传感器技术设计与应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 传感器的概念 1

1.1.1 传感器的定义 1

1.1.2 传感器的重要性 1

1.1.3 当今传感器技术的发展动向 1

1.1.4 传感器的国外发展情况及我国的对策 1

1.2 检测技术的重要性与自动检测系统的构成 2

1.2.1 检测技术的重要性 2

1.2.2 自动检测系统的构成 2

1.3 传感器与检测技术的发展方向 3

1.3.1 发现新现象 3

1.3.2 开发新材料 3

1.3.3 采用微型加工技术 3

1.3.4 研究多功能集成传感器 3

1.3.5 智能化传感器 3

1.3.6 航天传感器 4

1.3.7 仿生传感器 4

1.3.8 提高系统性能 4

1.3.9 多种技术相结合构成智能化的自动检测系统 4

1.3.10 多个、多种传感器组合构成特殊的自动检测系统 4

1.4 本课程的任务和目的 4

1.4.1 主要任务 4

1.4.2 目的 4

思考题与习题 5

第2章 传感器的基本特性与测量误差 6

2.1 传感器的基本特性 6

2.1.1 传感器的静态特性 6

2.1.2 传感器的动态特性 9

2.2 测量误差及其分类 18

2.2.1 测量技术中的常用名词 18

2.2.2 误差的分类 18

2.3 系统误差的消除方法 21

2.3.1 系统误差存在与否的检查 21

2.3.2 系统误差的削弱或消除的基本方法 22

2.4 随机误差及其特性 27

2.4.1 随机误差的统计特性 27

2.4.2 随机误差的分布规律 29

2.4.3 随机误差的评价指标 30

思考题与习题 33

第3章 电阻传感器 34

3.1 电位器传感器 34

3.1.1 电位器传感器的工作原理 34

3.1.2 电位器函数转换器 34

3.1.3 电位器传感器的结构和噪声分析 37

3.1.4 电位器传感器的应用举例 38

3.2 电阻应变式传感器 39

3.2.1 电阻应变效应 39

3.2.2 结构与材料 41

3.2.3 基本特性 42

3.2.4 电阻应变式传感器的温度补偿 43

3.2.5 半导体应变片 45

3.2.6 电阻应变片的选择 47

3.2.7 电阻应变传感器测量电路 48

3.3 电阻应变传感器的应用 51

3.3.1 测力传感器 51

3.3.2 面线张力传感器 53

3.3.3 转矩传感器 53

思考题与习题 54

第4章 电容传感器 55

4.1 电容传感器的工作原理 55

4.1.1 电容传感器的工作原理和特性 55

4.1.2 电容传感器的静态特性 56

4.1.3 电容传感器的特点 58

4.1.4 提高电容传感器灵敏度的方法 58

4.2 电容式传感器的测量电路 58

4.2.1 变压器电桥（桥式电路） 58

4.2.2 运算放大器式电路 59

4.2.3 调频电路 60

4.2.4 谐振电路 61

4.2.5 脉冲宽度调制电路 61

4.3 电容传感器的应用举例 63

4.3.1 转速测量 63

4.3.2 利用电容传感器测量液面深度 64

4.3.3 电容测厚仪 65

4.3.4 电缆芯偏心测量 65

4.3.5 晶体管电容料位指示仪 66

思考题与习题 67

第5章 电感传感器 68

5.1 变磁阻式电感传感器 68

5.1.1 结构原理 68

5.1.2 测量电路 72

5.1.3 零点残余电压及其补偿 77

5.2 差动变压器 78

5.2.1 工作原理 79

5.2.2 测量电路 80

5.3 涡流传感器 81

5.3.1 高频反射式涡流传感器 82

5.3.2 低频透射涡流传感器 85

5.4 电感传感器的应用 86

5.4.1 电感式纸页厚度测量仪 86

5.4.2 电感测微仪 87

5.4.3 电感传感器测量加速度、液位等 87

5.4.4 涡流传感器的应用 88

思考题与习题 89

第6章 热电传感器 90

6.1 概述 90

6.1.1 热电传感器的分类 90

6.1.2 热电传感器的特点 90

6.2 热电偶 91

6.2.1 热电偶测温的基本原理 91

6.2.2 热电偶回路基本法则 93

6.2.3 热电偶的种类及结构 96

6.2.4 热电偶冷端温度补偿 99

6.2.5 热电偶使用测温电路举例 103

6.3 热电阻 104

