理中的應用	199
12.5.4 多傳感器信息融合技術在機器故障診斷中的應用	200
12.6 多傳感器融合技術的發展方向	200
本章小結	201
習題與思考題	201


參考文獻	203