传感器与检测技术PDF电子书下载

第1篇 基础知识 3

第1章 基础知识和基本概念 3

1.1传感器与检测技术的发展历史与作用 3

1.2测量技术名词 5

1.2.1测量 5

1.2.2量值 5

1.2.3[量的]真值 6

1.2.4[量的]约定真值 6

1.2.5精确度 6

1.2.6[测量]误差 6

1.2.7修正值 7

1.2.8相对误差 8

1.2.9引用误差和精度等级 8

1.2.10量程 8

1.2.11范围度 9

1.2.12计量 9

1.2.13校准 9

1.2.14量值传递 9

1.2.15溯源性 10

1.2.16仪表的零点迁移和量程迁移 10

1.2.17仪表的死区、滞环误差和回差 11

1.2.18灵敏度和分辨力 12

1.2.19信噪比 12

1.2.20线性度误差 12

1.2.21重复性误差 12

1.2.22仪表的可靠性 13

1.2.23检测元件或传感元件 13

1.2.24[测量]传感器 14

1.2.25变送器 14

1.2.26计、表和仪（器） 15

1.3典型的测量系统 15

1.3.1第一级—敏感元件-传感器级 16

1.3.2第二级—信号调理级 16

1.3.3第三级—读出记录级 17

1.4多种测量方式 18

1.4.1直接与间接测量 18

1.4.2串联型（开环）与反馈型（闭环）测量 19

1.4.3能量变换型与能量控制型测量 20

1.4.4接触式与非接触式测量 21

1.4.5静态与动态测量 21

1.5提高精度的系统结构与测量方法 23

1.5.1补偿测量结构 23

1.5.2差分测量结构 24

1.5.3基于同步叠加的去噪方法 25

1.5.4基于响应速度的分离方法 25

1.5.5滤波放大与调频放大方法 26

1.5.6陷波放大方法 26

1.5.7锁定放大方法 27

1.6测量单位和国际单位制 28

1.6.1量和单位 28

1.6.2国际单位制 30

1.6.3法定计量单位 33

1.6.4国际单位制和法定计量单位使用注意事项 34

练习题及思考题 34

第2章 测量数据处理 36

2.1测量数据中粗大误差的判定和剔除 36

2.1.1粗大误差的概念 36

2.1.2粗大误差的剔除准则 37

2.2测量数据中系统误差的发现和修正 40

2.2.1系统误差的概念 40

2.2.2系统误差的判别方法 41

2.2.3减小系统误差的方法 44

2.3近似数的修约与运算 48

2.3.1近似数的修约 48

2.3.2有效数字 50

2.3.3近似数的运算 51

2.4数据的图形表示 53

2.4.1图形表示的规则 54

2.4.2选择坐标系和绘制曲线 54

2.5最小二乘法与实验曲线拟合 56

2.5.1最小二乘法原理 57

2.5.2直线和曲线拟合 57

2.5.3典型经验公式的选择与检验 60

练习题及思考题 62

第3章测量不确定度的评定与表示方法 63

3.1测量不确定度的定义及与测量误差的比较 63

3.1.1预备知识 63

3.1.2 u、uc和U（Up）值的评定 67

3.2标准不确定度、合成标准不确定度和扩展不确定度的计算 68

3.3测量不确定度的A类和B类评定 70

3.4测量结果和测量不确定度的表示 72

3.5温度检测中不确定度评定与表示方法的实例 72

3.6相对合成标准不确定度在差压式流量计中的应用 75

练习题及思考题 76

第2篇 传感器原理 79

第4章 电阻式电容式传感器 79

4.1应变电阻传感器 79

4.1.1金属电阻丝应变片 79

4.1.2半导体应变元件 81

4.2应变电阻转换电路 81

4.3应变片的种类及应用 83

4.4电容式传感器 85

4.4.1电容式传感器工作原理 85

4.4.2电容式传感器的种类 85

4.4.3差动电容传感器 87

4.5电容式传感器的特性 88

4.5.1减小环境温度湿度变化的影响 88

4.5.2漏电阻、激励频率和材料的绝缘性 88

4.5.3减小边缘效应 89

4.5.4屏蔽电极 89

4.6电容式传感器的应用 90

4.6.1工业液位计 90

4.6.2电容式接近传感器 90

4.6.3差动电容式加速度传感器 92

4.6.4电容式差压传感器 95

4.6.5电容式倾斜仪 96

4.6.6容栅位移传感器 96

4.7电容传感器测量电路 97

4.7.1运算放大器电路 97

4.7.2电桥电路 98

4.7.3充放电式差动电容开关转换电路 98

4.7.4充放电式差动脉冲调宽电路 98

4.7.5振荡电路 99

4.8电容传感器的使用注意事项 100

4.8.1减少外界干扰 100

4.8.2减少寄生电容 101

练习题及思考题 102

第5章 压电传感器 103

5.1压电效应和压电方程 103

5.2压电材料 104

5.2.1压电晶体 104

5.2.2压电陶瓷 107

5.2.3压电薄膜 107

5.3压电传感器的信号调理电路 108

