传感器与检测技术PDF电子书下载

0 传感器与检测技术概念 1

0.1 传感器的组成与分类 1

0.1.1 传感器的定义 1

0.1.2 传感器的组成 1

0.1.3 传感器的分类 1

0.2 传感器的作用与地位 2

0.3 传感器技术的发展动向 2

0.4 检测技术的定义 4

0.5 检测技术的作用 4

1 传感器的特性 5

1.1 传感器的静态特性 5

1.1.1 线性度 5

1.1.2 迟滞 7

1.1.3 重复性 7

1.1.4 灵敏度与灵敏度误差 8

1.1.5 分辨率与阈值 8

1.1.6 稳定性 8

1.1.7 温度稳定性 8

1.1.8 多种抗干扰能力 8

1.1.9 静态误差 9

1.2 传感器的动态特性 9

1.2.1 动态特性的数学描述 9

1.2.2 线性系统的传递函数 11

1.2.3 传感器的动态特性指标 11

1.2.4 动态响应分析的基本方法 13

1.2.5 典型环节的动态响应特性 15

2 电阻式传感器 23

2.1 电位器式电阻传感器 23

2.1.1 线性电位器 23

2.1.2 非线性电位器 26

2.1.3 负载特性与负载误差 27

2.1.4 电位器的结构与材料 28

2.1.5 电位器式传感器应用举例 29

2.2 应变片式电阻传感器 30

2.2.1 电阻应变片的工作原理 31

2.2.2 金属电阻应变片主要特性 31

2.2.3 温度误差及其补偿 36

2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路 39

2.2.5 应变片式电阻传感器的应用举例 42

3 电感式传感器 46

3.1 自感式传感器 46

3.1.1 工作原理 46

3.1.2 灵敏度及非线性 48

3.1.3 等效电路 48

3.1.4 转换电路 48

3.1.5 零点残余电压 52

3.1.6 自感式传感器的特点及应用 52

3.2 变压器式传感器 53

3.2.1 工作原理 53

3.2.2 等效电路及其特性 54

3.2.3 差分变压器式传感器的测量电路 56

3.2.4 零点残余电压的补偿 60

3.2.5 变压器式传感器的应用举例 61

3.3 涡流式传感器 62

3.3.1 工作原理 62

3.3.2 转换电路 63

3.3.3 涡流式传感器的特点及应用 64

3.4 压磁式传感器 66

3.4.1 工作原理 66

3.4.2 结构形式 66

4 电容式传感器 70

4.1 电容式传感器的工作原理及类型 70

4.1.1 工作原理 70

4.1.2 类型 70

4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 72

4.3 电容式传感器的特点及等效电路 73

4.3.1 特点 73

4.3.2 等效电路 74

4.4 电容式传感器的设计要点 75

4.4.1 保护绝缘材料的绝缘性能 75

4.4.2 消除和减小边缘效应 76

4.4.3 消除和减小寄生电容的影响 76

4.4.4 防止和减小外界干扰 78

4.5 电容式传感器的转换电路 79

4.5.1 调制型电路 79

4.5.2 脉冲型电路 82

4.6 电容式传感器的应用举例 85

4.6.1 差分式电容压力传感器 85

4.6.2 电容式加速度传感器 86

4.6.3 电容式料位传感器 86

4.6.4 电容式位移传感器 86

5 磁电式传感器 88

5.1 磁电感应式传感器 88

5.1.1 工作原理和结构类型 88

5.1.2 动态特性分析 90

5.1.3 测量电路 94

5.1.4 磁电感应式传感器应用举例 98

5.2 霍尔式传感器 99

5.2.1 霍尔效应和霍尔元件材料 99

5.2.2 霍尔元件构造及测量电路 101

5.2.3 霍尔元件的主要技术指标 102

5.2.4 霍尔元件的补偿电路 103

5.2.5 霍尔式传感器的应用举例 105

6 压电式传感器 107

6.1 压电效应 107

6.1.1 石英晶体的压电效应 108

6.1.2 压电陶瓷的压电效应 109

6.1.3 高分子材料的压电效应 110

6.1.4 压电方程与压电常数 111

6.2 压电材料 113

6.3 等效电路 115

6.4 测量电路 116

6.4.1 电压放大器 116

6.4.2 电荷放大器 118

6.5 压电式传感器的应用举例 120

6.5.1 压电式测力传感器 120

6.5.2 压电式加速度传感器 121

6.6 影响压电式传感器精度的因素分析 121

6.6.1 非线性 121

6.6.2 横向灵敏度 122

6.6.3 环境温度的影响 123

6.6.4 湿度的影响 123

