测量仪表与测量技术 原书第2版PDF电子书下载

第1章　测量系统 1

1.1 引言 1

1.2　测量系统的结构 1

1.2.1　传感器的动态特性 3

1.2.2　信号调整小结 5

1.3　测量误差 6

1.3.1　过失误差 6

1.3.2　系统误差 6

1.4　测量标准 11

1.4.1　电气标准 11

1.4.1.1 电位差 12

1.4.1.2　电阻 15

1.4.1.3　电流和电荷 20

1.4.1.4　电容 23

1.4.1.5　电感 24

1.4.2　时间和频率 26

1.4.3　物理标准 27

1.4.3.1　质量 27

1.4.3.2　长度 28

1.4.3.3　温度 29

1.4.3.4　国际单位制的基本单位 29

1.5　本章小结 29

习题 30

第2章　模拟信号调整 33

2.1 引言 33

2.2　差动放大器 33

2.2.1　差动放大器特性分析 33

2.2.2　共模抑制比 34

2.2.3　共模抑制比、AD和Ac的测量 35

2.2.4　内阻不平衡对共模抑制比的影响 35

2.3　运算放大器 38

2.3.1　运算放大器的分类 39

2.3.2　利用运算放大器设计基本的宽带放大器 40

2.3.2.1　同相放大器 41

2.3.2.2　反相放大器及加法器 42

2.3.3　电流反馈型运算放大器 43

2.4　利用普通运算放大器构成模拟有源滤波器 47

2.4.1　引言 47

2.4.2　模拟有源滤波器结构 48

2.4.2.1　受控源有源滤波器 48

2.4.2.2　四次有源滤波器 50

2.4.2.3　通用阻抗变换器有源滤波器 53

2.4.2.4　高阶有源滤波器 55

2.4.3　运算放大器积分器和微分器 56

2.4.4　小结 58

2.5　测量放大器 58

2.5.1　采用运算放大器构成的测量放大器 58

2.5.2　隔离放大器 61

2.5.3　自动调零型放大器 63

2.5.4　绝对隔离方案 65

2.5.5　小结 65

2.6　利用运算放大器和特殊函数模型进行非线性模拟信号处理 65

2.6.1　引言 65

2.6.2　精密绝对值电路 66

2.6.3　多功能转换器 68

2.6.4　真有效值直流转换器 68

2.6.5　平方根电路和除法器电路 71

2.6.6　峰值检测器和跟踪－保持电路 72

2.6.7　对数比和三角函数集成电路 75

2.6.8　小结 77

2.7　电荷放大器 77

2.7.1　用作压电传感器的电荷放大器 77

2.7.2　用作积分电量计的电荷放大器 79

2.7.3　小结 80

2.8　相敏检波器 80

2.8.1　双边带抑制载波调制 81

2.8.2　利用模拟乘法器解调DSBSCM信号 82

2.8.3　其他相敏检波器设计 62

2.8.4　锁定放大器 83

2.8.4.1　引言 83

2.8.4.2　利用锁定放大器提高的信噪比计算 85

2.8.5　小结 89

2.9 本章小结 89

习题 90

第3章　测量中的噪声和相干干扰 98

3.1 引言 98

3.2　电路中的随机噪声 98

3.2.1　概率密度函数 99

3.2.2　功率密度谱 99

3.2.3　信号调整系统中的噪声源 102

3.2.3.1　电阻器噪声 102

3.2.3.2　有源器件的两源噪声模型 104

3.2.3.3 JFET中的噪声 104

3.2.3.4 BJT中的噪声 106

3.3　高斯噪声通过线性滤波器的传播 107

3.4　放大器的宽带噪声因数和噪声系数 108

3.5　点噪声因数和点噪声系数 110

3.6　放大器Fspot的变压器优化设计和输出信噪比 112

3.7　级联的有噪声放大器 113

3.8　具有噪声限制的给定信号调整系统中分辨率的计算 114

3.8.1 有噪声反相运算放大器最小可分辨交流输入电压的计算 114

3.8.2　有白色和1/f噪声的最小可分辨直流电流的计算 115

3.8.3　为获得变压器耦合可调放大器特定的输出信噪比，最小可分辨交流输入信号的计算 117

3.8.4　在给定SNRo条件下计算单臂电桥中最小的△R/R 118

3.8.5　给定已知ena和ina的简单反相运算放大器，确定其最大输出信噪比的存牛 119

