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第1章 传感器相关基础知识 1

1.1 传感器概述 1

1.1.1 传感器定义 1

1.1.2 传感器工作原理及应遵循的法则和定律 2

1.1.3 传感器的技术特点 2

1.1.4 传感器分类 3

1.1.5 传感器的重要意义 4

1.2 传感器的数学模型概述 8

1.2.1 静态模型 8

1.2.2 动态模型 8

1.2.3 传感器静态特性 10

1.2.4 传感器的动态特性 13

1.3 测量基础知识 18

1.3.1 测量与误差 18

1.3.2 随机误差处理 21

1.3.3 系统误差分析 24

1.3.4 误差的合成、间接测量误差的传递与分配 25

1.4 习题 26

第2章 电阻应变式传感器 27

2.1 电阻应变式传感器基本原理 27

2.1.1 电阻应变式传感器的构造与原理 27

2.1.2 弹性元件结构的设计原则 30

2.2 电阻应变片的结构、种类和材料 31

2.2.1 弹性元件材料的选择 31

2.2.2 应变计的选择与粘贴 34

2.2.3 应变片的动态参数及其他参数选择 35

2.3 测量电桥电路及其补偿方法 39

2.3.1 电桥的原理 39

2.3.2 电阻应变片的标定及其补偿 45

2.4 压阻传感器测量电路和应用 51

2.4.1 测量原理和分类 51

2.4.2 压阻传感器应用 54

2.5 静态电阻应变仪和动态电阻应变仪的原理和应用 67

2.5.1 工作原理 67

2.5.2 交流电桥式应变仪原理和时域波形 69

2.5.3 相关仪理论原理 72

2.6 习题 74

第3章 电容式传感器 75

3.1 电容式传感器的工作原理和结构 75

3.1.1 基本工作原理 75

3.1.2 变极距型电容式传感器 76

3.1.3 变极板面积型电容式传感器 77

3.1.4 变介质型电容式传感器 78

3.1.5 电容式位移传感器的结构形式 79

3.1.6 电容式传感器的输出特性 79

3.2 电容式传感器的等效电路 82

3.3 电容式传感器的测量电路 83

3.3.1 调频电路 83

3.3.2 谐振电路 84

3.3.3 运算放大器式电路 85

3.3.4 二极管双T形交流电桥 86

3.3.5 脉冲宽度调制电路 87

3.3.6 电桥测量电路 89

3.4 电容式传感器应用举例 90

3.4.1 电容传感器在板材轧制装置中的应用——电容式测厚仪 90

3.4.2 电容传感器在真空注油机溢油自动控制中的应用 92

3.4.3 电容式压力传感器 94

3.4.4 高分子电容式湿度变送器 95

3.4.5 石英挠性伺服加速度计 96

3.4.6 微型电容式传感器应用 96

3.4.7 实验中变面积式电容传感器的性能和应用 98

3.5 习题 101

第4章 电感式传感器 102

4.1 变磁阻式传感器 102

4.1.1 结构和工作原理 102

4.1.2 等效电路 104

4.1.3 变气隙式电感传感器的输出特性 104

4.1.4 差动自感传感器 105

4.2 互感式传感器 109

4.2.1 结构与工作原理 109

4.2.2 等效电路 110

4.2.3 测量电路 111

4.3 电涡流式传感器 116

4.3.1 基本原理 116

4.3.2 等效电路 117

4.3.3 测量电路 118

4.4 电感式传感器应用举例 120

4.4.1 差动式自感测厚仪 120

4.4.2 涡流式传感器应用举例 120

4.4.3 实验用差动变压器相关测量电路分析 122

4.5 习题 127

第5章 光电传感器 128

5.1 光电效应与光电器件 128

5.1.1 外光电效应 128

5.1.2 内光电效应 129

5.1.3 外光电效应器件——光电管和光电倍增管 130

5.1.4 内光电效应器件——光敏电阻、光电池和光敏二极管与光敏三极管 134

5.2 固态图像传感器 144

5.2.1 CCD的单元结构和基本原理 144

5.2.2 线型CCD图像传感器基本结构 147

5.2.3 面型CCD图像传感器基本结构 148

5.3 光电传感器的应用 149

5.3.1 烟尘浊度监测仪 149

5.3.2 光电转速传感器 150

5.3.3 光电池应用 151

5.3.4 CCD图像传感器的应用 154

5.4 光导式（光纤）传感器 158