6.6.5 电缆噪声 123

6.6.6 接地回路噪声 123

7 光电式传感器 124

7.1 光电效应 124

7.1.1 外光电效应 124

7.1.2 内光电效应 125

7.1.3 光生伏特效应 125

7.2 光电器件及其特性 125

7.2.1 光电管与光电倍增管 125

7.2.2 光敏电阻 128

7.2.3 光敏二极管及光敏三极管 128

7.2.4 光电池 129

7.2.5 半导体光电元件的特性 130

7.3 光电式传感器的测量电路 134

7.3.1 光源 134

7.3.2 测量电路 134

7.4 光电传感器及其应用 137

7.4.1 模拟式光电传感器 137

7.4.2 脉冲式光电传感器 138

7.5 光纤传感器 139

7.5.1 光导纤维 140

7.5.2 光纤传感器的工作原理 141

7.6 电荷耦合器件（CCD） 144

7.6.1 CCD的工作原理 145

7.6.2 CCD应用举例 147

7.7 光栅式传感器 148

7.7.1 基本工作原理 148

7.7.2 莫尔条纹 151

7.7.3 辨向原理和细分电路 152

7.8 激光式传感器 156

7.8.1 激光干涉仪测位移 156

7.8.2 激光测长度原理 158

8 热电式传感器 159

8.1 热电阻 159

8.1.1 热电阻的材料及工作原理 159

8.1.2 测量电路 161

8.2 热电偶 161

8.2.1 热电效应 162

8.2.2 热电偶基本定律 163

8.2.3 热电偶材料及常用热电偶 165

8.2.4 热电偶测温线路 166

8.2.5 热电偶参考端温度 168

8.3 热敏电阻 172

8.3.1 热敏电阻的主要特性 172

8.3.2 热敏电阻的特性线性化 174

8.3.3 热敏电阻的应用举例 175

9 核辐射传感器 177

9.1 核辐射的基本特性 177

9.1.1 核辐射的特性 177

9.1.2 测量中常用的同位素 180

9.2 核辐射传感器 181

9.2.1 电离室 181

9.2.2 气体放电计数管 182

9.3 核辐射传感器的应用举例 183

9.4 放射性辐射的防护 184

10 生物传感器 185

10.1 概述 185

10.1.1 生物传感器基本结构 185

10.1.2 生物传感器的类型 186

10.1.3 生物传感器的优点 186

10.1.4 生物传感器的固定化技术 186

10.2 电化学DNA传感器 187

10.2.1 电化学DNA传感器原理 187

10.2.2 DNA在固体电极上的固定 188

10.2.3 电化学DNA传感器中的标识物 189

10.2.4 电化学DNA传感器的应用 190

10.3 半导体生物传感器 191

10.3.1 原理与特点 192

10.3.2 生物场效应晶体管结构类型 193

10.3.3 应用研究实例 195

11 集成智能传感器 199

11.1 单片集成化智能传感器 199

11.1.1 智能传感器的基本特点 199

11.1.2 智能传感器的发展趋势及应用 202

11.1.3 单片智能传感器主要产品的分类 205

11.2 网络化智能压力传感器 207

11.2.1 PPT、PPTR系列网络化智能压力传感器的工作原理 207

11.2.2 PPT系列网络化智能压力传感器的典型应用 209

11.3 单片指纹传感器 212

11.3.1 生物识别技术的发展概况 212

11.3.2 指纹识别的基本原理 217

11.3.3 FCD4B14/AT77C101B型指纹传感器 222

11.4 特种集成传感器 228

11.4.1 LM1042型集成液位传感器 228

11.4.2 MC系列烟雾检测报警集成电路 233

12 传感器的标定 241

12.1 传感器的静态特性标定 241

12.1.1 静态标准条件 241

12.1.2 标定仪器设备精度等级的确定 241

12.1.3 静态特性标定的方法 241

12.2 传感器的动态特性标定 242

12.3 测振传感器的标定 243

12.3.1 绝对标定法 244

12.3.2 比较标定法 244

12.4 压力传感器的标定 244

12.4.1 动态标定压力源 244

12.4.2 激波管标定法 246

13 传感器可靠性技术 252

13.1 可靠性技术基础概述 252

13.1.1 可靠性技术定义及其特点 252

13.1.2 可靠性技术的基本特征量 253

13.2 可靠性设计 257

13.2.1 可靠性设计的重要性 257

13.2.2 可靠性设计程序和原则 257

13.2.3 系统的可靠性框图模型及计算 258

