传感器原理与应用PDF电子书下载

第1部分　传感器的一般特性、分析方法第1章　传感器概述 3

1.1　传感器的定义及分类 3

1.1.1　传感器的定义 3

1.1.2　传感器的分类 3

1.2　传感器的作用与地位 4

1.3　传感器技术的发展动向 4

1.3.1　发现新现象 4

1.3.2　开发新材料 5

1.3.3 采用微细加工技术 5

1.3.4　传感器的智能化 5

1.3.5　仿生传感器 5

第2章　传感器的特性及标定 6

2.1　传感器的静态特性 6

2.1.1　线性度 6

2.1.2　灵敏度 10

2.1.3　迟滞 10

2.1.4　重复性 10

2.2　传感器的动态特性 12

2.2.1　传感器动态特性的数学模型 12

2.2.2　算子符号法与传递函数 13

2.2.3　频率响应函数 13

2.2.4　动态响应特性 13

2.3　传感器的标定 20

2.3.1　传感器的静态特性标定 20

2.3.2　传感器的动态标定 22

第2部分　常见传感器与新型传感器第3章　传感器中的弹性敏感元件设计 31

3.1　弹性敏感元件的基本特性 31

3.1.1　弹性特性 31

3.1.2　弹性滞后 32

3.1.3　弹性后效 32

3.1.4　固有振动频率 33

3.2　弹性敏感元件的材料 33

3.3　弹性敏感元件的特性参数计算 34

3.3.1　弹性圆柱 34

3.3.2　悬臂梁 35

3.3.3　扭转棒 37

3.3.4　平膜片 38

3.3.5　波纹管 39

3.3.6　薄壁圆筒 41

3.3.7　双端固定梁 42

3.4　有限单元法简介 42

3.4.1　弹性力学 42

3.4.2　边界条件 42

3.4.3　最小势能原理 43

3.4.4　有限单元法 43

第4章　电阻应变式传感器 45

4.1 电阻应变片的工作原理（应变效应） 45

4.2　电阻应变片的结构、类型及参数 46

4.2.1　电阻应变片的基本结构 46

4.2.2　电阻应变片的种类及特点 47

4.2.3　金属应变片的参数 48

4.2.4　应变片的粘贴技术 51

4.3　应变片的动态响应特性 51

4.3.1　应变波的传播过程 51

4.3.2　应变片的极限工作频率估算 52

4.4　测量电路 54

4.4.1　直流电桥 54

4.4.2　交流电桥 57

4.5　电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 58

4.5.1　温度误差及其产生原因 58

4.5.2　温度补偿方法 59

4.6　应变式传感器的结构设计及应用 60

4.6.1　应变式压力传感器 61

4.6.2　应变式加速度传感器 64

第5章　电容式传感器 66

5.1　电容式传感器 66

5.1.1　基本工作原理 66

5.1.2　电容式传感器的线性及灵敏度 67

5.2　电容式传感器的等效电路及输出电路 73

5.2.1　电容式传感器的等效电路 73

5.2.2　电容式传感器的输出电路 74

5.3　影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 79

5.3.1　边缘效应的影响 79

5.3.2　寄生电容的影响 79

5.3.3　温度的影响 80

5.4　电容式传感器的应用 80

5.4.1　电容式压力传感器 80

5.4.2　电容式加速度传感器 80

5.4.3　电容式荷重传感器 81

5.4.4　振动、位移测量仪 81

5.4.5　电容测厚传感器 82

第6章 电感式传感器 83

6.1 电感式传感器工作原理、结构与特性 83

6.1.1 电感式传感器的工作原理和等效电路 83

6.1.2　电感式传感器的结构类型及特性 85

6.1.3　电感式传感器的测量电路 88

6.2　差动变压器式电感传感器 91

6.2.1　工作原理 91

6.2.2　差动变压器式传感器的特性 91

6.3　电涡流式传感器 93

6.3.1　电涡流式传感器的工作原理及特性 93

6.3.2　电涡流式传感器结构形式及特点 94

6.3.3　影响电涡流式传感器灵敏度的因素 96

6.3.4　测量电路 97

6.4　电感式传感器的应用 98

6.4.1　电感式传感器的应用 98

6.4.2　电涡流式传感器的应用 98

第7章　压电式传感器 100

7.1　压电式传感器的工作原理 100

7.1.1　压电效应 100

7.1.2　压电效应的物理解释 103

7.2　压电元件常用结构形式 104