5.3.1压电传感器电压放大电路 109

5.3.2压电传感器电荷放大电路 110

5.4压电式加速度传感器 111

5.5压电逆效应的应用 111

5.6超声波传感器 113

5.6.1超声波的波型、波速 114

5.6.2超声波的反射、折射和波型转换 115

5.6.3声波的衰减 117

5.6.4超声空化效应 117

5.6.5超声波传感器的结构和等效电路 117

5.6.6超声波测距、测厚原理 119

5.6.7超声波流量计 121

5.6.8超声成像 123

5.6.9声表面波SAW传感器器件 123

练习题及思考题 124

第6章 光电传感器 125

6.1概述 125

6.1.1光的特性 126

6.1.2光源种类 128

6.2光电传感器元件 130

6.2.1光敏二极管 130

6.2.2光敏三极管 132

6.2.3光敏电阻 134

6.2.4光电倍增管 136

6.2.5光耦合器 137

6.2.6彩色传感器 137

6.2.7 CCD图像传感器 138

6.2.8 CMOS图像传感器 140

6.3红外传感器 141

6.3.1热释电型红外传感器 142

6.3.2热电堆型红外传感器 143

6.4光电位置检测传感器 143

6.5太阳能电池 145

6.6光纤传感器 146

6.6.1光学纤维的结构和原理 146

6.6.2非功能型光纤传感器 148

6.6.3功能型光纤传感器 150

练习题及思考题 150

第7章 磁敏传感器 152

7.1概述 152

7.1.1磁场强度和磁敏传感器种类 153

7.1.2地磁场和电子罗盘 154

7.2霍尔传感器 156

7.2.1霍尔传感器原理 156

7.2.2霍尔传感器的应用 158

7.3磁阻元件 161

7.3.1各向异性磁阻AMR元件 162

7.3.2巨磁阻GMR元件 165

7.3.3磁阻传感器的应用 166

7.4磁阻抗元件 166

7.4.1磁阻抗效应 166

7.4.2磁阻抗MI元件 167

7.5感应式磁电传感器 169

7.5.1磁通门传感器 169

7.5.2自感式位移传感器 170

7.5.3互感式位移传感器差动变压器 171

7.5.4电涡流传感器 174

练习题及思考题 175

第8章 气体传感器 176

8.1概述 176

8.2半导体气体传感器 177

8.2.1氧化物半导体气体传感器 177

8.2.2 MOSFET气体传感器 179

8.3振动频率型气体传感器 180

8.3.1表面弹性波传感器 180

8.3.2晶振膜传感器 180

练习题及思考题 181

第9章 生化传感器 182

9.1概述 182

9.2新型生化传感器 184

9.2.1蛋白传感器 184

9.2.2肽纳米管生化传感器 185

9.2.3碳纳米管生化传感器 186

9.2.4微机械生化传感器 188

9.2.5石英晶体传感器 191

9.2.6光寻址生化传感器 192

练习题及思考题 193

第10章 智能传感器 194

10.1概述 194

10.1.1智能传感器可实现的功能 194

10.1.2智能材料 196

10.2常用智能材料 197

10.2.1智能金属材料（形状记忆合金） 199

10.2.2智能高分子（聚合物）材料 201

10.2.3智能纤维 202

10.2.4智能陶瓷 206

10.2.5电流变液智能材料 208

10.2.6磁流变液智能材料 209

10.2.7磁性液体智能材料 210

10.2.8智能玻璃 212

10.3光纤智能传感器 212

10.3.1光纤智能传感器的结构基础 212

10.3.2智能蒙皮 213

10.3.3智能夹层 215

10.3.4光纤智能传感器用于结构的健康监测 217

练习题及思考题 217

第3篇 检测技术 221

第11章 温度检测技术 221

11.1温标 222

11.1.1温标的概念及其发展 222

11.1.2 90国际温标 225

11.2接触式测温方法 228

11.2.1膨胀式与压力式温度计 228

11.2.2热电偶温度计 231

11.2.3热电阻温度计 241

11.2.4热敏电阻温度计 244

11.3非接触式测温方法 246

11.3.1辐射测温基础 247

11.3.2光学高温计 252

11.3.3光电高温计 254

11.3.4辐射温度计 257

11.3.5比色温度计 259

11.3.6红外测温仪 261

练习题及思考题 262

第12章 压力检测技术 263

12.1压力单位和表示 264

12.2压力检测方法 265

12.2.1液柱式压力计 265

12.2.2弹性式压力表 269

12.2.3电阻应变式压力计 275

12.2.4压电式压力计 283

12.3压力表校验装置 286

12.3.1活塞式压力计 286

12.3.2气动压力校验泵 287

练习题及思考题 288

