传感器原理及应用PDF电子书下载

目录 1

第1章　绪论 1

1.1　传感器的作用及定义 1

1.2　传感器的分类 2

1.3　传感器的发展趋势 3

1.4　测量技术的基本知识 4

1.4.1　测量概论 4

1.4.2　测量误差与不确定度 7

第2章　传感器的基本特性 11

2.1　概述 11

2.2　传感器的静态标定与静态特性 12

2.2.1　静态标定 12

2.2.2　静态特性参数 13

2.3.1　动态参数测试的特殊问题 17

2.3　传感器的动态特性 17

2.3.2　传感器动态特性的分析方法及主要指标 18

2.3.3　传感器的数学模型 19

2.3.4　传递函数 19

2.3.5　频率响应函数 20

2.3.6　冲激响应函数 21

2.4　典型传感器的动态特性分析 21

2.4.1　典型传感器的频率响应 22

2.4.2　典型激励的传感器瞬态响应 25

2.4.3　相似原理 27

2.5　传感器不失真测量的条件 28

2.6　传感器的动态特性参数获取方法 29

2.7　动态误差修正 32

2.7.1　频域修正方法 32

2.7.2　时域修正方法 32

3.1　应变式传感器常用的弹性敏感元件 34

3.1.1　弹性圆柱 34

第3章　电阻式传感器 34

3.1.2　悬臂梁 35

3.1.3　弹性圆环 36

3.1.4　周边固支圆形平膜片 36

3.1.5　弹性筒 38

3.1.6　扭转圆柱 39

3.2　金属应变式传感器 40

3.2.1 电阻应变片 40

3.2.2　电阻应变片的温度误差及补偿 49

3.2.3　电阻应变片的信号调理电路 52

3.3　半导体压阻式传感器 58

3.3.1　半导体的压阻效应 58

3.3.2　晶向的表示方法 60

3.3.3　压阻系数 61

3.3.4　压阻式传感器 67

3.4　电阻应变仪 72

3.4.1　应变仪的分类及其特点 73

3.4.2　载波放大式应变仪的组成及工作原理 73

3.4.3　电标定及电标定桥 74

3.4.4　常用电阻应变仪主要电路的特点 75

第4章　压电式传感器 77

4.1　压电式传感器的工作原理 77

4.1.1　压电效应 77

4.1.2　压电常数和表面电荷的计算 79

4.1.3　压电元件的基本变形 80

4.2　压电材料 82

4.2.1　石英压电晶体 82

4.2.2　压电陶瓷 83

4.2.3　压电元件常用结构形式 84

4.3　压电式传感器的等效电路 85

4.4　压电式传感器的信号调节电路 86

4.4.1 电压放大器（阻抗变换器） 87

4.4.2　电荷放大器 90

4.5　压电式传感器的应用 91

4.5.1　压电式测力传感器 91

4.5.2　压电式加速度传感器 93

4.5.3　压电阻抗头 95

4.5.4　压电式压力传感器 95

4.6　引起压电式传感器测量误差的因素 97

第5章　电容式传感器 100

5.1　电容式传感器的工作原理及分类 100

5.2　电容式传感器的结构类型及主要特性 101

5.2.1 结构类型 101

5.2.2　电容式传感器的灵敏度及非线性 102

5.2.3　电容式传感器的等效电路 107

5.3　电容式传感器的测量电路 107

5.3.1　电桥电路 107

5.3.2　差动脉宽调制电路 109

5.3.3　运算放大器式电路 110

5.4　典型的电容式传感器 111

5.4.1 电容式压力传感器 111

5.4.2　电容式加速度传感器 112

5.5　电容式传感器的结构及抗干扰问题 113

5.5.1 温度变化对结构稳定性的影响 113

5.5.2　温度变化对介质介电常数的影响 114

5.5.3　绝缘问题 114

5.5.4　寄生电容的干扰与防止 114

5.6　硅电容式集成传感器 116

5.6.1　硅电容式集成压力传感器 116

5.6.2　硅电容式加速度传感器 117

第6章　电感式传感器 119

6.1 自感式电感传感器 119

6.1.1　工作原理 119

6.1.2　输出特性 120

6.1.3　测量电路 123

6.1.4 自感式电感传感器的应用 124

6.2　差动变压器式传感器 125

6.2.1　工作原理 125

6.2.2　结构类型和主要特性 125

6.2.3　差动变压器的测量电路 128

6.2.4　差动变压式传感器的应用 129

6.3　电涡流式传感器 129

6.3.1　工作原理 129

6.3.2　等效电路 130

6.3.3　测量电路 131

6.3.4　传感器的结构 132

6.3.5　电涡流传感器的应用 132

第7章　磁电式传感器 135

7.1　磁电感应式传感器 135

7.1.1　磁电式振动传感器的工作原理 136

7.1.2　典型结构 138

7.1.3　磁电式传感器的误差 140

7.1.4　磁电感应式传感器的应用 142

7.2　霍耳式传感器 143

7.2.1　霍耳效应 143

7.2.2　霍耳元件 144

7.2.3　霍耳元件的不等位电势和温度误差的补偿 145

7.2.4　集成霍耳传感器 147

7.2.5　应用 148

第8章　光电式传感器 150

8.1　光电测量基本知识 150

8.1.1　光源 150

8.1.2　光电效应 151

8.2　光电器件的特性 153

8.2.1　光谱灵敏度S（λ） 153

8.2.4　通量阈φH 154

8.2.5　响应特性Sz（t）和时间常数τ 154

8.2.3　积分灵敏度S 154

8.2.2　相对光谱灵敏度Sr（λ） 154

8.2.6　光电器件的频率特性Sr（f） 155

8.2.7　光照特性U（Ee） 155

8.2.8　光谱特性Sr（λ） 155

8.2.9　温度特性 155

