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第1篇 传感与测试技术的理论基础 1

第1章 绪论 1

1.1 传感与测试技术的内涵 1

目录 1

1.2 传感器的组成及分类 2

1.2.1 传感器的组成 2

1.2.2 传感器的分类 3

1.3 传感与测试技术在工程中的地位 4

1.4 传感与测试技术的发展状况 5

1.5 本课程的内容及特点 6

思考题与习题 7

第2章 测量与测量系统的基本知识 8

2.1 测量的基础知识 8

2.1.1 直接测量 8

2.2 非电量电测系统的组成 9

2.1.2 间接测量 9

2.1.3 标准 9

2.3 传感器与测量系统的静态特性 11

2.3.1 静态标定 12

2.3.2 工作曲线及参考工作曲线 13

2.3.3 静态特性指标 14

2.4 传感器与测量系统的动态特性 18

2.4.1 线性时不变系统 18

2.4.2 传感器与测量系统动态特性描绘方法 19

2.4.3 典型系统的频率响应 22

2.4.4 典型激励的系统响应 26

2.4.5 无失真测试条件 29

2.5 传感器及测量系统动态特性获取方法 30

2.6 动态误差修正 32

2.6.1 频域修正方法 32

思考题与习题 33

2.6.2 时域修正方法 33

第3章 工程信号及其分析 35

3.1 工程信号的分类 35

3.1.1 确定性信号 35

3.1.2 随机信号 36

3.2 周期信号描述 38

3.2.1 周期信号的分解和频谱 38

3.2.2 周期信号的可测性分析 42

3.3 时限信号（瞬态信号）描述 45

3.3.1 时限信号的分解和频谱 46

3.3.2 时限信号的可测性分析 48

3.4 随机信号描述 48

3.4.1 随机信号的特征参数 48

3.4.2 随机信号的特征估计 52

3.5 典型激励信号描述 56

3.5.1 冲激函数及其频谱分析 56

3.5.2 单位阶跃信号及其频谱分析 58

3.5.3 单位斜坡信号及其频谱 60

思考题与习题 61

第4章 测量数据处理及表述 62

4.1 实验数据的表示方法 62

4.1.1 表格法 62

4.1.2 图解法 62

4.1.3 经验公式 63

4.1.4 有效数字及数据修约 64

4.2 误差的定义及分类 64

4.2.1 误差的定义 64

4.2.2 误差的分类 65

4.2.3 误差的表示方法 66

4.2.4 表征测量结果质量的指标 66

4.3 不确定度的基本概念 67

4.3.1 有关不确定度的术语 67

4.3.2 产生测量不确定度的原因和测量模型 68

4.4.1 单次测量结果试验标准差与平均值试验标准差 69

4.4 标准不确定度的A类评定 69

4.4.2 测量过程的合并样本标准差 71

4.4.3 规范测量中的合并样本标准差 73

4.4.4 极差 74

4.4.5 最小二乘法 75

4.4.6 不确定度A类评定的独立性 75

4.5 标准不确定度的B类评定 76

4.5.1 B类不确定度评定的信息来源 76

4.5.2 B类不确定度的评定方法 77

4.6 合成标准不确定度的评定 79

4.6.1 输入量不相关时不确定度的合成 80

4.6.2 输入量相关时不确定度的合成 81

4.6.3 合成标准不确定度的自由度 82

4.7 扩展不确定度的评定及表示形式 82

4.7.1 扩展不确定度的评定 82

4.7.2 测量不确定度的报告与表示 83

4.8 回归分析及其应用 84

4.8.1 直线拟合（一元线性回归） 85

4.8.2 曲线拟合（一元非线性回归） 89

思考题与习题 91

第2篇 传感器技术 96

第5章 应变式传感器 96

5.1 电阻应变片工作原理 96

5.1.1 电阻应变片的结构和工作原理 96

5.1.2 电阻应变片的种类、材料和参数 99

5.2 电阻应变片特性及粘贴 103

5.2.1 应变片的主要工作参数 103

5.2.2 应变片的粘贴 104

5.2.3 电阻应变片的温度误差及补偿 108

5.3 电阻应变片的信号调理电路 111

5.3.1 直流电桥 111

5.3.2 交流电桥 113

5.3.3 电桥的平衡装置 118

5.3.4 电阻应变仪 119

5.4 常用敏感元件及应变片的排列与接桥 124

5.4.1 常用应变测力传感器的结构 125

5.4.2 各种载荷测量中应变片的排列和连桥 128

思考题与习题 133

第6章 电感式传感器 136

6.1 自感式电感传感器 136

6.1.1 单磁路自感式电感传感器 136

6.1.2 自感式差动电感传感器 138

6.1.3 螺管式电感传感器 140

6.2 差动变压器式传感器 142

6.2.1 工作原理 142

6.2.2 差动变压器式传感器的结构类型和主要特性 143

6.2.3 差动变压器的测量电路 145

6.3 电涡流式传感器 146

6.3.1 高频率反射式电涡流传感器 146

6.3.2 低频透射式涡流传感器 148

6.3.3 电涡流传感器的应用 149

思考题与习题 151

第7章 电容式传感器 152

7.1 电容式传感器的工作原理及结构 152

7.1.1 工作原理 152

7.1.2 结构类型 154

7.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 155

7.2.1 变极距型平板电容式传感器 155

7.2.2 变面积型板状线位移传感器 156

7.2.3 变介电常数型传感器 157

7.2.4 差动电容式传感器 158

7.3 电容式传感器的测量电路 159

7.3.1 电桥电路 159

7.3.2 差动脉冲调宽电路 160

7.3.3 运算放大器式电路 162

