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上篇　传感器1

第1章　概述1

1.1　课程简介1

1.1.1　本课程的地位和作用1

1.1.2　本课程内容体系结构2

1.1.3　本课程的任务及要求3

1.2　传感器的定义与组成5

1.3　传感器的分类6

1.4　传感器技术的发展7

1.4.1　传感器性能的改善8

1.4.2　开展基础理论研究8

1.4.3　传感器的集成化10

1.4.4　传感器的智能化10

1.4.5　传感器的网络化10

1.4.6　传感器的微型化11

能力拓展：生活中的传感器11

思考题和习题11

第2章　传感器的基本特性12

2.1　传感器的静态特性12

2.1.1 线性度12

2.1.2　灵敏度13

2.1.3　分辨率13

2.1.4　迟滞14

2.1.5　重复性14

2.1.6　漂移14

2.2　传感器的动态特性14

2.2.1　传感器的数学模型16

2.2.2　传递函数16

2.2.3　频率响应函数17

2.2.4　传感器的动态特性分析17

2.3　传感器的标定与校准19

2.3.1　静态标定20

2.3.2　动态标定20

能力拓展：实现不失真测量的条件21

思考题和习题21

第3章　电阻式传感器23

3.1 工作原理23

3.1.1　应变效应23

3.1.2　应变片种类24

3.1.3 电阻应变片温度误差及其补偿26

3.2　测量电路28

3.2.1　直流电桥28

3.2.2　交流电桥31

3.3　典型应用34

3.3.1　电阻式力传感器34

3.3.2　电阻式压力传感器36

3.3.3　电阻式液体重量传感器36

能力拓展一：电阻式加速度传感器的原理分析37

能力拓展二：数字血压计的设计38

思考题和习题38

第4章　电感式传感器39

4.1　变磁阻式传感器39

4.1.1　工作原理39

4.1.2　输出特性40

4.1.3　测量电路42

4.1.4　变磁阻式传感器的应用44

4.2　差动变压器式传感器45

4.2.1　变隙式差动变压器45

4.2.2　螺线管式差动变压器47

4.2.3　差动变压器式传感器的应用52

4.3　电涡流式传感器53

4.3.1　工作原理53

4.3.2　等效电路54

4.3.3　测量电路55

4.3.4　电涡流式传感器的应用57

能力拓展一：电感式传感器在滚珠直径分选中的应用57

能力拓展二：电涡流式安全门的应用调查与原理分析58

思考题和习题58

第5章　电容式传感器59

5.1　工作原理59

5.1.1　变面积型60

5.1.2　变介质型61

5.1.3　变极距型62

5.2　测量电路65

5.2.1　调频电路65

5.2.2　变压器式交流电桥66

5.2.3　运算放大器66

5.2.4　二极管双T型交流电桥67

5.2.5　脉冲宽度调制电路68

5.3　典型应用70

5.3.1 电容式压力传感器70

5.3.2　电容式位移传感器71

5.3.3　电容式加速度传感器72

5.3.4　电容式厚度传感器72

能力拓展：工业生产料位测量方案的设计73

思考题和习题73

第6章　压电式传感器74

6.1 工作原理74

6.1.1　压电效应74

6.1.2　压电材料74

6.2　测量电路79

6.2.1　等效电路79

6.2.2　测量电路80

6.2.3　压电元件的连接与变形83

6.3　典型应用84

6.3.1　压电式力传感器84

6.3.2　压电式加速度传感器85

能力拓展：压电式传感器在汽车中的应用85

思考题和习题85

第7章　磁敏式传感器87

7.1　磁电感应式传感器87

7.1.1　工作原理87

7.1.2　测量电路91

7.1.3　磁电感应式传感器的应用92

7.2　霍尔式传感器94

7.2.1　工作原理94

7.2.2　测量电路98

7.2.3　霍尔式传感器的应用99

能力拓展：基于霍尔元件的油气管道无损探伤系统的设计101

思考题和习题101

第8章　热电式传感器102

8.1　热电偶102

8.1.1　热电偶测温原理102

8.1.2　热电偶的结构与种类109

8.1.3　热电偶的冷端温度补偿111

8.1.4　热电偶的实用测温电路114

8.1.5　热电偶的选用与安装116