13.3 可靠性管理 259

13.3.1 可靠性管理的意义及特点 259

13.3.2 可靠性管理机构和职责 259

13.3.3 可靠性标准、情报与保证 260

13.3.4 可靠性管理的实施 260

13.4 可靠性试验 260

13.4.1 传感器环境试验概述 260

13.4.2 传感器的可靠性试验实例 263

13.5 敏感元件及传感器的失效分析 264

13.5.1 概述 264

13.5.2 分析方法 265

14 检测技术基础 271

14.1 检测技术概述 271

14.2 测量方法 271

14.2.1 直接测量、间接测量和联立测量 271

14.2.2 偏差式测量、零位式测量和微差式测量 272

14.3 测量系统 273

14.3.1 测量系统的构成 274

14.3.2 主动式测量系统与被动式测量系统 275

14.3.3 开环式测量系统与闭环式测量系统 275

14.4 测量数据处理方法 276

14.4.1 静态测量数据的处理方法 276

14.4.2 动态测量数据的处理方法 294

15 多传感器信息融合技术 299

15.1 概述 299

15.1.1 概念 299

15.1.2 意义及应用 299

15.2 传感器信息融合的分类和结构 300

15.2.1 传感器信息融合的分类 300

15.2.2 信息融合的结构 301

15.2.3 信息融合系统结构的实例 302

15.3 传感器信息融合的一般方法 303

15.3.1 嵌入约束法 303

15.3.2 证据组合法 304

15.3.3 人工神经网络法 306

15.4 传感器信息融合的实例 306

15.4.1 机器人中的传感器信息融合 306

15.4.2 舰船上的传感器信息融合 307

16 现代检测系统 310

16.1 计算机检测系统的基本组成 310

16.1.1 多路模拟开关 310

16.1.2 A/D转换与D/A转换 311

16.1.3 取样保持 314

16.2 总线技术 315

16.2.1 总线的基本概念及其标准化 315

16.2.2 总线的通信方式 316

16.2.3 测控系统内部总线 316

16.2.4 测控系统外部总线 319

16.3 虚拟仪器 322

16.3.1 虚拟仪器的出现 323

16.3.2 虚拟仪器的硬件系统 324

16.3.3 虚拟仪器的软件系统 325

16.3.4 虚拟仪器的发展趋势 325

16.4 网络化检测仪器 326

16.4.1 基于现场总线技术的网络化测控系统 326

16.4.2 面向Internet网络测控系统 327

16.4.3 网络化检测仪器与系统实例 328

16.4.4 无线传感器网络测控系统 329

17 传感器与检测技术实验 334

17.1 温度传感器实验 334

17.1.1 铂热电阻实验 334

17.1.2 温度变送器实验 335

17.1.3 热电偶测温实验 337

17.1.4 热电偶标定实验 339

17.1.5 PN结温敏二极管实验 339

17.1.6 半导体热敏电阻实验 340

17.1.7 集成温度传感器 341

17.2 电涡流传感器实验 341

17.2.1 电涡流传感器静态标定 341

17.2.2 被测材料对电涡流传感器特性的影响 342

17.2.3 电涡流传感器振幅测量 343

17.2.4 涡流传感器测转速实验 343

17.2.5 综合传感器——力平衡式传感器实验 344

17.3 半导体传感器实验 345

17.3.1 湿敏传感器——湿敏电容实验 345

17.3.2 湿敏传感器——湿敏电阻实验 346

17.3.3 气敏传感器演示实验 347

17.4 光电传感器实验 348

17.4.1 光敏电阻实验 348

17.4.2 光敏电阻的应用——暗光亮灯电路 350

17.4.3 光敏二极管特性实验 350

17.4.4 光敏三极管特性测试 352

17.4.5 光敏三极管对不同光谱的响应 353

17.4.6 光电开关（红外发光管与光敏三极管） 354

17.4.7 光电传感器——热释电红外传感器性能实验 355

17.4.8 红外光敏管应用——红外检测 356

17.4.9 光电池特性测试 356

17.4.10 光纤位移传感器原理 358

17.4.11 光纤传感器——位移测试 359

17.4.12 光纤传感器应用——测温传感器 359

17.4.13 光纤传感器——动态测量 360

17.4.14 光栅衍射实验——光栅距的测定 360

17.4.15 光栅传感器——衍射演示及测距实验 361

17.4.16 电荷耦合图像传感器——CCD摄像法测径实验 362

附录 习题与思考题 363

参考文献 370