7.4 硅电容式集成传感器 162

7.4.1 硅电容式集成压力传感器 163

7.4.2 硅电容式加速度传感器 164

思考题与习题 165

第8章 压电式传感器 167

8.1 压电效应与压电常数 167

8.1.1 压电效应 167

8.1.2 压电常数 167

8.2 压电材料及压电元件结构形式 171

8.2.1 压电晶体 171

8.2.2 压电陶瓷 173

8.2.3 压电薄膜 175

8.2.4 压电元件的结构形式 175

8.3 压电式传感器的等效电路 177

8.3.1 压电元件的等效电路 177

8.3.2 压电传感器的等效电路 178

8.4 测量电路 179

8.4.1 电压放大器 179

8.4.2 电荷放大器 183

8.5 压电式传感器 185

8.5.1 压电式力和压力传感器 185

8.5.2 压电式加速度传感器 187

8.6 误差分析 191

8.6.1 环境温度的影响 191

8.6.2 环境湿度的影响 193

8.6.3 电缆噪声 193

思考题与习题 194

第9章 磁电式传感器 195

9.1 磁电感应式传感器 195

9.1.1 磁电式振动传感器的工作原理 196

9.1.2 典型结构 199

9.1.3 磁电式传感器的误差 201

9.2 霍耳式传感器 203

9.2.1 霍耳效应 203

9.2.2 霍耳元件 204

9.2.3 霍耳元件的不等位电势和温度误差的补偿 205

9.2.4 集成霍耳传感器 208

9.2.5 应用 209

思考题与习题 210

第10章 光电式传感器 211

10.1 光电器件 211

10.1.1 外光电效应的光电器件 211

10.1.2 内光电效应的光电器件 214

10.1.3 光电耦合器件 222

10.1.4 电荷耦合器件 222

10.2 光纤传感器 225

10.2.1 光纤的结构和传输原理 225

10.2.2 几种常用的光纤传感器 227

10.3 红外传感器 230

10.3.1 红外辐射 230

10.3.2 红外探测器 230

10.3.4 红外测温 233

10.3.3 红外探测器使用中应注意的问题 233

10.4 光电传感器的应用 235

思考题与习题 237

第11章 气、湿、色敏传感器 238

11.1 气敏传感器 238

11.1.1 引言 238

11.1.2 气敏传感器的分类 240

11.1.3 半导体气敏传感器的工作原理及结构 241

11.1.4 其他气敏传感器 245

11.1.5 半导体气敏元件的主要特性参数 246

11.1.6 气敏传感器的应用 250

11.2 湿敏传感器 252

11.2.1 引言 252

11.2.2 湿敏传感器的主要特性参数 254

11.2.3 湿敏传感器的分类 256

11.2.4 湿敏传感器的测量电路 262

11.3.1 半导体色敏器件的结构与工作原理 264

11.3 色敏传感器 264

11.3.2 半导体色敏传感器的颜色识别电路 267

思考题与习题 268

第3篇 工程测试技术 269

第12章 常用物理量测试方法 269

12.1 应力、应变、力测量 269

12.1.1 应变、应力测量 269

12.1.2 力的测量 275

12.1.3 传感器的标定 277

12.2 压力测量 279

12.2.1 概述 279

12.2.2 常用测压传感器 280

12.2.3 动态压力测量时管道传输效应 282

12.2.4 测压系统的标定 284

12.3 流量测量 287

12.3.1 流量测量的基本知识 287

12.3.2 常用流量计 291

12.3.3 流量计的定度 295

12.4 温度测量 297

12.4.1 概述 297

12.4.2 接触式测量 300

12.4.3 非接触式温度测量 305

12.5 噪声测量 307

12.5.1 噪声测量基础 307

12.5.2 常用噪声测量仪器 312

12.5.3 噪声测量的方法 317

12.6 位移、速度、加速度测量 320

12.6.1 概述 320

12.6.2 位移测量 320

12.6.3 速度测量 324

12.6.4 加速度测量 331

12.7 机械振动测量 338

12.7.1 振动测量系统的组成 338

12.7.2 振动系统的合理选用 340

12.7.3 传感器的安装 341

12.7.4 机械阻抗测试 342

思考题与习题 344

第13章 计算机化测试技术 347

13.1 概述 347

13.1.1 智能测量仪器 347

13.1.2 计算机自动测试系统 347

13.1.3 计算机数据处理 348

13.2 采样 349

13.2.1 采样过程 349

13.2.2 采样定理 350

13.2.3 量化 351

13.3 计算机辅助测试技术中的接口技术 352

13.3.1 概述 352

13.3.2 RS232C标准接口总线 354

13.3.3 GPIB标准接口总线 357

13.3.4 其他标准接口总线简介 363

13.4 VXI总线系统 365

13.4.1 概述 365

13.4.2 VXI总线的特点 365

13.4.3 VXI总线系统简介 366

13.5 虚拟仪器系统 367

13.5.1 概述 367

13.5.2 虚拟仪器的结构及特点 367

13.5.3 虚拟仪器的系统组成 369

13.5.4 VXIplug play 370

13.5.5 虚拟仪器软件开发平台 371

13.6 计算机辅助测试系统及应用实例 373

13.6.1 多通道数据采集系统 373

13.6.2 微型计算机在火箭发动机测试中的应用 375

13.6.3 基于PCI的半正弦压力发生器的测控系统 375

思考题与习题 377