8.1.6　热电偶的应用116

8.2　热电阻117

8.2.1　铂热电阻118

8.2.2　铜热电阻118

8.2.3　热电阻的测量电路119

8.2.4　热电阻的应用120

8.3　热敏电阻121

8.3.1　热敏电阻的特性122

8.3.2　热敏电阻的应用122

能力拓展：火灾探测报警系统的设计123

思考题和习题123

第9章　光电式传感器125

9.1　概述125

9.1.1　光电式传感器的类别125

9.1.2　光电式传感器的基本形式125

9.2　光电效应与光电器件127

9.2.1　外光电效应型光电器件127

9.2.2　内光电效应型光电器件130

9.3　CCD固体图像传感器141

9.3.1　CCD的工作原理142

9.3.2　CCD固体图像传感器的分类144

9.3.3　CCD固体图像传感器的特性参数146

9.3.4　CCD固体图像传感器的应用147

9.4　光纤传感器149

9.4.1　光纤149

9.4.2　光纤传感器151

9.4.3　光纤传感器的应用153

9.5　光电式编码器154

9.5.1　码盘式编码器155

9.5.2　脉冲盘式编码器157

9.5.3　光电式编码器的应用159

9.6　计量光栅160

9.6.1　光栅的结构和工作原理160

9.6.2　计量光栅的组成162

9.6.3　计量光栅的应用164

能力拓展一：光电式传感器应用调查165

能力拓展二：手机生产线表面安装元件定位检测与控制系统设计165

思考题和习题165

第10章　辐射与波式传感器167

10.1　红外传感器167

10.1.1　工作原理167

10.1.2　红外传感器的应用169

10.2　微波传感器173

10.2.1　微波传感器的原理、组成及特点173

10.2.2　微波传感器的应用175

10.3　超声波传感器179

10.3.1 工作原理179

10.3.2　超声波传感器的应用182

能力拓展：入侵探测报警系统的设计187

思考题和习题187

第11章　化学传感器189

11.1　气敏传感器189

11.1.1　气敏传感器概述189

11.1.2　半导体式气敏传感器的工作原理191

11.1.3　气敏传感器的应用194

11.2　湿敏传感器196

11.2.1　湿敏传感器概述196

11.2.2　常用湿敏传感器的基本原理198

11.2.3　湿敏传感器测量电路202

11.2.4　湿敏传感器的应用203

能力拓展：防止酒后开车控制器的设计205

思考题和习题205

第12章　生物传感器206

12.1　概述206

12.1.1　生物传感器的概念206

12.1.2　生物传感器的特点207

12.1.3　生物传感器的分类207

12.1.4　生物传感器的应用207

12.2　工作原理208

12.2.1　生物分子特异性识别209

12.2.2　生物放大210

12.2.3　信号转换与处理210

12.2.4　几种主要的生物传感器211

12.3　生物芯片212

12.4　生物传感器的发展214

能力拓展：生物传感器的应用状况调查214

思考题和习题215

第13章　新型传感器216

13.1　智能传感器216

13.1.1　智能传感器的特点216

13.1.2　智能传感器的作用217

13.1.3　智能传感器的设计218

13.1.4　智能传感器的实现219

13.1.5　智能传感器的应用实例220

13.2　模糊传感器222

13.2.1　模糊传感器概述223

13.2.2　模糊传感器的结构224

13.2.3　典型模糊传感器举例226

13.3　微传感器229

13.3.1　MEMS与微加工229

13.3.2　微传感器概述231

13.3.3　压阻式微传感器231

13.3.4　电容式微传感器234

13.3.5　电感式微传感器236

13.3.6　热敏电阻式微传感器237

13.4　网络传感器238

13.4.1　网络传感器的概念238

13.4.2　网络传感器的类型238

13.4.3　基于IEEE1451标准的网络传感器239

13.4.4　网络传感器测控系统体系结构246

13.4.5　网络传感器的应用前景246

能力拓展：新型传感器发展前景预测247

思考题和习题247