5.4.1 光纤结构及其传光原理 158

5.4.2 光纤传感器 161

5.5 光栅传感器 166

5.5.1 光栅式数字传感器的分类 166

5.5.2 栅式传感器的结构和工作原理 167

5.5.3 栅式传感器的测量电路 169

5.6 光纤光栅传感器 173

5.6.1 光纤光栅历史 173

5.6.2 光纤光栅传感器的工作原理 173

5.6.3 光栅传感器和光纤光栅传感器的应用 175

5.7 习题 177

第6章 压电式传感器 178

6.1 压电式传感器分类和原理 178

6.1.1 压电材料的分类及特性 179

6.1.2 压电晶体效应原理 181

6.1.3 压电陶瓷的压电现象 183

6.2 压电方程及压电常数矩阵 184

6.3 等效电路和测量电路 186

6.3.1 压电晶片的连接 186

6.3.2 等效电路 186

6.3.3 电压放大器 187

6.3.4 电荷放大器 191

6.4 压电传感器的应用实例 194

6.4.1 压电加速度计 194

6.4.2 石英微天平 196

6.4.3 压电式玻璃破碎报警器 211

6.5 习题 211

第7章 热电式传感器 214

7.1 热电偶温度传感器的工作原理 214

7.2 热电偶三个定律 216

7.2.1 中间导体定律 216

7.2.2 中间温度定律 217

7.2.3 参考电极定律（中间电极定律） 218

7.3 热电偶的种类 219

7.3.1 热电偶分类 219

7.3.2 介绍几种常用的热电偶 220

7.4 热电偶延长接法 222

7.5 热电偶冷端补偿 223

7.6 热电偶型传感器测温和控制电路设计 225

7.7 注塑机热电偶温度测量控制实例 228

7.7.1 注塑机温度测量控制系统总体结构 228

7.7.2 系统电路结构 229

7.8 热电阻和集成电路的温度传感器原理和应用 232

7.8.1 热电阻测温原理及材料 232

7.8.2 PN结温度传感器 233

7.8.3 集成电路的模拟温度传感器 236

7.8.4 数字式集成电路的温度传感器 238

7.8.5 温度传感器应用实例 240

7.9 热敏电阻 242

7.9.1 PTC热敏电阻 243

7.9.2 NTC热敏电阻 244

7.9.3 CTR热敏电阻 245

7.10 温度传感器选用原则 245

7.11 习题 248

第8章 半导体传感器 250

8.1 霍尔传感器的工作原理、分类及其简单应用 250

8.1.1 霍尔效应和霍尔传感器 250

8.1.2 霍尔传感器的分类与特性 251

8.1.3 霍尔元件的测量误差和补偿方法 253

8.1.4 霍尔传感器的应用 255

8.2 气敏传感器 258

8.2.1 概述 258

8.2.2 半导体气敏传感器的机理 259

8.2.3 半导体气敏传感器类型及结构 260

8.2.4 气敏传感器应用 263

8.3 湿敏传感器 264

8.3.1 氯化锂湿敏电阻 264

8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻 265

8.3.3 气敏湿敏测量电路 268

8.4 几种典型的微型半导体传感器 269

8.4.1 微型压力传感器 269

8.4.2 微型加速度计 271

8.4.3 微型陀螺（MicroGyroscope） 274

8.4.4 微型触觉传感器（MicroTactileSensors） 276

8.5 习题 277

第9章 谐振式传感器 279

9.1 谐振式传感器简介 279

9.1.1 谐振式传感器特征及分类 279

9.1.2 谐振式传感器理论分析和设计 281

9.1.3 振弦式传感器结构特点与工作原理 286

9.2 水利渗压计振弦谐振式频率式传感器结构和工作原理 291

9.3 振弦式传感器的数学模型及特点 294

9.3.1 振弦式传感器的理论公式 294

9.3.2 振弦式渗压计的特点和技术指标 295

9.4 振弦式压力传感器测量硬件设计 296

9.4.1 测量系统设计研究的重点和难点 296

9.4.2 振弦式传感器信号处理部分的设计 297

9.5 振弦式传感器测量模块系统的软件设计 303

9.5.1 软件总体设计思想 303

9.5.2 单片机测量程序设计 305

9.6 本系统的误差分析和解决干扰的方法 308

9.6.1 本系统对于振弦式传感器的测量结果 309

