传感器技术及应用PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　传感器的作用与功能 1

目录 1

1.2　传感器的分类 3

1.2.1　按工作原理分类 3

1.2.2　按被测量分类 5

1.3　传感器技术的特点 5

1.4　传感器技术的发展 6

1.4.1　新材料、新功能的开发与应用 6

1.4.2　微机械加工工艺的发展 7

1.4.3　传感器的多功能化发展 8

1.4.5　传感器模型及其仿真技术 9

1.4.4　传感器的智能化发展 9

1.5　与传感器技术相关的一些基本概念 10

1.6　本教材的特点及主要内容 10

思考题与习题 11

第2章　传感器的特性 12

2.1　传感器静态特性的一般描述 12

2.2　传感器的静态标定 12

2.2.1　静态标定条件 12

2.2.2　传感器的静态特性 13

2.3.3　静态灵敏度 14

2.3.2　量程 14

2.3.1　测量范围 14

2.3　传感器的主要静态性能指标及其计算 14

2.3.4　分辨力与分辨率 15

2.3.5　漂移 15

2.3.6　温漂 16

2.3.7　传感器的测量误差 16

2.3.8　线性度 16

2.3.9　符合度 19

2.3.10　迟滞 19

2.3.11　非线性迟滞 20

2.3.12　重复性 20

2.3.13　综合误差 22

2.3.14　计算实例 23

2.4　非线性传感器静态性能指标计算的进一步讨论 26

2.4.1 同题的提出 26

2.4.2　数据的基本处理 27

2.4.3　误差的描述 28

2.4.4　符合度的计算 28

2.4.5　迟滞的计算 29

2.4.6　符合性迟滞的计算 29

2.4.7　重复性的计算 30

2.4.8　综合误差的计算 31

2.4.9　计算实例 33

2.5　传感器动态特性方程 41

2.5.1　微分方程 41

2.5.2　传递函数 42

2.5.3　状态方程 43

2.6　传感器动态响应及动态性能指标 43

2.6.1　时域动态性能指标 44

2.6.2　频域动态性能指标 50

2.7　传感器动态特性测试与动态模型建立 57

2.7.1　传感器动态标定 57

2.7.2 由实验阶跃响应曲线获取传感器传递函数的回归分析法 58

2.7.3 由实验频率特性获取传感器传递函数的回归法 64

2.7.4　应用实例——高频响、低量程的加速度传感器幅频特性测试及改进 66

2.8　传感器噪声及其减小的方法 70

2.8.1　传感器噪声产生的原因 70

2.8.2　传感器的信噪比 71

2.8.3　传感器低噪声化的方法 72

思考题与习题 73

第3章　基本弹性敏感元件的力学特性 76

3.1　概述 76

3.2　弹性敏感元件的基本特性 76

3.2.1　刚度与柔度 76

3.2.3　弹性后效与蠕变 77

3.2.2　弹性滞后 77

3.2.4　弹性材料的机械品质因数 78

3.2.5　位移描述 79

3.2.6　应变描述 80

3.2.7　应力描述 83

3.2.8　广义胡克定律 85

3.2.9　固有谐振频率 86

3.2.10　弹性元件的热特性 86

3.3　基本弹性敏感元件的力学特性 88

3.3.1　弹性柱体 88

3.3.2　弹性弦丝的固有振动 92

3.3.3　悬臂梁 93

3.3.4　双端固支梁 95

3.3.5　周边固支圆平膜片 96

3.3.6　周边固支矩形平膜片 99

3.3.7　周边固支波纹膜片 103

3.3.8　E形圆膜片 104

3.3.9　薄壁圆柱壳体 107

3.3.10　弹簧管（包端管） 110

3.3.11　波纹管 111

3.4　弹性敏感元件的材料 112

思考题与习题 113

4.1　概述 114

第4章　电位器式传感器 114

4.2　线绕式电位器的特性 115

4.2.1　灵敏度 115

4.2.2　阶梯特性和阶梯误差 115

4.2.3　分辨率 116

4.3　非线性电位器 116

4.3.1　功用 116

4.3.2　实现途径 116

4.4　电位器的负载特性及负载误差 118

4.4.1　电位器的负载特性 118

4.4.2　电位器的负载误差 119

4.4.3　减小负载误差的措施 120

4.5　电位器的结构与材料 122

4.5.1　电阻丝 122

4.5.2　电刷 123

4.5.3　骨架 124

4.6　非线绕式电位器 125

4.7　典型的电位器式传感器 125

4.7.1 电位器式压力传感器 125

4.7.2　电位器式加速度传感器 127

思考题与习题 128

5.1　应变式变换原理 131

第5章　应变式传感器 131

5.2　金属应变片 132

5.2.1　结构及应变效应 132

5.2.2　横向效应及横向灵敏度 133

5.2.3　电阻应变片的种类 136

5.2.4　电阻应变片的材料 137

5.2.5　应变片的主要参数 140

5.3　应变片的动态响应特性 141

5.3.1 应变波的传播过程 142

5.3.2　应变片工作频率范围的估算 143

5.4.1　温度误差产生的原因 145

5.4　应变片的温度误差及其补偿 145

5.4.2　温度误差的补偿方法 146

5.5　电桥原理 149