8.2.10　伏安特性I（U） 156

8.3　光电器件 156

8.3.1　光电管器件 156

8.3.2　光敏电阻 157

8.3.3　光敏二极管 159

8.3.4　光敏晶体管 162

8.3.5　光电池 164

8.3.6　常用光电传感器及其应用 166

8.4　光电位置传感器（PSD） 168

8.4.1　PSD的工作原理 168

8.4.2　PSD的特性 170

8.4.3　PSD的应用 171

8.5　CCD图像传感器 172

8.5.1　CCD的结构及工作原理 172

8.5.2　CCD的应用（CCD固态图像传感器） 175

8.6　光纤传感器 177

8.6.1　光纤传感器基础 177

8.6.2　光纤传感器应用实例 180

第9章　气湿色敏传感器 184

9.1　气敏传感器 184

9.1.1 引言 184

9.1.2　气敏传感器的分类 186

9.1.3　半导体气敏传感器的工作原理及结构 186

9.1.4　其他气敏传感器 190

9.1.5　半导体气敏元件的主要特性参数 191

9.1.6　气敏传感器的应用 194

9.2.1 引言 196

9.2　湿敏传感器 196

9.2.2　湿敏传感器的主要特性参数 198

9.2.3　湿度传感器的分类 200

9.2.4　湿敏传感器的测量电路 205

9.3　色敏传感器 207

9.3.1　半导体色敏器件的结构与工作原理 207

9.3.2　半导体色敏传感器的颜色识别电路 210

第10章　数字式传感器 212

10.1　光栅传感器 212

10.1.1　光栅传感器的结构和工作原理 212

10.1.2　辨向原理 217

10.1.3　细分技术 218

10.2　编码器 219

10.2.1　光学编码器结构及工作原理 220

10.2.2　码制与码盘 220

10.2.3　二进制码与循环码的转换 222

10.2.4　应用 223

10.3　感应同步器 224

10.3.1 结构原理 225

10.3.2　信号处理方式 225

10.3.3　感应同步器位移测量系统 226

第11章　温度传感器 228

11.1　温度传感器的类型 228

11.2　热电阻 229

11.2.1　常用热电阻 229

11.2.2　热电阻测量电路 230

11.3　热敏电阻 232

11.3.1　热敏电阻的结构和特点 232

11.3.2　热敏电阻的温度特性 233

11.4　热电偶 235

11.4.1　热电效应及测温原理 235

11.4.2　热电偶的基本定律 237

11.4.3　热电偶的种类 239

11.4.4　热电偶的冷端温度补偿 241

11.4.5　热电偶的实用测温电路 242

11.4.6　温度测量的动态误差修正 244

11.5　集成温度传感器 246

11.5.1　PN结温度传感器 246

11.5.2　集成温度传感器 247

11.5.3　应用举例 247

11.6　其他类型温度传感器 249

11.6.1　热辐射式测温传感器 249

11.6.2　石英晶体温度传感器 250

11.6.3　光纤温度传感器 251

第12章　智能传感器 253

12.1　概述 253

12.2　集成智能传感器 255

12.2.1　智能传感器的初级形式 255

12.2.2　智能传感器的中级形式 256

12.2.3　智能传感器的高级形式 257

12.3　多传感器信息融合 258

12.3.1　曲面拟合法基本原理 258

12.3.2　二传感器信息融合的应用 261

12.4　人工神经网络在智能传感器中的应用 262

12.4.1　神经网络基本知识 262

12.4.2　前向网络 266

12.4.3　反馈网络 270

12.4.4　神经网络在智能传感器中的应用 272

第13章　传感器性能测试与校准 277

13.1　传感器静态标定的要求 277

13.1.1　静态标准条件 277

13.1.2　标定仪器设备的精度等级的确定 277

13.1.3　静态标定的方法 277

13.1.4　传感器静态标定实例 278

13.2.1　静态标定 280

13.2　压力传感器及测压系统的标定 280

13.2.2　测压系统的动态标定 281

13.3　测振传感器（振动测量仪器）校准 290

13.3.1　绝对标定法 290

13.3.2　比较标定法 290

13.3.3　互易法 291

13.4　力传感器校准 292

13.4.1　概述 292

13.4.2　基准测力机 293

13.4.3　标准测力机 295

13.4.4　标准测力计 297

13.5　温度传感器校准 299

13.5.1　概述 299

13.5.2　标准铂电阻 301

13.5.3　标准铂铑10—铂热电偶 302

13.5.4　校验设备 304

14.1.2　在飞机自动驾驶仪及导航系统中的应用 305

14.1.1　导航仪 305

第14章　传感器的典型应用 305

14.1　传感器在航空航天中的应用 305

14.1.3　在火箭发动机测试中的应用 306

14.2　传感器在兵器工业中的应用 307

14.2.1　在弹丸速度测量中的应用 307

14.2.2　在自动机运动参数测量中的应用 308

14.2.3　在兵器压力测量中的应用 310

14.3　传感器在公路交通系统中的应用 316

14.3.1　在交通管制及高速公路中的应用 316

14.3.2　传感器在汽车工业中的应用 316

14.4　传感器在工业自动化中的应用 318

14.5　传感器在机器人学中的应用 319

14.5.1　视觉传感器 320

14.5.2　听觉传感器 321

14.5.3　接近觉传感器 321

14.5.4　触觉传感器 322