中篇　检测技术248

第14章　参数检测248

14.1　概述248

14.1.1　检测技术在国民经济中的地位和作用248

14.1.2　参数检测的基本概念248

14.1.3　工业检测的主要内容252

14.2　参数检测的一般方法253

14.2.1　过程参数检测254

14.2.2　机械量参数检测259

14.2.3　其他参数检测261

14.3　检测技术的发展261

能力拓展：同一被测量的不同检测方法比较262

思考题和习题262

第15章　微弱信号检测263

15.1　概述263

15.2　噪声263

15.3　微弱信号检测方法265

15.3.1　相关检测法265

15.3.2　同步积累法270

思考题和习题274

第16章　软测量275

16.1　概述275

16.2　软测量的方法275

16.2.1　选择辅助变量275

16.2.2　输入数据的处理276

16.2.3　建立软测量模型277

16.2.4　软测量模型的在线校正279

16.3　软测量的意义及其适用条件279

思考题和习题280

第17章　多传感器数据融合281

17.1　概述281

17.1.1　数据融合的起源281

17.1.2　数据融合的目的281

17.1.3　数据融合的定义282

17.1.4　数据融合的特性282

17.1.5　数据融合的优点283

17.2　数据融合的基本原理283

17.2.1　数据融合的层次283

17.2.2　数据融合的处理形态284

17.2.3　数据融合模型285

17.2.4　数据融合的关键技术287

17.3　数据融合的方法288

17.3.1　随机类方法288

17.3.2　人工智能类方法289

17.4　数据融合系统的应用290

思考题和习题291

第18章　测量不确定度与回归分析292

18.1　测量误差概述292

18.2　测量误差的处理296

18.2.1　粗大误差的处理296

18.2.2　随机误差的处理297

18.2.3　系统误差的处理300

18.2.4　间接测量误差的传递301

18.2.5　测量误差的合成302

18.2.6　测量误差的分配303

18.3　测量不确定度305

18.3.1　概述305

18.3.2　测量不确定度的评定方法306

18.4　最小二乘法与回归分析309

18.4.1　最小二乘法309

18.4.2　一元线性拟合312

18.4.3　多元线性拟合312

18.4.4　曲线拟合313

思考题和习题313

下篇　检测系统315

第19章　虚拟仪器315

19.1 概述315

19.1.1　虚拟仪器的基本概念315

19.1.2　虚拟仪器的构成与特点315

19.1.3　虚拟仪器技术的应用318

19.1.4　虚拟仪器的整体设计318

19.2　虚拟仪器系统的开发环境319

19.2.1 LabWindows/CVI319

19.2.2　LabVIEW323

19.3　虚拟仪器系统的数据采集325

19.3.1 基于LabWindows/CVI的数据采集325

19.3.2　基于LabVIEW的数据采集325

19.4　基于虚拟仪器的综合工程实例328

19.4.1　概述329

19.4.2　系统关键技术329

19.4.3　系统功能及运行结果334

能力拓展：虚拟仪器设计实践337

思考题与习题337

第20章　自动检测系统338

20.1 自动检测系统的组成338

20.1.1　数据采集系统338

20.1.2　输入输出通道343

20.1.3 自动检测系统的软件344

20.2　自动检测系统的基本设计方法346

20.2.1　系统需求分析346

20.2.2　系统总体设计347

20.2.3　采样速率的确定348

20.2.4　标度变换349

20.2.5　硬件设计350

20.2.6　软件设计353

20.2.7　系统的集成与维护353

20.3　典型自动检测系统举例354

20.3.1 自动温度测量系统354

20.3.2　无线传感器网络356

20.4　自动检测系统的发展362

能力拓展一：液体点滴速度监控装置的设计363

能力拓展二：无线温度采集系统的设计363

能力拓展三：智能环境的设想364

思考题和习题364

附录365

参考文献368