3.9 目前用于测量信号调整系统中的低噪声放大器 120

3.10　相干干扰及其最小化 121

3.10.1　相干干扰源 121

3.10.1.1　相干干扰的直接静电耦合 122

3.10.1.2　相干干扰的直接磁感应 123

3.10.1.3　接地环路 124

3.10.2　相干干扰的解决方法 125

3.10.2.1　电力线低通滤波器 125

3.10.2.2　瞬变电压抑制器 126

3.10.2.3　在同轴电缆中通过磁耦合感应的相干干扰 127

3.10.2.4　同轴电缆屏蔽单独接地以阻止接地环路干扰 130

3.10.2.5　采用纵向扼流圈或中和变压器衰减共模相干干扰 131

3.10.2.6　通过实验检验电缆和接地方案以获得最小的噪声耦合 132

3.10.2.7　电路的接地 134

3.10.2.8　铁氧体磁环和旁路电容器 135

3.10.2.9　利用隔离变压器和光耦合器阻断接地环路 135

3.10.2.10　光耦合器 135

3.10.2.11　采用保护和屏蔽方法减小共模相干干扰 135

3.10.3　减小相干干扰技术小结 140

3.11　本章小结 141

习题 142

第4章　直流零位测量法 147

4.1 引言 147

4.2　单臂电桥分析 148

4.3　双臂电桥分析 150

4.4　安德森恒流环 151

4.4.1　引言 151

4.4.2　用于传感器组的安德森环 153

4.4.3　小结 158

4.5　电位差计 158

4.6　本章小结 159

习题 160

第5章　交流零位测量法 164

5.1　引言 164

5.2　电感等效电路 164

5.3　电容等效电路 165

5.4　交流单臂电桥 167

5.5　交流电桥 168

5.5.1 测量电容的电桥 168

5.5.1.1　电阻比电桥 168

5.5.1.2　西林电桥 169

5.5.1.3　并联电容电桥 169

5.5.1.4　德绍蒂电桥 170

5.5.1.5　维恩电桥 171

5.5.1.6　换向电容电桥 172

5.5.2　测量电感和互感的电桥 173

5.5.2.1　麦克斯韦电桥 173

5.5.2.2　并联电感电桥 174

5.5.2.3　海氏电桥 174

5.5.2.4　欧文电桥 175

5.5.2.5　安德森电桥 176

5.5.2.6　海维赛德互感电桥 176

5.5.2.7　海德维勒互感电桥 177

5.5.3　零位法测量晶体管小信号跨导和反馈电容 178

5.6　本章小结 180

习题 180

第6章　传感器 183

6.1 引言 183

6.2　传感器种类 183

6.3　电阻式传感器 183

6.3.1　电阻式温度传感器 184

6.3.2　电阻应变仪 186

6.3.3　光电导体 187

6.3.4　电阻式相对湿度传感器 191

6.3.5　利用阻值变化判定位置或角度 193

6.3.6　巨磁阻效应传感器 194

6.3.7　各向异性磁致电阻传感器 197

6.4　电动势传感器 203

6.4.1　热电偶和热电堆 203

6.4.2　光电池 206

6.4.3　压电传感器 208

6.4.4　热电传感器 212

6.4.5　输出电压与dФ/dt成正比的传感器 216

6.4.5.1　可变磁阻留声机拾音器 216

6.4.5.2　电力学加速度计 217

6.4.5.3　线速度传感器 218

6.4.6　利用磁场和电荷移动实现电动势输出的传感器 219

6.4.6.1　法拉第效应流量计 219

6.4.6.2　霍尔效应传感器 221

6.5　可变磁耦合式传感器 224

6.5.1　线性可变差动变压器 224

6.5.2　同步器和分解器 226

6.6　可变电容式传感器 229

6.7　光纤传感器 230

6.7.1　磁光电流传感器 231

6.7.2　测量光学传感器线性偏振光输出旋光度的方法 234

6.7.3　光纤磁阻传感器 243

6.8　光电倍增管和相关的电子倍增器件 248

6.8.1　引言 248

6.8.2　光电倍增管的应用 250

6.8.3　单通道光电倍增管 252

6.8.4　微通道板光电倍增管 253

6.8.5　小结 254

6.9　电离辐射传感器 255