第13章流量检测技术 289

13.1基本概念 289

13.2体积流量检测方法 292

13.2.1橢圆齿轮流量计 292

13.2.2节流式差压流量计 293

13.2.3电磁流量计 312

13.2.4转子流量计 318

13.2.5涡街流量计 323

13.2.6超声波流量计 330

13.3质量流量检测方法 336

13.3.1测量方法分类 336

13.3.2科里奥利式质量流量计 340

13.4流量校验标准装置和校验方法 345

练习题及思考题 350

第14章 物位检测技术 351

14.1基本概念 351

14.2常用物位测量方法 353

14.2.1压力式液位计 353

14.2.2浮力式液位计 356

14.2.3电容式物位计 363

14.2.4电导式及电感式物位计 369

14.2.5阻力式料位计 371

14.2.6超声式物位计 374

14.2.7微波式及γ射线式物位计 379

练习题及思考题 380

第15章 成分分析测试技术 381

15.1气体成分分析技术 382

15.1.1热导式气体分析器 382

15.1.2磁性氧气分析仪 388

15.1.3红外线气体分析器 397

15.1.4过程气相色谱仪 403

15.1.5工业质谱仪 417

15.2物性分析测试技术 426

15.2.1含水量和湿度测量 426

15.2.2黏度测量 429

15.2.3密度测量 434

15.2.4酸度测量 437

15.2.5浊度测量 444

15.2.6浓度测量 446

练习题及思考题 451

第4篇 检测系统 455

第16章 虚拟仪器测试系统 455

16.1概述 455

16.2虚拟仪器的组成与分类 456

16.3虚拟仪器的硬件技术 458

16.3.1 DAQ仪器 458

16.3.2 GPIB仪器 459

16.3.3 VXI仪器 459

16.3.4 PXI仪器 459

16.3.5其他计算机硬件接口仪器 460

16.4虚拟仪器软件标准 461

16.4.1 SCPI标准 461

16.4.2 VISA标准 461

16.4.3 IVI标准 462

16.5虚拟仪器开发环境 462

16.5.1 LabVIEW 462

16.5.2 LabWindows/CVI 463

16.5.3 HP VEE 464

16.6在虚拟仪器中常使用的其他技术 464

16.7虚拟仪器的发展方向 465

16.8基于虚拟仪器的测试系统 465

练习题及思考题 467

第17章AS-i现场总线测控系统 468

17.1概述 468

17.1.1体系结构 468

17.1.2技术指标 470

17.1.3标准制定及应用领域 472

17.1.4 AS-i总线国际组织 472

17.2 AS-i总线传输系统 473

17.2.1传输电缆 473

17.2.2信号调制过程 474

17.2.3电源和数据解耦电路 475

17.2.4访问方式和报文 476

17.2.5主站请求和从站应答报文 477

17.3 AS-i从站结构和工作流程 478

17.3.1从机的组成结构 479

17.3.2从机专用芯片的构成 480

17.4 AS-i主站和通信协议 481

17.4.1主机性能特点 481

17.4.2主机硬件电路 482

17.4.3通信协议 485

17.5 AS-i总线技术的新进展 488

练习题及思考题 488

第18章 多传感器数据融合技术 489

18.1多传感器数据融合概念 489

18.2多传感器数据融合框架 491

18.2.1多传感器数据融合中的传感器工作方式 491

18.2.2多传感器数据融合结构 492

18.2.3多传感器数据融合模型 494

18.3多传感器数据融合算法 496

18.3.1基于卡尔曼滤波的多传感器数据融合方法 496

18.3.2多传感器数据融合应用实例 500

练习题及思考题 502

第19章 软测量技术 503

19.1前言 503

19.2软测量技术分类 504

19.2.1基于传统方法的软测量模型 504

19.2.2基于回归分析的软测量模型 504

19.2.3基于智能方法的软测量模型 505

19.3软测量工程实现 506

19.3.1辅助变量的选择 507

19.3.2数据的预处理 508

19.3.3软测量模型的建立 508

19.3.4软测量模型的校正 509

19.4小结 509

练习题及思考题 509

第20章 现场无线总线技术 510

20.1前言 510

20.2无线通信网络的分类 510

20.3自动化和控制环境下现场无线总线层次划分 511

20.4常用现场无线总线技术简介 512

20.4.1 ZigBee技术 512

20.4.2无线HART技术 514

20.5小结 516

练习题及思考题 516

附录1常用标准热电偶分度表 517

附录2常用标准热电阻分度表 528

参考文献 532