5.5.1　电桥的平衡 149

5.5.2　电桥的不平衡输出 150

5.5.3　电桥的非线性误差 151

5.6　典型的应变式传感器 153

5.6.1　应变式力传感器 154

5.6.2　应变式加速度传感器 163

5.6.3　应变式压力传感器 165

5.6.4　应变式位移传感器 168

思考题与习题 171

5.6.5　应变式转矩传感器 171

第6章　压阻式传感器 174

6.1　压阻式变换原理 174

6.1.1　半导体材料的压阻效应 174

6.1.2　单晶硅的晶向、晶面的表示 175

6.1.3　压阻系数 176

6.2　扩散电阻的阻值与几何参数的确定 181

6.3　典型的压阻式传感器 183

6.3.1　压阻式压力传感器 183

6.3.2　压阻式加速度传感器 191

6.4　压阻式传感器温度漂移的补偿 195

思考题与习题 197

第7章　热电式传感器 199

7.1　概述 199

7.1.1　温度的概念 199

7.1.2　温标 199

7.1.3　温度标准的传递 200

7.1.4　温度计的标定与校正 200

7.1.5　测温方法与测温仪器的分类 201

7.2　热电阻测温传感器 202

7.2.1　金属热电阻 202

7.2.2　半导体热敏电阻 204

7.2.3　测温电桥电路 206

7.3　热电偶测温 208

7.3.1　热电效应 208

7.3.2　热电偶的工作机理 209

7.3.3　热电偶的基本定律 210

7.3.4　热电偶的误差及补偿 212

7.3.5　热电偶的组成、分类及特点 216

7.4　半导体P-N结测温传感器 217

7.5　其他测温系统 218

7.5.1　全辐射式测温系统 218

7.5.2　亮度式测温系统 219

7.5.3　比色式测温系统 220

7.6　应用实例 221

7.6.1　基于热敏电阻的双功能温度报警器 222

7.6.2　基于热电阻的气体质量流量传感器 226

思考题与习题 227

第8章　电容式传感器 230

8.1　基本电容式敏感元件 230

8.2　电容式敏感元件的主要特性 231

8.2.1　变间隙电容式敏感元件 231

8.2.2　变面积电容式敏感元件 233

8.2.3　变介电常数电容式敏感元件 234

8.2.4　电容式敏感元件的等效电路 234

8.3.1　交流不平衡电桥 235

8.3　电容式变换元件的信号转换电路 235

8.3.2　变压器式电桥线路 236

8.3.3　二极管电路 237

8.3.4　差动脉冲调宽电路 239

8.3.5　运算放大器式电路 241

8.4　典型的电容式传感器 241

8.4.1　电容式压力传感器 241

8.4.2　电容式加速度传感器 242

8.5　电容式传感器的结构及抗干扰问题 243

8.5.1　温度变化对结构稳定性的影响 243

8.5.3　绝缘问题 244

8.5.2　温度变化对介质介电常数的影响 244

8.5.4　寄生电容的干扰与防止 245

思考题与习题 246

第9章　变磁路式传感器 248

9.1　电感式变换原理 248

9.1.1　简单电感式变换原理 248

9.1.2　差动电感式变换元件 253

9.2　差动变压器式变换元件 254

9.2.1　磁路分析 255

9.2.2　电路分析 256

9.3.1　电涡流效应 257

9.3　电涡流式变换原理 257

9.3.2　等效电路分析 258

9.3.3　信号转换电路 259

9.4　霍尔效应及元件 261

9.4.1　霍尔效应 261

9.4.2　霍尔元件 262

9.5　典型的变磁路式传感器 263

9.5.1　变磁阻式加速度传感器 263

9.5.2　霍尔式振动位移传感器 263

9.5.3　电涡流式振动位移传感器及其应用 263

9.5.4　电磁式振动位移传感器及其应用 264

9.5.5　差动电感式压力传感器 265

9.5.6　力平衡伺服式加速度传感器 266

9.5.7　磁电式涡轮流量传感器 269

9.5.8　磁栅式位移传感器 271

9.5.9　感应同步器式位移传感器 272

思考题与习题 278

第10章　压电式传感器 280

10.1　石英晶体 280

10.1.1　石英晶体的压电机理 280

10.1.2　石英晶体的压电常数 282

10.1.4　石英晶体的性能 285

10.1.5　石英压电谐振器的热敏感性 285

10.1.3　石英晶体几何切型的分类 285

10.2　压电陶瓷 287

10.2.1　压电陶瓷的压电机理 287

10.2.2　压电陶瓷的压电常数 287

10.2.3　常用压电陶瓷 288

10.3　聚偏二氟乙烯 289

10.4　压电换能元件的等效电路 289

10.5　压电换能元件的信号转换电路 290

10.5.1 电荷放大器与电压放大器 290

10.5.2　压电元件的并联与串联 291

10.6.1　环境温度的影响 292

10.6　压电式传感器的抗干扰问题 292

10.6.2　环境湿度的影响 294

10.6.3　横向灵敏度 294

10.6.4　基座应变的影响 295

10.6.5　声噪声 295

10.6.6　电缆噪声 296

10.6.7　接地回路噪声 296

10.7　典型的压电式传感器 297