9.6.2 误差的类型和误差分析 309

9.6.3 消除误差提高精度的方法 310

9.7 习题 313

第10章 辐射式传感器 314

10.1 超声波 314

10.1.1 超声波及其物理性质 314

10.1.2 超声波的反射和折射 315

10.1.3 超声波的衰减 316

10.2 超声波传感器 316

10.2.1 超声波传感器的组成和工作模式 316

10.2.2 超声波传感器相关测量电路 319

10.3 超声波传感器应用 321

10.3.1 超声波物位传感器 321

10.3.2 超声波流量传感器 322

10.4 红外辐射传感器 323

10.4.1 红外辐射 323

10.4.2 红外探测器 324

10.4.3 红外传感器的应用 325

10.5 辐射式传感器应用 328

10.5.1 超低功耗超声波的距离测量系统 328

10.6 习题 333

第11章 智能网络化传感器系统 334

11.1 智能网络化传感器 334

11.1.1 什么是智能传感器 334

11.1.2 智能网络化传感器及系统结构 336

11.1.3 设计方法和智能传感器的研究领域 337

11.2 符合IEEE1451标准网络传感器系统结构和应用 339

11.2.1 IEEE1451标准传感器接口系统模型 339

11.2.2 IEEE1451传感器的各种接口和配置 340

11.2.3 IEEE1451传感器应用实例 341

11.3 无线传感器网络概述 343

11.3.1 无线智能传感器网络 343

11.3.2 无线传感器网络与传统无线网络的不同特征 344

11.4 无线传感网络的体系结构 345

11.4.1 节点组成 345

11.4.2 网络的体系结构及整体构建 346

11.4.3 ZigBee协议 347

11.5 无线测控系统的硬件平台设计 349

11.5.1 无线测控系统的整体结构 349

11.5.2 传感器模块 350

11.5.3 网络拓扑结构 351

11.5.4 传感节点的硬件设计 352

11.5.5 超低功耗单片机MSP430系列及外围电路 353

11.5.6 低功耗无线传输模块 355

11.5.7 传感器 357

11.5.8 电源模块 357

11.5.9 软件程序流程图简介 358

11.6 无线传感器网络的体系结构和协议 359

11.6.1 节点组成 359

11.6.2 无线传感网络整体构建 360

11.7 无线智能传感器网络发展趋势 363

11.7.1 微型化 363

11.7.2 无线化 364

11.7.3 精确化 365

11.7.4 无源化 365

11.8 习题 365

第12章 现代传感器发展简介 366

12.1 厚膜传感器 366

12.1.1 厚膜传感器简介 366

12.1.2 厚膜电容式微位移传感器 367

12.2 MEMS传感器 370

12.2.1 概念与结构 370

12.2.2 应用实例 371

12.3 生物传感器 373

12.3.1 定义与结构 373

12.3.2 分类 374

12.3.3 典型生物传感器 374

12.3.4 典型应用—悬臂梁式生物传感器 375

12.4 模糊传感器 379

12.4.1 概念及结构 379

12.4.2 应用实例 380

12.5 智能传感器 381

12.5.1 定义与功能 381

12.5.2 结构和实现 382

12.5.3 应用与方向 382

12.6 多功能传感器 383

12.6.1 定义 383

12.6.2 结构模型 384

12.6.3 问题描述与重构方法 384

12.6.4 应用实例 385

12.7 模型传感器 387

12.7.1 定义 387

12.7.2 建模方法 387

12.7.3 应用实例 388

12.7.4 传感器的发展趋势 388

12.8 习题 389

第13章 传感器选用原则和系统抗干扰 390

13.1 传感器的正确选用原则 390

13.2 抗干扰技术 391

13.2.1 电磁兼容问题概述 392

13.2.2 噪声分类 393

13.2.3 常模噪声和共模噪声 393

13.2.4 抗干扰技术措施 394

13.3 习题 403

附录A 传感器技术实验设备和测量 电路模块 404

附录B 传感器技术与实践实验 412

附录C 典型激励的系统响应 446