6.9.1　盖革－米勒计数管 256

6.9.2　固态晶体辐射传感器 258

6.9.3　闪烁计数器 260

6.10　电化学传感器 261

6.10.1　pH值和离子选择电极 261

6.10.2　极谱式电极 264

6.10.3　燃料电池电极 264

6.11 电子鼻 266

6.11.1　人造鼻的可行性 266

6.11.2　嗅觉系统的解剖和生理知识 266

6.11.3　脊椎动物嗅觉的化学感受系统 267

6.11.4　用于气体状态分析的传感器 270

6.11.5　电子鼻的分辨特性 280

6.11.6　本节小结 281

6.12　机械－光学传感器 281

6.12.1　光编码盘 281

6.12.2　利用Sagnac效应测量角速度的方法 283

6.12.3　激光多普勒测速仪 285

6.13　本章小结 291

习题 292

第7章　物理量测量中传感器的应用 303

7.1 引言 303

7.2　测量角加速度、角速度和角位移 303

7.2.1　测量角加速度 303

7.2.1.1　利用强迫式机械陀螺仪测量角加速度 303

7.2.1.2　简易惯性轮式弹簧阻尼器角加速度计 304

7.2.1.3　伺服角加速度计 306

7.2.2　利用机械陀螺仪测量角速度 306

7.2.2.1　机械速度陀螺仪 309

7.2.2.2　Sagnac效应光纤陀螺仪 311

7.2.2.3　振动块速度陀螺仪 314

7.2.2.4　汉弗莱喷气式陀螺仪 316

7.2.2.5　振荡盘式速度陀螺仪 320

7.2.3　利用转速计测量角速度 324

7.2.4　利用陀螺仪测量角坐标 329

7.2.5　利用倾斜仪测量角坐标 332

7.2.6　测量轴的角坐标 335

7.3　测量线加速度、线速度、线位移和线性位置 336

7.3.1　线加速度计 336

7.3.1.1　基本的牛顿加速度计 336

7.3.1.2　伺服加速度计的设计 338

7.3.1.3　压电传感器式加速度计 339

7.3.1.4　微机械IC加速度计 340

7.3.2　线速度的测量 341

7.3.2.1　液体流速的测量 342

7.3.2.2　其他测量流速和流量的方法 346

7.3.3　线性位置的测量 355

7.3.3.1　利用全球定位系统确定物体线性位置 358

7.3.3.2　利用光干涉仪测量△x 367

7.3.3.3　用超声波和EM辐射测量锁相的速率和范围 379

7.4　力和转矩的测量 385

7.4.1　力的测量 386

7.4.2　转矩的测量 389

7.5　压力测量 393

7.5.1　高压力传感器 393

7.5.2　低压力传感器 400

7.6　利用光子检测特定物质 405

7.6.1　引言 405

7.6.2　色散分光光度法 407

7.6.3　非色散光谱仪 414

7.6.4　傅里叶变换红外光谱仪 418

7.6.5　单泡和多泡声致发光 423

7.6.5.1　单泡声致发光 423

7.6.5.2　多泡声致发光 426

7.6.5.3　小结 427

7.6.6　表面等离子体振子谐振 427

7.7　温度的测量 432

7.7.1　温度标准 432

7.7.2　常用测量温度的方法 433

7.7.2.1　机械式温度传感器 433

7.7.2.2　电子温度传感器 435

7.8　本章小结 444

习题 445

第8章　基本的电气测量 451

8.1 引言 451

8.2　直流电压的测量 451

8.2.1　机电式直流电压表 452

8.2.1.1　D'Arsonval直流电压表 452

8.2.1.2　电容式（静电式）电压表 456

8.2.1.3　功率计型电压表 458

8.2.2　直流电子电压表 459

8.3　静电场和带电界面电压的测量 463

8.4　直流电流的测量 470

8.4.1　机电式直流电流表 472

8.4.2　电子式直流电流表 472

8.4.2.1　分流式皮安表的误差分析 473

8.4.2.2　反馈式皮安表的误差分析 475

8.4.3　磁光电流传感器 476

8.5　交流电压的测量 476

8.5.1　机电式交流电压表 477

8.5.1.1 电动系交流电压表 477

8.5.1.2　电磁系电压表 478