10.7.1　压电式加速度传感器 297

10.7.2　压电式压力传感器 299

10.7.3　压电式超声波传感器 301

10.7.4　压电式温度传感器 303

思考题与习题 306

第11章　谐振式传感器 308

11.1　谐振状态及其评估 308

11.1.1　谐振现象 308

11.1.2　谐振子的机械品质因数Q值 310

11.2　闭环自激系统的实现 311

11.2.1　基本结构 311

11.2.2　闭环系统的实现条件 312

11.3　敏感机理及特点 313

11.3.1　敏感机理 313

11.4　频率输出谐振式传感器的测量方法比较 314

11.3.2　谐振式测量原理的特点 314

11.5　谐振弦式压力传感器 316

11.5.1　结构与原理 316

11.5.2　特性方程 316

11.5.3　激励方式 317

11.6　振动筒式压力传感器 317

11.6.1　结构与原理 317

11.6.2　特性方程 318

11.6.3　激励方式 319

11.6.4　特性线性化与误差补偿 320

11.7.2　特性方程 322

11.7.1　结构与原理 322

11.7　谐振膜式压力传感器 322

11.8　石英谐振梁式压力传感器 323

11.8.1　结构与原理 323

11.8.2　特性方程 324

11.9　谐振式科里奥利直接质量流量传感器 325

11.9.1　谐振式质量流量传感器工作结构与原理 325

11.9.2　信号检测电路 328

11.9.3　密度的测量 329

11.9.4　双组分流体的测量 330

11.9.5　特点 331

思考题与习题 332

第12章　声表面波传感器 334

12.1　概述 334

12.2　声表面波叉指换能器 335

12.2.1　叉指换能器的基本特性 335

12.2.2　叉指换能器的基本分析模型 337

12.3　声表面波谐振器 339

12.3.1　结构组成及其工作原理 339

12.3.2　频率和温度的稳定性 341

12.4　典型的声表面波传感器 341

12.4.1 SAW应变传感器 341

12.4.2 SAW压力传感器 343

12.4.3 SAW加速度传感器 346

12.4.4 SAW气体传感器 347

12.4.5 SAW流量传感器 351

12.4.6 SAW湿度传感器 353

思考题与习题 354

第13章　光纤传感器 355

13.1　概述 355

13.2　光纤 355

13.2.1　光纤的结构与种类 355

13.2.2　传光原理 356

13.2.3　光纤的集光能力 359

13.2.4　光纤的传输损耗 360

13.3　强度调制光纤传感器 362

13.3.1　光纤微弯传感器 362

13.3.2　反射式光纤位移传感器 363

13.3.3　反射式光纤压力传感器 367

13.4　相位调制光纤传感器 368

13.4.1　相位调制的原理 368

13.4.2　相位调制光纤压力传感器 369

13.4.3　相位调制光纤力传感器 370

13.4.4　基于萨格纳克干涉仪的光纤陀螺 371

13.5　频率调制光纤传感器 373

13.6　分布式光纤传感器 374

思考题与习题 376

第14章　微机械传感器 378

14.1　概述 378

14.1.1　微传感器的发展 378

14.1.2　微传感器中应用的材料 378

14.1.3　微传感器中应用的加工工艺 379

14.1.4　微传感器中敏感结构的模型问题 380

14.1.5　微传感器中微弱信号的处理问题 380

14.2　硅电容式集成压力传感器 381

14.3　硅电容式微机械加速度传感器 382

14.3.1　单轴加速度传感器 382

14.3.2　三轴加速度传感器 383

14.4　硅电容式表面微机械陀螺 384

14.5　微机械磁通门传感器 386

14.6　微机械二氧化碳气体传感器 386

14.7　微机械科氏质量流量传感器 387

14.8　毫米波图像传感器 389

14.9　基于皮拉尼真空计的微小型压力传感器 389

14.10　硅谐振式压力微传感器 390

14.10.1　热激励硅微结构谐振式压力传感器 390

14.10.2　差动输出的微结构谐振式压力传感器 395

思考题与习题 396

15.1　传感器技术智能化的含义 398

第15章　传感器技术的智能化发展 398

15.2　基本传感器 401

15.3　智能化传感器中的软件 402

15.3.1　标度变换技术 402

15.3.2　数字调零技术 402

15.3.3　非线性补偿 402

15.3.4　温度补偿 403

15.3.5　数字滤波技术 403

15.4　典型应用 403

15.4.1　光电式智能化压力传感器 403

15.4.2　智能化差压传感器 404

15.4.3　全向空速智能化传感器 406

15.4.4　智能化结构传感器系统 407

15.4.5　嵌入式智能化大气数据传感器系统 408

15.4.6　智能化流量传感器系统 409

15.5　发展前景 410

思考题与习题 411

附录 412

附录A　基本常数 412

附录B　国际制词冠 413

附录C　国际单位制（SI）的主要单位 413

附录D　国际单位制（SI）下空气与常见液体的物理性质 419