7.3　压电元件的等效电路及测量电路 104

7.3.1　等效电路 104

7.3.2测量电路 105

7.4　压电式加速度传感器 109

7.4.1　工作原理及特性 109

7.4.2　压电式加速度传感器的典型结构 111

7.4.3　压电式加速度传感器的应用 113

7.5　压电式压力传感器 114

7.5.1　压电式压力传感器的工作原理及结构 114

7.5.2　压电式压力传感器的结构及应用 115

第8章　压阻式传感器 117

8.1　压阻式传感器的工作原理 117

8.2　晶向的表示方法 118

8.3　压阻系数 119

8.4　影响压阻系数的因素 120

8.5　压阻式传感器的结构与设计 121

8.5.1　压阻式压力传感器 121

8.5.2　压阻式加速度传感器 124

8.6　压阻式传感器的测量电路及补偿 125

8.6.1　恒压源供电 125

8.6.2　恒流源供电 126

8.6.3　减小在扩散工艺中的温度影响 127

8.7　压阻式传感器的应用 128

第9章　热电式传感器 130

9.1　热电偶 130

9.1.1　热电偶的工作原理 130

9.1.2　热电偶基本定律 131

9.1.3　常用热电偶 131

9.2　热电阻 133

9.2.1　铂电阻 133

9.2.2　铜电阻 133

9.3　热敏电阻 134

9.3.1　导电机理 134

9.3.2　电阻与温度的关系 134

9.3.3　耗散常数 135

9.3.4　热敏电阻的电流-电压特性 135

9.3.5　热敏电阻的应用 136

9.4　热释电型温度传感器 136

9.5　半导体集成温度传感器 138

第10章　光电式传感器 139

10.1　光电式传感器的工作原理及基本组成 139

10.2　光电式传感器中的敏感元件 139

10.2.1　外光电效应型光电器件 140

10.2.2　内光电效应型光电器件 144

10.3　光电式传感器的类型及设计 153

10.3.1　光电式传感器的类型 153

10.3.2　光电式传感器的计算 154

10.4　光电式传感器的应用 156

第11章 固态图像传感器 159

11.1　电荷耦合图像传感器 159

11.1.1 CCD的基本工作原理 159

11.1.2　线阵与面阵CCD图像传感器 163

11.1.3 CCD图像传感器的特性参数 165

11.2　其他类型的图像传感器 169

11.2.1　电荷注入器件（CID） 169

11.2.2　MOS型固体图像传感器件 170

11.2.3 电荷引发器件（CPD） 170

11.2.4 叠层型固体传感器件 171

11.3　固态图像传感器的应用 171

第12章　磁传感器 174

12.1　霍尔传感器 174

12.1.1　霍尔传感器的原理 174

12.1.2　霍尔元件的特性 176

12.1.3　测量电路 178

12.1.4　集成霍尔传感器 182

12.1.5　霍尔式传感器的应用 184

12.2　磁敏二极管和磁敏三极管 186

12.2.1　磁敏二极管和磁敏三极管的结构原理 187

12.2.2　磁敏二极管和磁敏三极管的性能指标 189

12.2.3　典型补偿电路 189

12.2.4　磁敏二极管和磁敏三极管的应用 190

12.3　磁通门磁力计 192

12.3.1　磁通门磁力计结构与工作原理 192

12.3.2　典型测量电路 194

12.3.3　磁通门应用 195

12.4　磁敏电阻传感器 195

12.4.1　磁阻效应原理 195

12.4.2　磁阻元件的主要特性 199

12.4.3　典型电路 200

12.4.4　应用 201

12.5　其他类型的磁传感器 205

12.5.1　韦根德磁敏器件 205

12.5.2　Z-元件 207

第13章　射线及微波检测传感器 211

13.1　核辐射传感器 211

13.1.1　核辐射检测的物理基础 211

13.1.2　核辐射传感器 212

13.1.3　核辐射检测技术的应用 213

13.2　超声检测 215

13.2.1　超声检测原理 215

13.2.2　压电式超声波换能器 217

13.2.3　超声波在检测技术中的应用 218

13.3　红外辐射传感器 221

13.3.1　红外辐射的基本定律 221

13.3.2　红外传感器的分类 223

13.3.3　红外辐射检测技术的应用 223

13.4　微波传感器 224

13.4.1　微波的基础知识 224

13.4.2　微波传感器 225

13.4.3　微波检测技术的应用 225