6.3.1 金属热电阻 104

6.3.2 半导体热敏电阻 107

6.3.3 热电阻传感器的应用 108

思考题与习题 111

第7章 磁电传感器 112

7.1 磁电传感器的原理与类型 112

7.1.1 工作原理 112

7.1.2 磁电传感器的类型 113

7.2 磁电式传感器的设计要点 114

7.2.1 灵敏度Sn 115

7.2.2 线圈的电阻与负载电阻匹配问题 115

7.2.3 线圈发热检查 116

7.2.4 线圈的磁场效应 116

7.2.5 温度影响 116

7.3 磁电式传感器的应用 117

7.3.1 磁电感应式振动速度传感器 117

7.3.2 磁电感应式转速传感器 118

思考题与习题 118

第8章 压电传感器 119

8.1 压电效应和压电材料 119

8.1.1 压电效应 119

8.1.2 压电材料 122

8.2 压电元件的常用结构形式 123

8.2.1 压电元件的串并联结构与特点 123

8.2.2 双片弯曲式压电传感器原理 124

8.3 压电传感器的测量电路 125

8.3.1 压电传感器的等效电路 125

8.3.2 压电传感器的测量电路 126

8.4 压电传感器的应用 129

8.4.1 压电加速度传感器 129

8.4.2 压电压力传感器 131

思考题与习题 132

第9章 常用半导体传感器 133

9.1 霍尔传感器 133

9.1.1 霍尔元件的工作原理 133

9.1.2 霍尔元件的电磁特性 135

9.1.3 误差分析及其补偿方法 136

9.1.4 霍尔传感器的应用 141

9.1.5 霍尔元件的设计要点 147

9.2 气敏传感器 148

9.2.1 概述 148

9.2.2 SnO2的基本性质 148

9.2.3 SnO2气敏元件的结构 149

9.2.4 SnO2气敏元件的工作原理 151

9.2.5 SnO2主要性能参数 151

9.2.6 气敏传感器的应用 154

9.3 湿敏传感器 157

9.3.1 湿度测量的意义 157

9.3.2 湿度的表示方法和单位 158

9.3.3 湿度的测量方法及湿敏元件 159

9.3.4 烧结型半导体陶瓷湿敏元件 159

9.3.5 湿敏传感器的应用 162

思考题与习题 163

第10章 光电传感器 164

10.1 引言 164

10.2 光电检测系统的基本构成 164

10.2.1 光电检测系统的基本组成 164

10.2.2 主要部分的作用 164

10.2.3 光电传感器的组成 165

10.3 光电检测的工作原理及基本结构型式 165

10.3.1 把待检测量变换为光信息量 165

10.3.2 把待检测量变换为光信息脉冲 165

10.3.3 几种光电变换结构形式 166

10.3.4 几个光学单位 168

10.4 光电传感器 169

10.4.1 光电效应 169

10.4.2 光电管 170

10.4.3 光电倍增管 171

10.4.4 光敏电阻 172

10.4.5 光敏二极管和光敏三极管 175

10.4.6 光电池 177

10.4.7 半导体光电位置敏感器件 181

10.4.8 红外传感器 192

10.5 光电传感器应用举例 193

10.5.1 光电折光仪应用 193

10.5.2 圆轴直径测量系统 194

10.5.3 透明物体厚度的光电检测 194

思考题与习题 195

第11章 图像传感器 196

11.1 光电二极管及光电三极管阵列 196

11.1.1 光电二极管阵列的结构和工作原理 196

11.1.2 光电三极管阵列的结构及工作原理 199

11.2 电荷耦合器件及图像传感器 201

11.2.1 电荷耦合器件的工作原理及结构 201

11.2.2 CCD图像传感器 206

11.2.3 CCD图像传感器的特性参数 210

11.3 CCD应用举例 213

11.3.1 尺寸检测 213

11.3.2 表面缺陷检测 218

11.3.3 图像传感器在光学文字识别中的应用 219

思考题与习题 220

第12章 光导纤维传感器 221

12.1 光导纤维传感器概述 221

12.1.1 光纤传感器的特点 221

12.1.2 光纤传感器的分类 221

12.1.3 光纤在测量上的应用 222

12.1.4 光纤检测元件的发展及其动向 223