8.5.1.3　整流式／D'Arsonval交流电压表 479

8.5.1.4　真空热电偶式／D'Arsonval交流电压表 480

8.5.2　模拟电子式交流电压表 481

8.5.2.1　交流放大－整流型交流电压表 481

8.5.2.2　峰值读数型电子式交流电压表 482

8.5.2.3　反馈型真有效值交流电压表 484

8.5.2.4　直接转换型真有效值交流电压表 487

8.5.3　放大器噪声电压、噪声因数和噪声系数的测量 488

8.6　交流电流的测量 494

8.6.1　机电式（模拟）交流电流表 494

8.6.2　电子磁光交流电流表 496

8.7　磁场的测量 497

8.8　相位的测量 506

8.8.1　模拟相位测量 507

8.8.2　数字相位检测器 511

8.9　频率和周期（时间）的测量 511

8.10　电阻、电容和电感的测量 517

8.10.1　电阻的测量 517

8.10.2　电容的测量 522

8.10.2.1　使用Q表测量电容 522

8.10.2.2　使用Q/V测量电容 525

8.10.3　电感的测量 529

8.10.3.1　使用电压表估测电感 529

8.10.3.2　使用Q表测量电感和Q值 531

8.11　矢量阻抗表 531

8.12　本章小结 533

习题 533

第9章　测量系统的数字接口 540

9.1 引言 540

9.2　采样定理 540

9.3　量化噪声 544

9.4　抖动 546

9.5　数／模转换器 548

9.6　保持电路 553

9.7　模／数转换器 554

9.7.1　逐次逼近型模／数转换器 555

9.7.2　跟踪型（伺服型）模／数转换器 557

9.7.3　双积分型模／数转换器 558

9.7.4　闪存（并行）型模／数转换器 560

9.7.5　动态量程浮点型模／数转换器 563

9.7.6　△-∑型模／数转换器 564

9.7.7　数据采集卡 568

9.8 IEEE-488仪表总线（GPIB） 569

9.8.1　GPIB结构 570

9.8.2　GPIB工作方式 571

9.9　串行数据通信链路 573

9.9.1　RS-232C和D形接口 574

9.9.2 RS-422、RS-423和RS-485接口 576

9.9.3　通用串行总线 578

9.9.3.1　通用串行总线功能简介 579

9.9.3.2　小结 581

9.10　CAMAC（IEEE-583）模块式仪表标准和VXI模块式仪表架构 581

9.11　传输线路对数字数据传输的影响 584

9.11.1　传输线模型 584

9.11.2　具有不合适终端的无损传输线上的反射 585

9.12　光纤中的数据传输 591

9.12.1　光纤导光原理 592

9.12.2　光纤通信系统中的半导体光源和检测器 597

9.12.3　光纤系统 601

9.13　虚拟仪表 601

9.13.1　引言 601

9.13.2 PXI系统 603

9.13.3 小结 603

9.14 本章小结 604

习题 604

第10章 数字信号调整导论 609

10.1 引言 609

10.2 数字滤波和z变换 609

10.3 简单DSP算法 614

10.4 离散快速傅里叶变换及其应用 621

10.4.1 应用数据窗提高光谱分辨率 623

10.4.2 运用离散傅里叶变换分析随机信号和噪声的特性 625

10.4.3 快速傅里叶变换 628

10.4.4 DSP协处理器主板 629

10.5 用于离散数据插值的数字程序 630

10.6 本章小结 634

习题 635

第11章 测量系统设计实例 637

11.1 引言 637

11.2 用于测量生物反应器中葡萄糖浓度的自动调零型微度旋光计 637

11.3 发现、测量并定位高压同轴电力电缆中局部放电位置的测量系统设计 647

11.4 闭环固定相位脉冲激光测距系统和速率计的设计 654

11.5 用于检测隐藏物体的电容型传感器的设计 659

11.5.1 引言 659

11.5.2 用于测量△C/Co的自平衡电路 661

11.5.3 小结 665

11.6 本章小结 665

附录 常用计量单位及其换算表 667

参考文献 668