第14章　光导纤维传感器 228

14.1　光纤的特性 228

14.1.1　光纤的结构和类型 228

14.1.2　光纤传输特性 232

14.1.3　光在普通光纤内的传输 233

14.2　光纤传感器分类 234

14.2.1　强度调制光纤传感器 234

14.2.2　相位调制光纤传感器 236

14.2.3　偏振态调制光纤传感器 236

14.2.4　分布式光纤传感器 237

14.3　光纤传感器的应用 240

14.3.1　光纤温度传感器 240

14.3.2　光纤压力与振动传感器 243

14.3.3　光纤分光与光谱传感器 247

14.3.4　反射式光纤位移传感器 248

14.3.5　光纤图像传感器 249

第15章 MEMS传感器 252

15.1　概述 252

15.2 MEMS传感器分类 253

15.3 MEMS加速度计 253

15.3.1　压阻式MEMS加速度计 254

15.3.2　电容式MEMS加速度计 255

15.3.3　静电力平衡式MEMS加速度计 255

15.3.4　石英振梁式MEMS加速度计 256

15.3.5　隧道效应MEMS加速度计 257

15.4 MEMS陀螺 258

15.4.1　石英音叉MEMS振动陀螺仪 259

15.4.2 MEMS硅双框架振动陀螺仪 260

15.4.3 MEMS硅梳状驱动振动陀螺仪 261

15.4.4 MEMS静电陀螺仪 262

15.5 MEMS传感器的信号调理 262

15.5.1 MEMS压阻式传感器的信号调理 263

15.5.2 MEMS电容式传感器的信号调理 266

15.5.3 MEMS谐振式传感器的信号调理 268

第3部分　测量信号、记录、显示及虚拟仪器开发第16章　测量信号的调理 273

16.1　概述 273

16.2　调制与解调 274

16.2.1　幅值调制 275

16.2.2 幅值调制的解调 276

16.3　滤波 277

16.3.1　滤波器的一般特性 278

16.3.2　典型的滤波器电路 279

16.4　模／数转换技术 281

16.4.1　逐次逼近式模／数转换原理 282

16.4.2　增量调整型模／数转换原理 283

16.5　电压／电流／频率变换技术 283

16.5.1　电压／频率转换技术 283

16.5.2　电压／电流转换技术 284

16.6　电压和电流放大变换技术 285

16.6.1　同相放大器 285

16.6.2　反相放大器 286

16.6.3　差动放大器 286

16.6.4　对数放大器 287

16.6.5　反对数放大器 287

16.6.6　仪表放大器 288

16.7　信号调理中的干扰与补偿 288

16.7.1　干扰类型 288

16.7.2　接地问题 291

16.7.3　隔离放大器 293

第17章　测量信号的采集与显示 294

17.1　数据采集技术 294

17.1.1　数据采集系统的主要功能 294

17.1.2　数据采集系统的结构及原理 294

17.2　数据的显示 297

17.2.1　辉光数码管 298

17.2.2　荧光数码管 298

17.2.3 LED数码管 299

17.2.4 LCD显示器 302

17.2.5 DVM显示器 303

17.2.6 CRT显示器 303

17.2.7　数字存储示波器 304

第18章　虚拟仪器 305

18.1　虚拟仪器技术概述 305

18.2　虚拟仪器的发展与应用 305

18.3　虚拟仪器的原理及组成 306

18.3.1　虚拟仪器的硬件平台 306

18.3.2　虚拟仪器的软件平台 308

18.4　虚拟仪器的特点 310

18.5　虚拟仪器应用实例 312

18.5.1　虚拟数字示波器的前面板 312

18.5.2　虚拟数字示波器程序实现过程 313

18.5.3　电源和程序的停止控制 313

18.5.4　颜色的动态控制 314

18.5.5　显示功能 314

18.5.6　游标功能 314

18.5.7　测量功能 315

18.5.8　采集功能 318

18.5.9　滤波功能 318

18.5.10　帮助和打印 319

18.5.11　垂直灵敏度和时基 320

18.5.12　文件保存和调出 320

18.5.13　通道选择 321

18.5.14　数学功能 321

18.5.15　基波分析功能 322

18.5.16　李萨如图功能 323

18.5.17　退出程序功能 323

18.5.18　前面板的装饰和程序框图的完善 324

参考文献 325