12.2 光纤传感器元件 224

12.2.1 光纤 224

12.2.2 光源和光探测器 230

12.2.3 光纤的连接和耦合 234

12.2.4 光纤传感器检测系统的光调制方式 237

12.3 机械量光纤传感器 239

12.3.1 传感方式 239

12.3.2 反射型光纤位移传感器 241

12.3.3 相位调制型光纤传感器 244

12.4 光纤温度检测技术 250

12.4.1 功能型（FF）光纤温度传感器 250

12.4.2 非功能型（NFF）光纤温度传感器 251

12.5 光纤流量（流速）检测技术 255

12.5.1 光纤涡轮流量计 255

12.5.2 光纤激光多普勒流量计 257

12.6 磁场及电场光纤传感技术 258

12.6.1 法拉第效应式光线磁场（电流）传感器 259

12.6.2 光纤电压（电场）传感器 261

12.7 光纤转速传感器 265

12.7.1 萨格奈克效应 266

12.7.2 光纤转速传感器（光纤陀螺） 268

12.7.3 光纤转速传感器存在的问题 275

12.7.4 光纤转速传感器发展 275

思考题与习题 276

第13章 数字式传感器 277

13.1 角度-数字编码器 277

13.1.1 脉冲盘式角度-数字编码器 277

13.1.2 码盘式角度-数字编码器 279

13.1.3 激光式角度传感器 282

13.2 光栅传感器 283

13.2.1 光栅传感器的结构与测量原理 283

13.2.2 细分技术 288

13.2.3 光栅式传感器的设计要点 292

13.3 感应同步器 295

13.3.1 感应同步器的结构与工作原理 296

13.3.2 鉴相型测量系统 300

13.3.3 鉴幅型测量系统 303

13.3.4 鉴幅型测量系统的应用 304

思考题与习题 307

第14章 传感器新技术及其应用 308

14.1 智能传感器 308

14.1.1 智能传感器的典型结构 308

14.1.2 智能传感器的主要功能 309

14.1.3 智能传感器的特点 310

14.1.4 智能传感器实现的途径 310

14.2 模糊传感器 311

14.2.1 模糊传感器的概念及特点 311

14.2.2 模糊传感器的基本功能 311

14.2.3 模糊传感器的结构 312

14.3 网络传感器 314

14.3.1 网络传感器的概念 314

14.3.2 网络传感器的类型 315

14.3.3 基于IEEE 1451标准的网络传感器 316

14.3.4 网络传感器所在网络的体系结构 320

14.4 多传感器数据融合 321

14.4.1 多传感器数据融合的概念 321

14.4.2 多传感器数据融合技术 321

14.4.3 多传感器数据融合技术的应用 322

14.5 虚拟仪器 323

14.5.1 虚拟仪器概述 323

14.5.2 虚拟仪器的组成 323

14.5.3 虚拟仪器的特点 324

14.5.4 软件开发工具Lab VIEW简介 325

14.6 物联网 327

14.6.1 物联网的基本概念 327

14.6.2 物联网的关键技术 327

14.6.3 物联网的应用模式 328

14.6.4 物联网应用案例 329

14.7 MEMS技术与微型传感器 329

14.7.1 微机电系统典型特性 329

14.7.2 微型传感器具有的特点 330

思考题与习题 330

第15章 现代检测系统综合设计 331

15.1 现代检测系统的设计思路与方法 331

15.1.1 现代检测系统的设计思想 331

15.1.2 现代检测系统的设计方法 332

15.1.3 计算机及接口设计 333

15.2 脉冲测距综合系统设计 334

15.2.1 理论依据 334

15.2.2 设计方案 334

15.2.3 工作过程 334

15.2.4 说明几点 335

15.3 激光准直综合系统设计 335

15.3.1 激光准直系统总体设计方案 335

15.3.2 激光准直系统的工作过程 336

15.3.3 激光准直系统主要部分设计 336

15.4 智能温度控制系统设计 338

15.4.1 设计要求 338

15.4.2 系统组成和工作原理 339

15.4.3 硬件结构和电路设计 339

15.4.4 软件结构的程序框图 348

思考题与习题 355

参考文献 356